Q420級低合金高強度角鋼研制

1、Q420級低合金高強度角鋼研制【摘 要】采用微合金化路線，某廠成功開發(fā)了7個型號、25個規(guī)格的Q420級高強度角鋼。產(chǎn)品實物質(zhì)量穩(wěn)定，綜合性能優(yōu)良。該產(chǎn)品現(xiàn)已經(jīng)多家用戶廣泛使用，并已應(yīng)用到國家電網(wǎng)改造及建設(shè)中。生產(chǎn)實踐表明，在型材軋機上采用微合金化路線，開發(fā)Q420級角鋼是可行的?！娟P(guān)鍵詞】微合金化 Q420 高強度角鋼1.前言隨著我國電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，國家電網(wǎng)公司已廣泛采用Q420級高強角鋼用于330KV及以上輸電線路、220KV同塔雙回及多回輸電線路鐵塔建造。采用Q420高強角鋼替代Q235、Q345角鋼，通過材質(zhì)強度的提升，能有效地降低了鐵塔設(shè)計重量，節(jié)省了材料，對我國輸電線路建設(shè)意義

2、重大。某廠利用現(xiàn)有角鋼孔型系統(tǒng)，在不新增工模具投入的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出10#20#等7個型號、25個規(guī)格Q420級角鋼產(chǎn)品。全年生產(chǎn)Q420B角鋼5萬余噸，成材率93.69%，性能合格率99.9%。2.Q420級角鋼生產(chǎn)工藝2.1 微合金化工藝 微合金化方案選擇Q420級角鋼屬于低合金高強度鋼，其強度的提高主要依靠晶粒細(xì)化和沉淀強化兩個機理實現(xiàn)。目前低合金高強度鋼主要采用Nb、V、V-N微合金化，配合合適的軋制工藝實現(xiàn)強度的提升。而角鋼屬于長材產(chǎn)品，生產(chǎn)速度快，軋制溫度高，主要形變階段軋制溫度在奧氏體再結(jié)晶以上，其工藝特點決定了更適合采用V或V-N微合金化工藝，通過形成碳化物、氮化物或碳氮化物

3、達(dá)到提升強度的目的。對含釩鋼的眾多研究表明，氮對于含釩鋼是十分有效的元素，在釩氮合金中大約每加入0.01%的釩可帶入0.0010%的氮，同時鋼的屈服強度增加6MPa以上1。因此通過充分利用廉價的氮元素，可顯著提高含釩鋼的強化效果，達(dá)到節(jié)約合金含量、降低成本的目的。綜合分析，采用V-N微合金化工藝更適合Q420角鋼生產(chǎn)。2.1.2 化學(xué)成分設(shè)計Q420角鋼成分設(shè)計采用控制C、Mn元素含量，主要通過加入V-N微合金化，來保證角鋼力學(xué)性能。在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定前提下，對Q420角鋼成分控制提出如下要求，見表1。表1 Q420B角鋼化學(xué)成分 %牌號元 素CSiMnPSVNCEVQ420B國標(biāo)要求51.0

4、01.704040控制范圍40.200.200.501.351.7030512.2 工藝流程設(shè)計Q420級角鋼工藝流程為：脫硫鐵水轉(zhuǎn)爐冶煉合金化LF鋼包精煉連鑄澆150210mm、250250mm、250280mm斷面連鑄坯連鑄坯精整型鋼廠鑄坯加熱軋制定尺鋸切（取樣）矯直產(chǎn)品外形、性能檢驗打捆入庫。2.3 煉鋼工藝2.3.1 冶煉根據(jù)Q420角鋼成分要求，用Mn-Si、Mn-Fe合金配Mn，用V-Fe合金配V，Si以Mn-Si、Fe-Si加入，用Si-Ca-Ba-Al終脫氧。冶煉采用80t轉(zhuǎn)爐，嚴(yán)格控制冶煉終點目標(biāo)溫度。2.3.2 精煉LF精煉中加Mn-N合金配N，進(jìn)站喂Al線，保證吹氬時間和

5、出站溫度。2.3.3 連鑄在1#、3#連鑄機上澆注150210mm、250250mm、250280mm連鑄坯。采用Q420角鋼專用結(jié)晶器保護(hù)渣。結(jié)晶器水、二次冷卻制度按同斷面AM3鋼執(zhí)行，煉成率99.4%。2.4 軋制工藝 加熱制度為保證V元素在軋后冷卻中充分形成V（C，N）彌散顆粒，充分發(fā)揮其強化效果，則必須保證足夠的加熱溫度，即必須使連鑄坯具有足夠的奧氏體化溫度，使合金元素充分溶入奧氏體中并均勻化。據(jù)相關(guān)資料經(jīng)驗公式2，釩在碳錳鋼中的一般溶解度關(guān)系為：LgVN=-8830/T+3.46，LgVC=-9500/T+6.72，根據(jù)Q420B角鋼成分控制范圍。通過計算，釩的碳化物溶解固溶溫度約為

