高強度厚規格H型鋼樁的開發

付博，張婕，李超，鄧存善

（山東鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 250014）

生產技術

高強度厚規格H型鋼樁的開發

付博，張婕，李超，鄧存善

（山東鋼鐵集團有限公司，山東 濟南 250014）

為滿足市場要求，結合異型坯連鑄和大型H型鋼生產線特點，采用V、N微合金化技術，通過加強冶煉和精煉操作，應用渣洗精煉技術和爐渣改質技術，延長軟吹時間，降低了鋼中夾雜物含量，通過控制鋼水過熱度、優化連鑄配水，并制定合理的控制軋制制度，細化了鑄坯組織和軋材晶粒，成功開發出翼緣厚度達到30.4 mm的高強度厚規格H型鋼樁。實物質量檢測表明，軋材平均屈服強度＞460 MPa，抗拉強度為582～665 MPa，延伸率＞18.5％，0℃沖擊功平均為107 J，滿足用戶使用要求。

H型鋼樁；S450J0；微合金化；釩；氮

高強度鋼樁結構與傳統工程結構相比具有輕質、抗震、高強度、耗能低等諸多優點，主要用于制作多層框架柱、門式鋼架柱、平臺柱及工業構架等。在承受重荷載高大建筑結構中以拼接組合方式形成局部穩定截面，以確保整體高強度、高剛度工程需要。其制作的結構主要應用于淺海及沼澤地帶、房屋建筑體系、深基坑支護體系等工民建領域。隨著城市建筑施工空間日益狹小，深基坑H型鋼支護體系得到迅速發展。建造高樓大廈深基坑設計、施工，對高強度鋼樁鋼結構的要求也越來越高。本項目主要是針對目前香港、澳門及東南亞市場，開發高強度厚規格H型鋼樁。

1 高強度鋼樁技術要求

高強度鋼樁采用歐標EN 10025-2標準中的S450J0鋼號，根據用戶協議，其碳當量（Ceq）和力學性能指標比標準要求更加嚴格，化學成分見表1。

表1 S450J0鋼化學成分（質量分數）％

S450J0鋼材的拉伸、沖擊性能應滿足如下要求：屈服強度（Rp0.2）≥450 MPa（鋼材厚度16～40 mm），抗拉強度（Rm）550～720 MPa，延伸率（δ5）≥17％（鋼材厚度16～40 mm）；0℃V型沖擊功（AKV）≥27 J。鋼材規格見表2。

2 微合金化工藝設計

鋼的微合金化處理是近年來常用的提高鋼材強度和韌性的技術手段。通常的微合金化元素主要有V、Ti、Nb。微合金化元素固溶于鋼中，對再結晶動力學影響不大，對機械性能的影響是基于這些微合金元素形成碳化物、氮化物或碳氮化物，這些化合物在再加熱及后續過程中全部或部分溶解。溶解和析出的動力學決定著通過微合金化所能獲得的效果。溶解程度依賴于加熱溫度、保溫時間、加熱和冷卻速率、碳氮化物的溶度積。3種微合金化元素的碳氮化物在鋼中的溶度積見圖1[1]。

表2 S450J0鋼材規格

圖1 微合金化元素的碳化物、氮化物的溶度積

由圖可見，V的碳、氮化物在3元素中都是最高的，主要起沉淀強化作用的是中間溶度積的化合物（NbC、TiC、VN）。在加熱溫度下，Nb的溶解度很低（約0.02％），而V的溶解度很高。在高溫區熱軋時，為便于完全再結晶，應盡可能降低再結晶終止溫度（TR），這3種元素中V對TR影響最小，加V鋼的TR最低。研究表明：對高強度可焊接長型材，微合金化，特別是V的微合金化，對晶粒細化和沉淀強化是最有效的途徑。

由于V在奧氏體中高的溶解度，V在γ→α相變期間及相變后析出起強烈沉淀強化作用，與VC相比，VN在鐵素體中的溶解度低，粗化傾向小，質點更穩定。因此，VN或富氮的V（CN）有更大的沉淀傾向。只有在存在足夠N的情況下才能充分地利用V的強化作用。生產歐標高強度鋼樁設計采用V、N微合金化工藝，充分利用V的析出強化作用。實驗室研究結果表明，0.1％的V可以帶來250～300 MPa的強度增量。

