寶鋼供深中通道橋隧用鋼板的開發(fā)

鐘武波

(寶山鋼鐵股份有限公司制造管理部,上海 201900)

深中通道位于珠三角核心區(qū)域,是粵港澳大灣區(qū)繼港珠澳大橋之后又一世界級超大“隧、島、橋”集群工程。該項目主體工程全長約24 km,其中海底沉管隧道全長6.845 km,寬度為46.0～55.5 m,是國內(nèi)首創(chuàng)、國際上首次大規(guī)模應(yīng)用的超大、超寬、超重的隧道結(jié)構(gòu),工程規(guī)模和技術(shù)難度前所未有;橋梁總長約16.9 km,是世界上最大跨懸索橋之一,且位于強(qiáng)臺風(fēng)頻發(fā)區(qū),技術(shù)難度高[1]。該項目所需Q390C-T、Q420C-T、Q345qD和Q420qD等牌號鋼板的力學(xué)性能、工藝性能、焊接性能及板形要求高,開發(fā)具有較高難度。寶鋼在現(xiàn)有技術(shù)裝備和實驗室研究基礎(chǔ)上,研制開發(fā)了6～70 mm厚該項目用鋼板,并成功中標(biāo)、供貨31.6萬t,成為深中通道項目最大鋼材供應(yīng)商,取得了顯著的社會經(jīng)濟(jì)效益。本文將從成分和工藝匹配設(shè)計、綜合性能評價等方面對鋼板的研制開發(fā)進(jìn)行論述。

1 深中通道橋隧用鋼板技術(shù)要求

深中通道沉管隧道用Q390C-T、Q420C-T和橋梁用Q345qD、Q420qD化學(xué)成分要求見表1,力學(xué)性能及焊接性能要求見表2。要求Q390C-T、Q420C-T和厚度<30 mm的Q345qD、Q420qD采用TMCP態(tài)交貨,Q345qD、Q420qD厚度≥30 mm時采用TMCP+回火態(tài)交貨,鋼板不平度≤3 mm/m。

表1 深中通道橋隧用鋼板化學(xué)成分要求(最大值)Table 1 Chemical composition requirements of steel plate for bridge and tunnel (max) %

表2 深中通道橋隧用鋼板力學(xué)和焊接性能要求Table 2 Mechanical and welding property requirements of steel plate for bridge and tunnel

2 成分設(shè)計

為滿足大規(guī)模冶煉生產(chǎn),對化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度及焊接性能要求相近的Q390C-T、Q345qD和Q420C-T、Q420qD分別采用相同成分設(shè)計,充分挖掘?qū)氫撗b備制造優(yōu)勢,合理匹配化學(xué)成分及制造工藝設(shè)計,避免或減少合金的添加,實現(xiàn)鋼板的低碳制造。以此為設(shè)計思路,從各元素在鋼板力學(xué)性能、工藝性能實現(xiàn)過程中所發(fā)揮作用及經(jīng)濟(jì)性考量[2],為使鋼板具備低Ceq、低Pcm以獲得對大線能量焊接的適應(yīng)性,Q390C-T、Q345qD采用低C,中Mn,低P、S的成分體系,適量加入Al、Nb、Ti微合金元素,輔以Ca處理,以細(xì)化晶粒尺寸并改性夾雜物,而Q420C-T、Q420qD在此基礎(chǔ)上,適量增加Nb元素并添加Cr元素以提升鋼板的強(qiáng)度,開發(fā)的鋼板的成分設(shè)計如表3所示。

表3 深中通道橋隧用鋼板成分設(shè)計Table 3 Chemical composition design of steel plate for bridge and tunnel %

3 制造工藝設(shè)計

開發(fā)鋼板制造工藝流程為:鐵水KR脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→RH脫氣→喂Ca絲→板坯連鑄→板坯熱送→板坯定尺→加熱→軋制→冷卻→探傷→(熱處理)→取樣檢驗→切割定尺→出廠。

3.1 煉鋼工藝

為使鋼中非金屬夾雜物和有害氣體含量控制在合理水平,以保證板坯獲得良好的內(nèi)部與表面質(zhì)量,需對鋼水冶煉及板坯連鑄過程嚴(yán)格管控。

(1) 高爐鐵水KR脫硫后,要求w[S]≤10×10-4%、鐵水比≥78%,根據(jù)鐵水實際加入量,合理匹配低硫廢鋼加入量,保證成品[S]滿足設(shè)計要求。

(2) 轉(zhuǎn)爐停吹終點w[C]控制在0.04%～0.06%范圍內(nèi),且停吹w[O]≤800×10-4%。

(3) RH真空度<300 Pa,高真空處理時間≥15 min,鈣處理后吹氬弱攪拌時間>5 min。

(4) 連鑄過程全氬氣保護(hù)澆注,中間包過熱度控制在5～40 K,拉速≤1.8 m/min。

(5) 中間包取樣檢測,要求w[H]≤2×10-4%、w[O]≤50×10-4%、w[N]≤60×10-4%。板坯中心偏析、內(nèi)裂、三角區(qū)裂紋、角裂、夾雜滿足曼標(biāo)2級要求。

3.2 TMCP工藝

深中通道橋隧用鋼板要求保證不平度≤3 mm/m,70%以上訂貨寬度>3 500 mm,且厚度<18 mm,鋼板寬厚比達(dá)到300,工藝設(shè)計要實現(xiàn)板形和綜合力學(xué)性能的最佳匹配。為合理設(shè)計TMCP工藝參數(shù),利用熱模擬試驗測定了開發(fā)鋼板的相變點溫度Ac1=710～720 ℃,Ac3=869～882 ℃,Ar3=766～782 ℃。