6、830，氮化物溶解固溶溫度約為1060。為保證合金元素V的作用充分發(fā)揮，同時也考慮到合金元素的溶解速度、加熱爐煤氣質(zhì)量和壓力的波動、鑄坯加熱的不均勻性、生產(chǎn)節(jié)奏、軋機負(fù)荷等原因，因此實際生產(chǎn)中，均熱溫度控制約1200，上下均熱段溫差不大于50，出鋼溫度控制約1100。 軋制工藝控制目前V-N微合金化鋼在長型材產(chǎn)品上已成熟應(yīng)用于HRB400鋼筋和厚截面H型鋼產(chǎn)品生產(chǎn)中。其軋制工藝的不同點在于：HRB400鋼筋生產(chǎn)速度快，軋制溫度高，通常在1000以上，主要采取熱軋+控制冷卻工藝生產(chǎn)；厚截面H型鋼，主要采用第三代TMCP工藝，其控制軋制工藝一般由兩個階段組成：第一階段是在高溫的再結(jié)晶區(qū)軋制，第二階

7、段在低溫奧氏體變形區(qū)軋制，通過在VN析出溫度范圍變形誘導(dǎo)VN在奧氏體中析出，為鐵素體相變提供形核核心，達(dá)到細(xì)化鐵素體晶粒的目的,見圖1。圖1 第三代TMCP工藝示意圖根據(jù)Q420角鋼適合的軋制工藝，并考慮到現(xiàn)有裝備條件，軋制上采取了控制開軋溫度和軋制節(jié)奏，將終軋溫度控制在950以下的工藝方式，這樣在設(shè)備能力允許的前提下，既保證了VN的充分析出，也有利于控制鐵素體晶粒尺寸。從對軋制情況的跟蹤來看，當(dāng)將終軋溫度控制在950以下范圍對Q420B角鋼性能是有利的，同時軋機主電機電流來看，該溫度區(qū)間對軋機負(fù)荷無明顯影響，見表2。表2 Q420角鋼不同軋制溫度下力學(xué)性能比較規(guī)格開軋溫度，終軋溫度，Rel，

8、MPaRm，MPaA，%18018016108094049064510909204906401100900505645221085880515660200200201080950510660109093051066024 軋后冷卻為比較軋后不同冷卻方式對角鋼強度的影響，進(jìn)行了如下的對比試驗：將同一爐號的角鋼按單支、多支的方式分別在冷床上冷卻，以比較不同冷卻方式下性能差別，見表3。從表中發(fā)現(xiàn)，單支冷卻的角鋼強度略高于多支冷卻。表3 Q420角鋼不同冷卻方式下力學(xué)性能比較規(guī)格冷卻方式Rel，MPaRm，MPaA，%180180161500655249063514906502470630200200

9、2015156652500650261515670250064524注：冷卻方式中“1”為單支冷卻，“2”為多支冷卻。3.實物質(zhì)量情況3.1 外形尺寸試制Q420角鋼外形尺寸情況見下表4。表4 Q420級角鋼外形尺寸（單位：mm）規(guī)格邊寬厚度允許偏差GB 9787-88實際尺寸允許偏差GB 9787-88實際尺寸10#-+011#012.5#014#016#018#020#0從表1中數(shù)據(jù)來看，Q420角鋼10#20#規(guī)格外形尺寸均控制在偏差允許范圍內(nèi)。3.2 化學(xué)成分試制Q420B角鋼主要成分控制水平如下見表5。表5 Q420B角鋼化學(xué)成分 %爐數(shù)特征值CSiMnPSCEV8283.3 性能情

10、況Q420B角鋼部分規(guī)格力學(xué)性能情況見下表6。表6 Q420B角鋼力學(xué)性能規(guī)格Rel，MPaRm，MPaA，%MinMaxMinMaxMinMax10075195050553564339625650283011085022647556564186306503026401251049119455535622205706652833125124931346051562816580650271401050123440555626215806752836140144781744550560618580640261601049634455530622335706552916016472154504956

11、11155856352618012490204655406231859065527253518018453314005256032256065027200144842742551562624575665282002445415410485608175656452620標(biāo)準(zhǔn)1642052068020標(biāo)準(zhǔn)1640052068020注：為樣本標(biāo)準(zhǔn)差。從表中力學(xué)性能分析，設(shè)計成分下的 Q420B 角鋼強度保證能力較強，且各項力學(xué)性能數(shù)據(jù)的離散度不大，說明Q420角鋼穩(wěn)定性好。3.4 金相組織從金相觀察來看，微合金化的Q420B角鋼組織正常，以F+P為主，鐵素體晶粒度較細(xì)，見圖2。 91-0846,16

