高強度寬厚板的用途及開發(fā)

1、內蒙古科技大學課程論文題 目：高強度寬厚板用途及開發(fā)學生姓名：謝慶云學 號：1261105225專 業(yè)：材料成型及控制工程班 級：2012-成型2班指導教師：曹建剛 教授12高強度寬厚板的用途及開發(fā)謝慶云（內蒙古科技大學 材料類與冶金學院，內蒙古 包頭014010）摘要：本文介紹了高強度中厚板的種類、用途、市場現(xiàn)狀與發(fā)展，詳細闡述了中國近幾年船舶及海洋工程用鋼板、高強度機械用鋼、車輛用鋼、水電站壓力管用鋼及其他用途高強度寬厚板，尤其針對幾種不同用途的高強度鋼的開發(fā)進行詳細分析，并對高強度寬厚板的前景進行展望。關鍵字:高強度；用途；開發(fā)；研究方向Application and developme

2、nt of high strength and wide plateXIE Qing-yun(School of materials and metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou, Inner Mongolia,014010)Abstract:This paper introduces the types, application, market status and development of high strength plate, and expounds in detail th

3、e steel plate for ship and offshore engineering,high strength mechanical steel, vehicle steel,hydropower station pressure pipe steel and other uses high strength heavy plate in China in recent years,the development of several high strength steel is analyzed in detail,and the prospect of high strengt

4、h and wide plate is prospected.Key words:high strength；uses; development; research direction 人們通常把厚度4mm以上，寬度3000mm以上的鋼板稱為寬厚板。寬厚板用途廣泛、品種繁多。概括有鋼結構用板、造船板、橋梁板、壓容板、鍋爐板、管線用板、裝甲板、建筑用耐侯板、原子能用板等。大于250MPa的鋼板稱作高強度鋼板。11 高強度寬厚板現(xiàn)狀1.1 高強度鋼材的生產(chǎn)現(xiàn)狀目前，國外高強鋼的牌號比較強齊全，力學性能等也基本可以滿足各種使用要求。國外該類鋼的生產(chǎn)和應用已趨于穩(wěn)定。發(fā)達國家的一些鋼鐵公司已經(jīng)有了自己

5、的系列產(chǎn)品和標準。例如：瑞典奧克隆德的 HARDOX系列、德國蒂森克虜伯的 XAR 系列、日本的JFE的EVERHARD 系列等。這些廠家生產(chǎn)高強鋼的時間 較久，且提供的產(chǎn)品已經(jīng)得到了成功的應用。近幾年，國內的高層鋼結構建筑，大跨度空間結構的發(fā)展，像國家體育場就使用了Q460E，水立方工程使用了Q420，CCTV 新址使用了Q460，均是經(jīng)專門論證而使用的。我國新的鋼材規(guī)范低合金高強度結構鋼 GB/T1591-2008，代替 GB/T1591-1994，也給出了Q500，Q550，Q620，Q690 級性能鋼材，取消了Q235 強度 級別鋼材。目前，國內主要的廠家的高鋼產(chǎn)品基本處于同一質量水平

6、。武鋼產(chǎn)品主要以360級別為主，成品性能較好；舞鋼成品板幅大，熱處理手段齊全能夠生產(chǎn)較厚的高強鋼板；太鋼高強鋼板板形控 制好，平直度到達進口鋼水平。雖然，國內已取得可喜的發(fā)展，但我國高鋼整體尚未形成通用化、系列化的標準。21.2 寬厚板軋機的現(xiàn)狀我國目前建設投產(chǎn)的用于寬厚板生產(chǎn)的寬厚板坯連鑄機都不同程度地具有前沿技術特征、很高的裝備水平、配置了高水平的工藝模型和控制軟件，完全具有生產(chǎn)高品質的無缺陷連鑄坯的條件。但是生產(chǎn)的連鑄坯規(guī)格厚度大多300mm，軋制厚度80mm的高物理性能和等級的寬厚板材，工藝條件受到限制。寶鋼和舞鋼具有電爐冶煉和模鑄生產(chǎn)寬厚板的條件，采用傳統(tǒng)模鑄工藝生產(chǎn)的扁錠，仍然具有

