天铁Q460D低合金高强度钢中板的研制开发

赵树栋

（天津天铁冶金集团炼钢厂，河北涉县056404）

天铁Q460D低合金高强度钢中板的研制开发

赵树栋

（天津天铁冶金集团炼钢厂，河北涉县056404）

介绍了天铁Q460D低合金高强度钢中板的开发过程，对生产工艺参数进行实验、分析。实验结果表明，生产出的Q460D中板具有良好的冲击韧性和焊接性能。在采用控轧控冷工艺后，产品具有比较理想的金相组织和力学性能，质量稳定，能够满足用户的要求，可实现批量生产。

Q460D；冲击韧性；金相组织；焊接性能

1 引言

随着工程机械行业大量使用高强度低合金钢，许多钢铁企业也相继开始研发高级别低合金结构钢。为了企业的发展和低成本的实施，对于开发高级别低合金钢有着重要的意义。高级别低合金钢的批量生产使得企业生产成本进一步地降低，增强了企业在市场的核心竞争力，目前已建成的天铁中板生产线为2 500 mm轧机，年产量50万t。为促进企业的转型升级以及品种钢的结构调整，我公司决定开发生产Q460D低合金高强度结构钢。

在研发Q460D的过程中，针对产品的特点和性能、通过控制控冷的工艺措施，得到的晶体组织间的晶粒细化结果明显，显著提高了钢板的冲击韧性和焊接性能。对于Q460D轧制过程成分、轧制工艺参数的优化确定，实现了Q460D的批量生产，产品的各项指标符合国标要求，经济效果显著。低合金结构钢的大量应用替代碳素结构钢，可大大减轻钢结构质量，节省钢材。在2008年北京奥运会主会场的“鸟巢”钢结构总重量为4.6万t，最大跨度34 m，所用的钢材就是Q460D。这是我国在国内钢结构上首次使用Q460D钢材，使得钢结构重量大大减轻，使得“鸟巢”生产成本大幅降低。

2 低合金结构钢的成分及生产工艺控制

2.1 低合金结构钢的成分控制

低合金结构钢是在普碳钢中加入微量的合金元素，而具有高强度、高韧性、良好的冷成型和焊接性能、低的冷脆转变温度和良好的耐蚀性等综合力学性能。使用Q460D强度比使Q235D高约30% 40%、耐大气腐蚀能提高25%～42%、用它制造的工程结构重量可减轻25%～35%，使企业的生产成本大幅降低。

生产低合金结构钢碳含量是逐步降低的过程对于需要更高韧性与焊接性能的钢板，通常采用C≤0.10%设计。

加入微量铬、镍合金后增加了奥氏体的过冷度，降低了马氏体与贝氏体的转变温度，促进了马氏体的形成。钢板在出轧机后经过控冷水的快速冷却，基本能够消除铁素体及珠光体的形成。铌能够起到细化晶粒，能够在轧制过程中提高在结晶温度，提高轧制温度。锰的作用固溶强化，高M n/C提高屈服强度和冲击韧性，降低析出碳化物、促进沉淀强化。钒具有较强的析出强化能力，用来提高钢的强度。钛是很强烈的固氮元素，细小的TiN晶体能有效地阻碍加热过程奥氏体的晶粒的长大。钛能明显改善焊接性能。

天铁开发的Q460D钢板添加铬、镍、铌、锰、钒、钛这微量的元素，通过复合微量合金元素的方案、细化晶粒，达到提高钢板的强度、韧性和焊接性能的要求。特别是加入微量铌后能显著提高钢的韧性，降低了硫、磷的含量。

提高钢板的低温冲击韧性，降低夹杂含量，提高钢水的纯净度，D类夹杂物为2.5~4级。由于D类夹杂含量较高，这是由于钢中较高的Al含量使夹杂物球化，降低了夹杂的有害物质。Q460D钢种中碳、锰含量的降低，使得钢固溶强化增量降低，加入微量合金钒元素后，形成强烈的沉淀强化。控轧工艺的应用能够形成较小的铁素体晶粒，使得细晶强化、沉淀强化增量增多，弥补固溶强化增量降低，使钢板具有较高的强度。

2.2 生产工艺控制

天铁中板在现有装备技术条件下，成功试轧了Q460D该钢种。轧制后经检验各项力学性能满足要求，对企业经济效果明显。生产过程中控制轧制工艺是生产Q460D生产的关键，此次实验钢板规格20 mm，钢坯加热温度1 200℃，加热炉的保温时间30 min、在初轧时温度控制在1 050~1 100℃，轧5道次压下率控制在25%~35%；精轧阶段总的压下率60%~70%，精轧温度控制在900~950℃。轧后进入快速冷却，终冷温度在500~650℃，冷却速度12 25℃/s。在轧后快速冷却的目的：获得针状的珠光体和铁素体，以提高钢板的强度和韧度。这一控轧控冷工艺所得到的金相组织见图1。Q460D的金相组织统计结果见表1。控制控冷工艺试样Q460D钢板的力学性能见表2。