12、016012,8.5級,F+P , X100 91-1301,20020024,9.0級,F+P , X100圖2 Q420角鋼金相組織注：金屬平均晶粒度按 GB/T 6394-2002標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行評定。 4.分析與討論4.1 主要元素對Q420角鋼強度的影響釩是較容易固溶于鋼中，又較容易從鋼中析出的微合金化元素，除了與鋼中的碳元素形成VC之外，更容易與鋼中的氮結(jié)合形成VN，并以碳、氮化物的形式存在于基體和晶界上，起到沉淀強化和抑制晶粒長大的作用。Q420B角鋼的強化機理為少量釩的加入具有細(xì)化晶粒的作用，但主要作用在于沉淀強化。沉淀強化效果取決于釩的加入量和沉淀相的顆粒尺寸3，顆粒越細(xì)小，強化

13、作用越大4。為充分發(fā)揮釩的沉淀強化作用，需要在鋼中增氮，通過提高細(xì)小彌散的V(CN)析出相數(shù)量來增加Q420角鋼強度。據(jù)有關(guān)介紹目前最有效的增氮方式是添加V-N中間合金，當(dāng)V/N含量比達(dá)到理想配比時，釩能最大限度地析出。而重鋼采取先加V鐵、然后再LF精煉中加Mn-N合金方式，在提高角鋼的強度和沖擊性能的同時，達(dá)到了降低合金成本、穩(wěn)定提高N元素回收率的作用。 化學(xué)成分與強度的回歸分析以20020016規(guī)格為例，對Q420B角鋼化學(xué)成分與強度的關(guān)系進(jìn)行回歸分析，有關(guān)成分及性能見表7。表7 Q420B角鋼20020016規(guī)格化學(xué)成分與強度表樣本牌號化學(xué)成分，%力學(xué)性能NQ420BCMnSiPSVNR

14、el，MPaRm，MPaA，%255475610274305402054067033上表數(shù)據(jù)按線性回歸進(jìn)行處理，得出多元線性回歸方程如下： Rel=181.11+650.96C+96.88Mn+494.25VRm=246.47+995.20C+112.47Mn+434.46V此方程表明：20020016規(guī)格Q420B角鋼使用V-N微合金化處理，每提高0.01%釩可使角鋼屈服強度提高約5MPa，抗拉強度提高約4MPa。分析發(fā)現(xiàn)，對Q420角鋼強度貢獻(xiàn)的主要元素有C、Mn、V三種，而Si相對較小，同時N的加入主要用于提高V的強化效果，其加入量根據(jù)V加入量進(jìn)行調(diào)整，故方程只作了三元回歸分析。4.3

15、角鋼規(guī)格對Q420角鋼性能影響根據(jù)不同規(guī)格Q420B角鋼強度情況，作下圖進(jìn)行比較。圖3 壓縮比對Q420角鋼強度的影響圖3中數(shù)據(jù)顯示，在設(shè)計化學(xué)成分范圍內(nèi)，隨著角鋼規(guī)格的降低，軋制壓縮比的增加，Q420角鋼強度呈上升趨勢，當(dāng)壓縮比在范圍變化時，屈服強度變化452530MPa，抗拉強度變化604647MPa。4.4 Q420角鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度對Q420角鋼2001620024、1801218018、12510等規(guī)格進(jìn)行系列溫度沖擊試驗，見表8。據(jù)最低的沖擊值做韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線，以27J為V型沖擊值對應(yīng)溫度為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，Q420角鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-30，見圖4。表8 Q420B角鋼系列溫度沖擊

16、值規(guī)格(mm)縱向沖擊AKV(J)200-20-4020016200248417512215224134121311801218018781744116532132121031251086146581264411426107圖4 Q420角鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度5.用戶使用情況某廠生產(chǎn)的Q420角鋼現(xiàn)已經(jīng)多家用戶廣泛使用。從用戶使用情況來看，Q420級角鋼化學(xué)成分、機械性能全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，同時產(chǎn)品外形尺寸、表面質(zhì)量和使用情況良好。目前已應(yīng)用到國家電網(wǎng)改造及建設(shè)中，由于Q420級高強角鋼是提高電網(wǎng)安全設(shè)計等級的最佳材料，國家電網(wǎng)公司已明確提出鐵塔用高強鋼推廣以Q420 強度級別為主。6.結(jié)論(1) 采用微合金化路線，在型鋼軋機上開發(fā)10#20#型號Q420級角鋼工藝上是可行的。(2) 進(jìn)行微合金化處