7、高純凈鋼和組織生產(chǎn)單件小批量、特殊用途鋼材的靈活性。寶鋼5m軋機二期工程粗軋機投產(chǎn)后，能采用1000mm厚的鋼錠，軋制400mm的特厚鋼板。舞陽鋼廠經(jīng)過多輪次試驗，以連鑄坯替代模鑄扁錠軋制厚度130-150mm的鋼板，成材率比模鑄提高15%，達到88%以上；用連鑄坯軋制可大大降低加熱能耗和費用，以300mm厚連鑄坯為例，其軋制前加熱時間是4-5小時；而模鑄生產(chǎn)對應的扁錠加熱時間需要10多小時。32 高強度寬厚板的用途 高強度寬厚板多用于大型海洋工程和造船業(yè)、大型橋梁、大口徑石油、天燃氣輸送管線、大型壓力容器和儲罐、重型建筑結構(特別是高層、防火、耐侯、大跨度和非對稱的空間結構用途)、大型水利電

8、力、核能和機械工程。高強度寬厚板不僅要求具有高的強度等級，要求高純凈度,高的韌性和抗疲勞特性;還要求具有良好的焊接和加工性能及其它特殊性能。這些用途的寬厚板往往還單獨或綜合要求具有良好的低溫沖擊性能，抗焊接熱影響和裂紋敏感特性,或者試件斷面收縮率達到25%或35%以上的抗層狀撕裂的性能。42.1 船舶及海洋工程用鋼板 船用鋼材主要是鋼板、型材（包括角鋼、型 鋼、型鋼、工字鋼、球扁鋼），以及船用鋼管等。從品種規(guī)格來看，中國造船板品種、規(guī)格已基本能夠滿足市場要求。國內5000mm級寬厚板軋機已有6套，包括鞍鋼鲅魚圈、寶鋼、沙鋼、湘鋼、五礦營鋼等，均配備了完善的精整和熱處理系統(tǒng)。船舶行業(yè)的發(fā)展對鋼鐵

9、行業(yè)提出了“大、高、新”的要求，即大規(guī)格、高強度、新技術，需要在品種和規(guī)格、低溫用鋼、集裝箱止裂板、油艙用耐腐蝕鋼、海洋工程裝備用鋼、船用配套設備用鋼、高效焊接技術等方面取得更大的突破。52.2 機械用高強鋼板高強鋼 機械行業(yè)是鋼材消費大戶，鋼材消費量僅次于建筑行業(yè)，且機械行業(yè)用鋼具有品種多、規(guī)格范圍大的特點。目前，高強度工程機械用鋼是國內鋼鐵企業(yè)研發(fā)進度最快的品種之一，傳統(tǒng)的中厚板生產(chǎn)企業(yè)已具備了很高的生產(chǎn)技術水平和批量供應能力。寶鋼成功研制出1000Mpa 級易焊接超高強厚板和1200Mpa級調質超高強厚板，引領了國內工程機械板的發(fā)展方向，達到了國際先進水平。80kg級工程機械用鋼主要應用

10、于大型電鏟、鉆機、推土機的鏟斗、起重機吊臂和轉臺、煤機結構件等。70kg級工程機械用鋼主要應用于工程機械、煤礦液壓支架、軍用舟橋、起重機吊臂等。60kg級工程機械用鋼的生產(chǎn)企業(yè)相對較多,主要用于工程結構、煤機制造行業(yè)，如大型推土機底板、汽車起重機的液壓支架、挖掘機底板、液壓支架等。以煤炭機械為例，隨著煤炭機械向大功率、高性能趨勢發(fā)展，要求寬厚板的強度，耐磨性必須不斷提高。62.3 車輛用鋼 目前，許多汽車制造商為了應對世界范圍所提出的節(jié)能減排要求，必須大量采用輕量化材料。高強度鋼的大量應用不僅起到了節(jié)能減排的作用，同時還能提高汽車的安全性能，保持汽車的生產(chǎn)成本和提高其回收利用率。隨著汽車碰撞安

11、全性能的不斷提升以及輕量化進程的推進，高強度鋼已逐漸成為了許多新車型車身的主用材。車輛用鋼,基本上分為三種類型,其一是車身結構的主體部分用材,如車身的縱 橫梁、保險杠、發(fā)動機支架和轉向齒輪箱支架等,需用板材雖有一定的厚度要求, 但不需太寬的鋼板來制造;其二為火車車箱外板,轎車的底盤、外殼、車門、擋泥板等,屬于熱軋或冷軋薄板范疇;另一類可以納入寬厚板領域, 如大型挖掘機、大型裝載機及大型電動輪翻斗車用材。154噸電動輪翻斗車的車箱底板,寬達64oomm,就需要寬度在300omm以上的鋼板拼焊。72.4 水電站壓力管用鋼 高壓水管是水電站裝備極為重要的組成部分，近年由于各國修建的水電站水頭不斷提高

