橋梁鋼Q370qE工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐

孫路路

（南京鋼鐵股份有限公司板材事業(yè)部，江蘇 南京 210035）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，橋梁用鋼已成為一種應(yīng)用廣泛的鋼材。橋梁鋼Q370qE是一種低合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于鐵路橋梁、公路橋梁施工、鋼箱梁或鋼橋鋼梁焊接結(jié)構(gòu)[1]。特別是鐵路橋梁，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，長(zhǎng)期承受著疲勞荷載，其安全可靠性受到社會(huì)的高度重視。根據(jù)橋梁的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，要求鋼板的強(qiáng)韌性、焊接性、屈服強(qiáng)度比等性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。采用正火工藝生產(chǎn)的傳統(tǒng)鐵路橋梁鋼的焊接性和低溫沖擊韌性不能滿足橋梁快速發(fā)展的要求，是其明顯的缺點(diǎn)[2]。采用TMCP工藝生產(chǎn)的低碳橋梁鋼具有強(qiáng)度高、焊接性好、低溫沖擊韌性好等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)國(guó)內(nèi)某鋼鐵企業(yè)先進(jìn)的冶金技術(shù)和設(shè)備條件，研究了高性能Q370qE橋鋼板的工藝基礎(chǔ)，并在TMCP生產(chǎn)過(guò)程中采用低碳、微鈮和低碳當(dāng)量的成分設(shè)計(jì)，研制了Q370qE鋼板具有優(yōu)良的力學(xué)性能和焊接性能。

1 國(guó)內(nèi)外橋梁鋼的發(fā)展概況

作為鋼鐵強(qiáng)國(guó)的日本，其橋梁鋼的研宄和應(yīng)用非常廣泛，從20世紀(jì)中期日本就開(kāi)始使用屈服強(qiáng)度超過(guò)500Mpa的高強(qiáng)度鋼來(lái)建造橋梁，比如1974年建造的大阪港大橋梁，20世紀(jì)60年代日本開(kāi)始使用免涂裝的耐候鋼，用于沿海地區(qū)的橋梁建設(shè)。日本目前致力于高性能橋梁鋼的研究，比如開(kāi)發(fā)的BHS500和BHS700W，屈服強(qiáng)度分別為500Mpa和700Mpa，有著更好的綜合力學(xué)性能。高強(qiáng)度耐候橋梁鋼在美國(guó)的應(yīng)用歷史悠久，特別是1992年，高性能鋼HPS（high performane steel）的發(fā)展被提出，高性能鋼具有碳含量低、碳當(dāng)量低、易焊接、力學(xué)性能好等特點(diǎn)[3]。代表鋼種為HPS345W、HPS485W和HPS690W。此外韓國(guó)，歐洲等國(guó)橋梁鋼的發(fā)展也比較迅速。

我國(guó)的橋梁鋼應(yīng)用較晚，但是發(fā)展較快。我國(guó)橋梁用鋼屈服強(qiáng)度水平由235Mpa提高到345Mpa～420Mpa，近年來(lái)已發(fā)展到500Mpa；沖擊試驗(yàn)溫度由最低的-20℃提高到最低的-40℃甚至-60℃；典型的代表為第一代武漢長(zhǎng)江大橋，但是鋼材是原蘇聯(lián)提供給的A3鋼。第二代南京長(zhǎng)江大橋，開(kāi)始也是原蘇聯(lián)提供鋼材，后由鞍鋼替代，為16Mnq。第三代為九江長(zhǎng)江大橋，用牌號(hào)為15MnVNq。第二代和第三代橋梁鋼由于韌性和焊接性能不好，只能應(yīng)該于中小型橋梁。武鋼在此基礎(chǔ)上研發(fā)低碳當(dāng)量和加Nb元素進(jìn)行微合金化，成功研制14Mnbq，即目前廣泛使用的Q370q，成功應(yīng)用于蕪湖長(zhǎng)江大橋，為第四代。第五代為南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋，使用的是Q420q，屈服強(qiáng)度可達(dá)到420Mpa，隨著國(guó)內(nèi)的基礎(chǔ)建設(shè)升級(jí)，對(duì)橋梁鋼的要求越來(lái)越高，挑戰(zhàn)也越來(lái)越大。圖1為某橋梁圖。

圖1 橋梁

2 技術(shù)要求與成分設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 714-2015的標(biāo)準(zhǔn)，Q370qE的力學(xué)性能要求如表1。