3 冶煉及連鑄生產技術

3.1 減少鋼中硫磷含量

磷、硫都會降低鋼的韌性，磷會使鋼的晶界脆性增加，裂紋敏感性增強。硫對鋼的熱裂紋敏感性有突出影響，且會在鋼中形成夾雜物，降低韌性，特別要加強控制。同時，研究表明，隨著硫含量的增加，縱裂發生的傾向加大，應盡量控制鋼中硫含量在0.010％以內。一方面可采用脫硫鐵水直接入爐，降低鐵水硫含量；另一方面，轉爐冶煉操作過程中，適當增加渣量和強化爐內反應條件控制強化脫硫、脫磷，降低鋼水硫磷含量。

3.2 減少鋼中氧含量

1）終點操作采取高拉一次補吹法，提高終點命中率，防止鋼水過氧化。

2）出鋼過程中，加強雙擋渣出鋼工藝，采用擋渣塞和擋渣錐分別擋住轉爐的一次渣和二次渣，減少下渣量。

3）加強鋼包脫氧，增加硅鈣合金的用量，盡量脫除鋼中氧。

4）渣洗精煉+爐渣改質技術。采用半預熔合成渣并對爐渣進行改質處理，利用出鋼過程中鋼渣混充，低熔點的合成渣熔化，在混充過程中液態渣滴與夾雜物吸附碰撞、上浮排除，爐渣表面加入改質劑進一步脫除渣中氧。采用渣洗精煉+爐渣改質技術一方面促進夾雜物上浮排除，另一方面達到提前造渣的目的。精煉進站爐渣基本化好，爐渣成泡沫黃白渣，延長了精煉白渣保持時間，提高了精煉效果。

5）喂線處理。精煉結束后向鋼包喂硅鈣包芯線，一方面改變夾雜物形態，消除夾雜物對鋼材性能的影響，另一方面降低夾雜物的熔點。通過軟吹氬，低熔點的夾雜物容易聚合、上浮。

6）軟吹氬。精煉吹氬工藝的是否合理，直接決定了鋼中夾雜物含量的高低，特別是精煉后期軟吹氬壓力的大小和時間的長短與鋼中全氧含量有直接關系。鋼中夾雜物在精煉過程中通過大流量氬氣的攪拌，碰撞、聚合、上浮至渣鋼界面，被液渣層捕集，但仍有很多細小夾雜物無法排除，這就要靠小壓力軟吹，隨著軟吹時間的增加夾雜物含量減少。因此，在該鋼種軟吹時間的設定上比其他鋼種要長（＞12 min），確保夾雜物充分上浮排除。

通過采用上述措施，有效降低了鋼中氧含量。隨機抽取10爐精煉前后氧含量的數據（見表3），可知鋼中氧含量平均由精煉前的18.6×10-6降至精煉后的5.6×10-6。

表3 精煉前后鋼中氧含量（[O]×10-6）

3.3 控制低過熱度

由凝固理論分析，低過熱度澆鑄可明顯改善中心偏析，并提高等軸晶率和細化晶粒組織，控制連鑄坯內部等軸晶和柱狀晶的比例是獲得良好內部質量的有效措施。鑄坯中柱狀晶和等軸晶區的相對大小主要決定于澆注溫度，澆注溫度高，柱狀晶區就寬，相反降低澆注溫度就可以相應擴大等軸晶區，細化原始晶粒。根據高強度H型鋼樁成分計算，該鋼種成分中限液相線溫度1 512℃，規定過熱度控制在20～30℃以內，提高連鑄坯內部質量。

3.4 結晶器及二冷弱冷制度

異型坯的凝固組織與其他鑄坯相比柱狀晶發達，由于其斷面的復雜性，受到的熱應力、鼓肚應力和機械應力也比其他規則的鑄坯大。

由于連鑄坯是通過表面強制冷卻的方式進行傳熱的，因此其橫截面上溫度分布是不均勻的，表面溫度低、中間溫度高，溫度梯度存在就會使坯殼受到熱應力；同時在鑄坯凝固過程中，沿鑄坯長度方向，溫度逐漸降低并伴隨有表面溫度回升，這種溫度梯度的變化同樣會造成熱應力。這種熱應力如果超過坯殼的塑性強度，就會在坯殼的薄弱部位產生初始裂紋。另外，鋼在650～900℃處于鋼低溫脆性區內，因此在降低過熱度的同時，盡量減弱結晶器及二冷水的冷卻強度，減小鑄坯溫度梯度，盡量提高矯直溫度。

4 軋制工藝技術

4.1 控制軋制

微合金鋼晶粒細化的主要方法是在熱軋過程中控制奧氏體的再結晶，但V對熱軋過程中奧氏體再結晶不產生有效的抑制作用。這是因為V的溶解度較大，產生了對再結晶無阻礙的析出物。由于沒有了阻礙奧氏體再結晶的顆粒，也就產生了晶粒細化的新機會：經過充足數量的軋制道次后，每次軋制壓下的重復奧氏體再結晶都使奧氏體晶粒得到非常有效的細化。經相變后產生的鐵素體晶粒可與低溫控制軋制工藝產生的晶粒一樣精細。