12、，管徑越來越大，高壓水管選材就趨向高強度、大壁厚的鋼板。水頭高和管徑的乘積是選材的一個重要依據(jù)。鋼材的強度級別取決于鋼管在具體電站設 計中受力大小，結構形式、以及水質、氣候、地形等條件，同時又制約于鋼管的造價、質量要求和施工進度。不論是普通水電站還是抽水蓄能電站，基本趨勢是 提高高壓水管用鋼材的強度級別而減少壁厚。2.5 其它用途的寬厚鋼板 在國民經(jīng)濟和國防建設的其他領域需用厚度或寬度較大的中厚鋼板情況,在國外一般1520%。2.5.1 橋梁用鋼板 栓焊結構的鐵路橋和懸拉式公路橋的鋼制縱梁,最大跨度已超過20Om。到目前為止世界上大型橋梁拼板厚度在10一50m,最大板寬在30mm左右。2.5.

13、2 建筑用鋼板 不論是工業(yè)建筑還是民用設施的梁、柱、銜架等,雖可用鋼板拼焊,承受靜載或動載,除了大型箱式結構或如水壩閘門、港口碼頭外,極少采用寬且厚的鋼板作為結 構材料。2.5.3 裝甲鋼板 在國防建設方面,各軍兵種的裝甲鋼板是特殊的一類鋼材,為了提高坦克、裝甲運輸車、炮臺以及艦船的防護能力,要求生產(chǎn)各類高抗彈性能的裝甲用板材,由常規(guī)熱軋鋼板到形變熱處理的產(chǎn)品,以均質裝甲鋼板至復合裝甲鋼板,厚度由6.0-l00mm,產(chǎn)業(yè)的提升就要求基礎產(chǎn)品用材的質量升級。如低合金類大于60mm的厚板、高層建筑用z向鋼、艦艇用鋼、橋梁鋼等，這些產(chǎn)品（或使用領域）對熱處理中厚板都有要求。高層建筑用熱處理z向中厚板

14、鋼主要使用在超高層的高層建筑中，高建鋼要強度高、韌性好，同時具有較好的抗層狀撕裂性能，目前全世界各地的高層建筑層出不窮，故抗層狀撕裂的高建鋼的使用量前景較大。目前，中國橋梁用鋼發(fā)展趨勢，一是強度級別由370MPa逐步提高到420Mpa;二是對鋼板耐候性的要求越來越高；三是為減少焊縫和節(jié)點，對于超寬超厚的高強度橋梁板需求日益增加。83 常用高強度鋼及性能3.1 常用高強度鋼的分類 國家已公布的汽車用高強度鋼大致可分2類:傳統(tǒng)高強度鋼( CHSS) 和先進高強度鋼( AHSS)，如CHSS通常是采用固溶強化、析出強化和細化晶粒強化等手段進行強化所得到的鋼種，主要包括烘烤硬化鋼板(BH)、高強度無間

15、隙原子( HSIF)、 低合金高強度鋼(HSLA)、各向同性鋼板(IS)和碳錳鋼(C Mn)。AHSS則是指通過相變進行強化所得到的鋼種，其組織中存在2種情況:一種是包含有馬氏體、貝氏體和殘余奧氏體三相的組織;另一種是包含有馬氏體和殘余奧氏體的組織，通常包括雙相鋼(DP)、孿晶誘發(fā)塑性鋼(TRIP)、復相鋼(CP)和馬氏體級鋼(Mart)等。目前一般所說的高強度鋼主要是指先進高強度鋼。3.2 常用高強度鋼強化機制與性能3.2.1 雙相鋼(DP鋼)。DP鋼的微觀組織為鐵素體(F)和馬氏體(M)。M彌散分布在F基體上，形成具有良好成形性和高強度的DP鋼。其微觀組織主要是通過亞溫淬火等方法得到。DP

16、鋼的強度由M的含量決定，M數(shù)量越多，DP鋼的強度越高。DP鋼的優(yōu)點是:屈強比低，具有室溫延遲時效性，加工硬化率和伸長率都較高。這是由于奧氏體(A)在轉變成M時體積膨脹，產(chǎn)生了存在于F中的高密度非釘扎的位錯所致。另外，雙相鋼的烘烤硬化性能較高，碰撞時能吸收很高的能量，其安全性比普通碳鋼高50%。DP鋼常用于制備形狀復雜的高強度結構件。DP鋼是目前所用高強度鋼板中最常用的，通常用于車身上的各種防撞梁、加強板、連接板等。3.2.2 烘烤硬化鋼(BH鋼)。BH鋼的強化機制是殘留于鋼中的間隙固溶原子碳和氮產(chǎn)生的高溫應變時效，即溶解在F中的碳、氮原子聚集在應變產(chǎn)生的位錯處，并被限制其運動。BH鋼的屈服強度