(1) 加熱工藝。為提升加熱效率,避免兩相區(qū)加熱產(chǎn)生混晶組織,裝爐溫度控制在400～650 ℃間。為獲得細(xì)小均勻奧氏體晶粒及確保Nb元素的充分固溶,板坯出爐溫度控制在1 080～1 180 ℃間,且保證板坯除鱗后溫度≥960 ℃。

(2) 軋制及冷卻工藝。采用兩階段軋制,粗軋階段在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行低速、大軋制力、大壓下率連續(xù)軋制,為盡量減少板坯展寬階段的壓下量,板坯寬度規(guī)格設(shè)計盡可能按最大寬度設(shè)計;精軋階段在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行,中間坯厚度設(shè)計按累計壓下率>60%進(jìn)行,同時兼顧粗、精軋階段的效率匹配;精軋階段要求末道次拋鋼速度大于6 m/s,開軋溫度要依據(jù)不同軋制規(guī)格軋后溫降幅度差異動態(tài)設(shè)定,保證鋼板入水溫度在780±20 ℃范圍內(nèi);采用兩階段冷卻工藝,快冷階段冷卻速度目標(biāo)設(shè)定范圍為16～20 K/s,終冷溫度為600±30 ℃,慢冷階段冷卻速度目標(biāo)設(shè)定范圍為10～16 K/s,終冷溫度為480±30 ℃。

(3) 回火工藝。回火溫度設(shè)定為600 ℃,保溫時間為2 min/mm。

4 鋼板的性能和微觀組織

通過實施上述成分工藝,成功開發(fā)出厚度6～70 mm 深中通道橋隧用鋼板,實物質(zhì)量優(yōu)良。

4.1 常規(guī)力學(xué)性能

鋼板拉伸、沖擊及Z向性能優(yōu)異,強(qiáng)韌性匹配良好,具體見表4。

表4 鋼板力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of steel plate

4.2 低溫沖擊韌性

通過夏比沖擊試驗,對各牌號最大供貨厚度進(jìn)行低溫韌性評價,圖1為40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD鋼板韌脆轉(zhuǎn)變曲線。由圖1可知,鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度均在-80 ℃以下,具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性。

圖1 鋼板沖擊韌性轉(zhuǎn)變曲線Fig.1 Impact toughness transition curves of steel plate

4.3 無塑性轉(zhuǎn)變溫度(TNDT)

對40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD鋼板進(jìn)行無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗,結(jié)果如表5所示。結(jié)果顯示:開發(fā)的深中通道橋隧用鋼板的NDT溫度均低于-55 ℃,具有良好的抗脆斷性能。

表5 鋼板無塑性轉(zhuǎn)變溫度Table 5 Nil-ductility transition temperature of steel plate

4.4 CTOD性能

對40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD鋼板進(jìn)行裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗,結(jié)果如表6所示。結(jié)果顯示:開發(fā)的深中通道橋隧用鋼板的-10 ℃橫向CTOD值都在2.40 mm以上,具有良好的抗斷裂性能。

表6 鋼板-10 ℃下的CTOD性能Table 6 CTOD performance of steel plate at -10 ℃

4.5 顯微組織

40 mm厚Q390C-T、Q420C-T和70 mm厚Q345qD、Q420qD鋼板在1/4厚度位置的顯微組織如圖2所示。鋼板組織構(gòu)成為貝氏體、多邊形鐵素體為主加少量珠光體組織,鐵素體、貝氏體兩相組織均勻分布、尺寸細(xì)小,晶粒度水平為10～12級。

圖2 鋼板顯微組織Fig.2 Microstructure of steel plate

5 鋼板焊接性能評價

5.1 焊接方法及工藝

結(jié)合深中通道工程應(yīng)用實際,對40 mm厚Q420C-T鋼板采用三絲埋弧焊FCB工藝進(jìn)行焊接性能評價,焊接熱輸入276 kJ/cm;對70 mm厚Q345qD采用埋弧焊(SAW)工藝進(jìn)行焊接性能評價,焊接熱輸入50 kJ/cm。焊接工藝參數(shù)如表7所示。

表7 焊接工藝參數(shù)Table 7 Detailed process parameters of welding

5.2 焊接接頭性能

鋼板焊接接頭性能如表8所示。Q420C-T和Q345qD接頭拉伸試驗斷裂位置位于母材,抗拉強(qiáng)度值高于標(biāo)準(zhǔn)25～40 MPa,焊接接頭側(cè)彎試驗合格。Q420C-T熔合線及熱影響區(qū)-20 ℃沖擊功在140 J以上,較標(biāo)準(zhǔn)有3倍富裕量,但較Q345qD略低,這與兩者焊接熱輸入有較大差異有關(guān)。鋼板焊后熱影響區(qū)硬度(HV10)在210以下,具有低的淬硬性能。

表8 焊接接頭性能Table 8 Weld joint performance of steel plate

6 結(jié)論

(1) 寶鋼采用低C,中Mn,低P、S的成分體系,適量加入Al、Nb、Ti、Ca、Cr等合金元素,采用兩階段軋制和兩階段冷卻工藝,開發(fā)出6～70 mm厚Q390C-T、Q420C-T、Q345qD和Q420qD等牌號鋼板,成功應(yīng)用于深中通道項目,取得良好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 開發(fā)鋼板各項性能指標(biāo)顯著優(yōu)于項目要求,具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性、止裂性能、抵抗裂紋擴(kuò)展的性能,特別是在極限大熱輸入焊接條件下,鋼板表現(xiàn)出良好的焊接性能,保證了深中通道隧橋建造及服役期間的安全性。