图1 Q 460D的典型金相组织

表1 Q460D的金相组织统计结果

表2 控制控冷工艺试样Q460D钢板的力学性能

通过对检验试样各项性能实验结果显示：屈服强度、抗拉强度、延伸率、断面收缩率、冷弯均达到低合金结构钢的要求，且性能指标良好，试样金相显示铁素体和珠光体组织，试样中金相组织晶粒度比较细小，晶粒度级别9~11级。

2.3 焊接性能分析

为保证钢板的焊接性能，当钢中成分满足Ceq0.48、Pcm=0.22这两个条件后，这样低的碳含量能保证钢板的焊接性能。

Q460D的成分见表3。

表3 Q460D的成分

焊接通常是通过焊剂将两块板材焊接到一起，焊接性能是低合金结构的一项重要指标，应该具有低的碳当量和焊接裂纹敏感系数，硫、磷含量较低，才能保证Q460D的焊接性能，焊接性能的好坏直接影响着低合金结构钢的安全。

影响焊接因素是多方面的，如化学成分、组织形态、厚度等。这里主要考虑化学成分对焊接性能的影响。

碳对焊接性能是不利的：当C≥0.7时，裂纹倾向增大；Mn≥1.4时，Mn会提高焊接接头的韧性和脆性转变温度，所以在成分上限制了锰碳的加入量。碳含量的过高对焊接是不利的，应该将碳含量限制在0.4以下。

2.4 焊接接头的性能

在钢板上取试样做拉伸和弯曲检验，拉伸和弯曲试样的焊接试样见图2、图3及表4。

图2 焊接接头的拉伸试样

图3 焊接接头的冷弯试样

表4 Q460D的横向和纵向拉伸冷弯试样结果

通过对板材的焊接接头的纵向和横向实验结果表明，该钢板的实物试样焊接质量达到了Q460D的焊接质量要求。对上述钢板焊接试样现场焊接时，要严格执行操作焊接的操作规程以及安全注意事项，对现场钢板试样的标号清晰。焊接方面应采用小电流，快速不摆动焊件，要提高钢板的耐蚀性，就必须保证钢板焊缝的耐蚀性。

在采用控轧控冷技术后对提高Q460D的强度是非常有效的，细化晶粒、带状组织减弱是保证强度提高的根本原因。

3 Q 460D低合金结构钢的使用效果

经过对钢板的力学性能指标和焊接性能的实际钢板试样的实验，结果表明低合金结构钢的优势明显，各项性能均优于普碳钢。低合金高强度钢与普碳钢相比，更加广泛应用于各类船舶、桥梁、工程机械等生产中。在成功应用低合金高强度结构钢以后，使得各类工程机械及船舶、桥梁的重量大幅度减轻，节省了大量的钢材。北京奥运会“鸟巢”的成功应用低合金钢就是典型的例子。而且低合金高强度钢的耐蚀性能也比普碳钢要高出25%～42%，使其使用寿命大大提高。在海水中大量使用这种钢材使得生产成本大幅降低。经过实践得出：成功开发Q460D低合金高强度钢对节约资源、降低生产成本、保护环境具有显著效果。

4 结论

天铁中板开发生产的Q460D低合金高强度合金钢，通过对生产工艺参数进行实验、分析，表明该钢种具有良好的冲击韧性和优异的焊接性能在采用控轧控冷工艺后使轧制后的产品得到比较理想的晶相组织和力学性能。质量稳定、已具备批量生产的条件，产品性能完全能够满足下游用户的需要。Q460D的成功生产也使企业的生产成本大幅降低，对今后企业开发新钢种钢积累了一定的经验。

[1]沈其文.材料成型工艺[M].武汉：华中理工大学出版社，2000.

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[3]李梅广.调质工艺在中厚板产品开发方面的应用探讨[J].山东冶金，2007（6）：29-31.

[4]吕德林.焊接技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

Research and Development of Q460D Low Alloy High Strength Steel Heavy Plate in Tiantie

ZHAO Shu-dong
(Steel-making Plant,Tianjin Tiantie Metallurgy Group,She Country,Hebei Province 056404,China)

The paper exp lains the developing process of Q460D low alloy high strength steel heavy p late in Tiantie.Process parameters were tested and analyzed.Test results showed the produced Q460D p late possessed good impact toughness and welding performance.With controlled rolling and controlled cooling process,the product,with ideal metallographic structure and mechanical property,showed stable quality,meeting the demand by the customer and realizing scale production.

Q460D;impact toughness;metallographic structure;welding performance

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.004

2016-05-25

2016-06-18

赵树栋（1985—），男，本科，主要从事于轧钢方面的研究工作。