17、低、屈強比低、延展性較好和抗凹性好。主要用于發(fā)動機蓋板、門外板、行李箱外板、頂蓋板。3.2.3 馬氏體鋼(M鋼) 鋼的顯微組織絕大部分為馬氏體組織，M鋼的抗拉強度較高，在1000MPa以上。M鋼通常需進行回火處理以改變其塑性，使其在如此高的強度下，仍具有足夠的成形性能。94 高強度寬厚板的開發(fā)4.1 高強度船體及海洋工程用鋼EH36-Z35的開發(fā)4.1.1 技術要求及成分設計 EH36-235船板是制造船舶及海洋平臺的重要原料，對鋼板的強度、韌性、抗層狀撕裂及焊接性能等要求很高，首秦公司在開發(fā)5-100mmEH36-235船板的過程 中采用過四種成分方案，如表3所示。最終經(jīng)過優(yōu)化，并從成本角度

18、考慮，采用分厚度規(guī)格成分設計原則，采取其中兩種作為大量生產(chǎn)時的工藝內控成分4.1.2 工藝流程 生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預脫硫轉爐冶煉LF精煉RH精煉連鑄鑄坯清理加熱軋制ACC快速冷卻探傷正火取樣、檢驗入庫、發(fā)運。4.1.3 力學性能對所生產(chǎn)的EH36-235進行力學性能檢測，力學性能控制穩(wěn)定，符合企標要求，力學性能范圍如表所示。10表1 EH36-235船板的力學性能Table 1 mechanical properties of EH36-235 ship plate 板號 規(guī)格 Rch/MPa Rm/MPa A/% -60沖擊Akv/J -40時效沖擊/J Z/%C287031Q 50 39

19、5 545 34 152 178 168 102 139 124 67.0 60.5 64.0C287031C 50 395 540 28.5 151 97 151 111 119 106 67.0 60.5 64.0C286981Q 100 375 535 35 170 163 143 176 133 64 49.0 39.0 54.5C286981C 100 365 540 30.5 20 47 31 28 41 20 49.0 39.0 54.5 4.2 高強度工程機械用鋼Q690E鋼的開發(fā)4.2.1 技術要求與成分設計 高強鋼板要求具有足夠高的強度、低的韌脆轉變溫度和一定的延伸率。開發(fā)

20、Q690E鋼過程中采用了低碳及MoNiCuB微合金化的成分設計方案，采用Nb、V、Ti復合微合金化設計，細化晶粒，提高鋼的強度和韌性。Cr、Mo、B提高鋼的淬透性，尤其是加人適量的B；Ni用來提高鋼的韌性；盡量降低P、S有害元素的含量；并采用ca對夾雜物進行球化變性處理。4.2.2 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝路線為：鐵水預處理轉爐頂?shù)讖痛礚F爐RH真空處理連鑄鋼坯檢驗鋼坯加熱高壓水除鱗粗軋精軋ACC水冷矯直冷床冷卻精整拋丸回火處理性能檢驗成品人庫。4.2.3 力學性能 1)熱軋鋼板的力學性能 成品厚度20mm的Q690E鋼熱軋后力學性能如表2所示。 表2 熱軋后鋼板的力學性能 Table 2 mecha

21、nical properties of hot rolled plate規(guī)格/mm 樣品編號 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/% -40AKV/J20 TD192571000 820 955 11.5 106 127 10720 WD192571000 755 810 13.5 139 129 14520 TD192581000 785 950 12.5 186 155 14720 WD192581000 795 835 14.5 146 121 13620 TD192591000 810 940 12.5 106 108 11120 WD192591000 870 915 13.5 1

22、16 134 129 從表2中可以看出試生產(chǎn)的高強鋼Q690E在熱軋后屈服強度均滿足國標要求，但是抗拉強度有波動，個別批次鋼板富余量不大，有的超出了國標的要求，延伸率不能滿足國標的要求，-4O沖擊韌性良好。 2)回火后的力學性能 對軋后鋼板進行 680加熱、保溫30min高溫回火處理后，鋼板力學性能如表3所示。其屈服強度不僅滿足了國標690MPa的要求，有的已經(jīng)到了790MPa級別，而抗拉強度也滿足了國標的要求，且回火后的鋼板具有很好的低溫沖擊韌性。鋼板回火后，析出的細小碳化物起到形核阻止晶粒長大的作用，因此鋼的組織更加細小，鋼的強度也得到了提高?？梢?，采用TMCP工藝加回火工藝，強韌性匹配較