表1 Q370qE的力學(xué)性能要求

碳是鋼中最重要的強(qiáng)化元素。隨著碳含量的增加，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度可以同時(shí)提高，但抗拉強(qiáng)度的提高幅度較大，屈服強(qiáng)度比較低。但隨著碳含量的增加，材料的中心偏析嚴(yán)重，降低了材料的韌性和焊接性[4]。因此，采用適當(dāng)?shù)牡吞荚O(shè)計(jì)。錳在固溶強(qiáng)化和晶粒細(xì)化中起著重要的作用，提高了合金的屈服強(qiáng)度和低溫韌性。但錳含量過(guò)高也會(huì)降低焊接性能，應(yīng)適當(dāng)添加。鈮在控制軋制和冷卻過(guò)程中起著重要作用。在高溫控軋階段，固溶態(tài)Nb可以抑制再結(jié)晶奧氏體晶粒的生長(zhǎng)；在低溫控軋階段，析出的Nb（C，N）顆粒通過(guò)抑制奧氏體的再結(jié)晶，增加晶體缺陷的密度，從而顯著提高了鐵素體的形核率，在鋼中加入少量的鈦可以促進(jìn)TiN在晶界的析出，抑制原始奧氏體晶粒的生長(zhǎng)，從而提高材料的低溫韌性。表2為設(shè)計(jì)成分。

碳當(dāng)量（Ceq）計(jì)算公式為：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15

焊接裂紋敏感型指數(shù)（Pcm）代替碳當(dāng)量評(píng)估鋼材的可焊性，計(jì)算公式為：

Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

3 生產(chǎn)工藝

加強(qiáng)對(duì)脫氧和脫硫過(guò)程的控制，能有效減少鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量。在轉(zhuǎn)爐冶煉過(guò)程中，控制終端C的含量，降低鋼中的氧含量，嚴(yán)格控制爐渣量。精煉過(guò)程中脫硫快、充分，軟吹時(shí)間要保證，鋼中的夾雜物要完全浮起；連鑄坯中心偏析控制在C級(jí)0.5～1。嚴(yán)格控制加熱溫度和加熱時(shí)間，抑制原晶粒過(guò)度生長(zhǎng)[5]。依次加熱溫度為1200℃～1250℃，加熱時(shí)間為3.5h～4.5h比較合適。在再結(jié)晶區(qū)和非再結(jié)晶區(qū)軋制，保證了再結(jié)晶溫度范圍內(nèi)晶粒組織均勻。粗軋階段，軋制溫度≥1050℃，合格率控制在15%～30%。奧氏體晶粒經(jīng)軋制完全再結(jié)晶細(xì)化，大大降低。在最終軋制階段，二次軋制溫度≤950℃，二次軋制累積變形控制在60%～70%，增加了晶間變形面積，促進(jìn)了鐵素體的形成。最終軋制溫度控制在760℃～830℃，抑制了相變后鐵素體的生長(zhǎng)，降低了鐵素體晶粒尺寸。為了獲得均勻、細(xì)小的鐵素體+珠光體結(jié)構(gòu)，考慮了最大形核速率、最快形核速率和矯直溫度的溫度范圍。軋制后用ACC進(jìn)行冷卻，最終冷卻溫度控制在620℃～700℃。圖2為生產(chǎn)工藝流程。圖3為軋制生產(chǎn)線。

表2 Q370qE的設(shè)計(jì)成分（Wt/%）

圖2 生產(chǎn)工藝流程圖

圖3 軋制生產(chǎn)線圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)生產(chǎn)檢測(cè)，試驗(yàn)鋼屈服強(qiáng)度400MPa～480MPa，抗拉強(qiáng)度540MPa～610MPa，延伸率21%～25%，-40℃沖擊功為180J～240J。圖4為屈服強(qiáng)度、圖5為抗拉強(qiáng)度、圖6為延伸性能、圖7為低溫沖擊性能。

圖4 30mm屈服強(qiáng)度分布

圖5 30mm抗拉強(qiáng)度分布

圖6 30mm試樣延伸率分布

圖7 30mm試樣低溫沖擊功分布

5 結(jié)論

通過(guò)添加合理的成分，利用控制軋制控制冷卻工藝，使橋梁用鋼Q370qE的各項(xiàng)性能達(dá)到國(guó)標(biāo)GB/T 714-2015的要求，完全滿足橋梁鋼的應(yīng)用需求，現(xiàn)已穩(wěn)定、批量供貨。