23、好。11 表 3 試驗鋼板回火后力學性能 Table 3 Mechanical Properties of test steel after tempering規(guī)格/mm 樣品編號 Rcl/MPa Rm/MPa A/% -40AKV/J 20 TD192571000 805 825 17.5 209 213 107 20 WD192571000 765 810 18.5 178 169 145 20 TD192581000 810 835 17.5 185 207 147 20 WD192581000 795 825 14.5 195 164 181 20 TD192591000 750 87

24、0 17.0 216 217 220 20 WD192591000 740 865 16.0 247 210 2404.3 高強度汽車大梁鋼 BT610L 開發(fā)4.3.1 化學成分設計 化學成分設計的基礎是要滿足力學性能要求，BT610L選擇鐵素體+珠光體組織設計，采用低碳、低硫、低磷，添加微合金元素鈮和鈦，強韌化機制以細晶強化為主，附加析出強化和位錯強化5，從而獲得高強度、高韌性和穩(wěn)定的冷成形性等優(yōu)良的綜合性能。4.3.2 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)工藝流程如下:鐵水鐵水預處理轉爐頂?shù)讖痛狄睙扡F爐外精煉板坯連鑄堆冷。板坯加熱高壓水除鱗定寬壓力機E1R1粗軋機軋制E2R2 粗軋機軋制(保溫罩)飛剪切頭尾高

25、壓水除鱗(F1F7)精軋機軋制密型層流冷卻卷取托盤運輸系統(tǒng)取樣、檢驗稱重入庫。4.3.3 力學性能 對所生產(chǎn)的40爐BT610L進行力學性能檢測，力學性能控制穩(wěn)定，符合企標要求，力學性能范圍見表。12 表 4 BT610L 力學性能控制水平( 橫向) Table 4 Mechanical Properties of BT610L (horizontal) Rel /MPa Rm /MPa A /% 180冷彎， b35mm550606 611669 2129 合格 從表4中可得BT610L夾雜物控制良好，組織細小均勻，力學性能穩(wěn)定，能夠滿足汽車生產(chǎn)廠家的使用。5 高強度寬厚板的前景展望5.1

26、寬厚板軋機的發(fā)展要求 未來鋼鐵企業(yè)為了滿足高質量寬厚鋼板的需求，產(chǎn)品品質必需滿足更加嚴格的標準；必然要應對日益激烈的競爭，應對來自質量、成本、效率、環(huán)保、品種和技術方面的壓力和挑戰(zhàn)；面對一般寬厚板軋制能力過剩，高端寬厚板產(chǎn)品技術和生產(chǎn)能力仍然短缺的現(xiàn)狀；可以肯定煉鋼-連鑄-軋鋼工藝流程和產(chǎn)品結構優(yōu)化的技術改造，淘汰落后和新的工程建設將持續(xù)進行。整合設計研究、裝備制造和使用平臺，鼓勵支持消化吸收和掌握引進技術，重視總結實踐經(jīng)驗的二次創(chuàng)新和自主集成，推動裝備國產(chǎn)化、工藝技術和核心競爭力的實現(xiàn)，我國寬厚板坯連鑄與寬厚板生產(chǎn)的技術和裝備應會取得持續(xù)的進步，接近或達到國際先進水平。135.2 高強度鋼的

27、研究方向5.2.1 提高高強度鋼的材料強度級別 據(jù)寶鋼相關資料介紹，其擁有國內唯一一條超高強度鋼板專用生產(chǎn)線，可以生產(chǎn)最高強度達冷軋1500MPa，熱鍍鋅1000MPa的材料。目前為止，980MPa及以下強度零件的沖壓成形工藝已相對成熟; 1200MPa B柱零件的成形工藝目前正在研究中。5.2.2 提高高強度鋼的成形性目前，以寶鋼、首鋼、武鋼、鞍鋼為代表的國內多家鋼鐵公司都在進行針對高強度鋼的先進成形方法的研究。目前為止，比較有研究潛力的先進成形方法是液壓成形與內高壓成形。145.2.3提高高強度的抗層狀撕裂性能抗層狀撕裂性能對高強度寬厚板也尤為重要，這樣會不致形成表面損傷、微細裂紋等以至鋼板金屬連續(xù)性的破壞和應力腐蝕開裂發(fā)生的問題；能允許多次加工或修補，尤其是焊接操作。良好的抗層狀撕裂性能能降低材料發(fā)生腐蝕開裂的可能性。156 結語 中國經(jīng)濟高速發(fā)展推動中厚板產(chǎn)銷量大幅增長，不同種類的高強度寬厚板有著各自的用途。通過對高強度結構