由于V具有較大的溶解度以及RCR工藝中較高的終軋溫度，在奧氏體/鐵素體相變之前V被保留在溶體中，并因此在奧氏體/鐵素體和鐵素體中產生了很強的沉淀強化。強制冷卻以及氮含量的提高極大地增加了沉淀強化的力度。在V、N微合金鋼中，析出強度可達250～300 MPa。

4.2 加熱制度

1）加熱過程中盡量減小鋼坯內外溫差，以減小由于溫度不均造成內部和表面熱膨脹系數差別過大，引起過大的熱應力。從試驗所作的熱膨脹系數曲線（見圖2）可知，在750℃以下，隨溫度的增加，材料的熱膨脹系數增加較慢；750～900℃，位于兩相區，隨著溫度增加，奧氏體所占比例逐漸增大，從而出現雖然溫度升高而熱膨脹系數沒有增加的現象（奧氏體為面心立方結構，密度大于體心立方的鐵素體），也就是說，存在一個150℃范圍的熱膨脹系數不變區；溫度繼續增加，熱膨脹系數曲線斜率變大，說明熱膨脹系數增加變快。所以，為了減小鋼坯的內外溫差引起的熱應力，應該將預熱溫度定在750～1 000℃。

圖2 熱膨脹系數曲線

2）在保證內外溫差盡可能小的同時，加熱時間還要盡量短。S450J0為低碳鋼，從導熱系數與溫度的關系來看，在200～1 000℃，隨著溫度的增加，導熱系數迅速降低。為了提高加熱速度，應盡量降低加熱溫度。因此，預熱段溫度在750～1 000℃的基礎上，可適當下調到900℃左右。由于鋼坯在低溫區具有較高的導熱系數，可采用短時間快速預熱。

3）加熱過程中，加熱溫度不能高于過熱過燒溫度，否則會導致晶粒異常長大，對后面的軋制和成材質量產生不利影響。

5 工藝對比試驗

5.1 不同軋制制度對強度的影響

生產實踐中對305 mm×305 mm×180 kg規格S450J0鋼樁采用不同的軋制制度進行對比試驗，試驗結果見圖3。由圖3可見，降低終軋溫度具有明顯提高屈服強度的作用，屈服強度平均提高24 MPa，對抗拉強度的影響不大。

圖3 不同軋制制度對強度的影響

5.2 鋼中氣體含量對鋼材性能的影響

鋼中氣體含量對鋼材（305 mm×305 mm×180 kg規格）性能的影響見圖4。由圖4可見，含V鋼中氮含量的增加具有明顯提高V（CN）行核驅動力的作用，從而明顯提高鋼材強度和韌性。鋼中每增加10×10-6的氮，可提高屈服強度6.8 MPa，抗拉強度2.5 MPa，提高0℃V型沖擊功2.0 J。

圖4 鋼中N含量對鋼材性能的影響

6 實物質量檢測

截至2011年7月，共生產305×305系列歐標S450J0鋼種3.1萬t，開發的生產工藝穩定順行，產品性能良好，軋材成材率94％。

6.1 強度

對產品的力學性能檢測表明，軋材平均屈服強度＞460 MPa，抗拉強度為582～665 MPa，延伸率＞18.5％，0℃沖擊功平均為107 J。其中305 mm× 305 mm×223 kg規格屈服強度為461～530 MPa，抗拉強度為586～650 MPa；305 mm×305 mm×180 kg規格屈服強度為483～550 MPa，抗拉強度為618～665 MPa。力學性能控制較好，完全滿足用戶要求。

6.2 金相檢驗

金相檢驗結果見表4。金相檢驗結果顯示，鋼中夾雜物較少而且細小，鋼水純凈，軋材組織細小，滿足用戶要求。

6.3 時效檢驗

隨機抽取5爐合格產品進行時效試驗分析，經

表4 S450J0鋼樁夾雜物及晶粒度

45 d時效后進行性能復驗，結果見表5。

表5 時效對鋼材性能的影響

由表5可知，5爐合格產品屈服強度平均值為465 MPa，時效45 d后降至448 MPa，平均降低18 MPa；抗拉強度平均值為583 MPa，時效45 d后增至608 MPa，平均提高31 MPa；延伸率平均值為20％，時效45 d后增至27％，平均提高7％。時效后的力學性能仍完全滿足技術要求。

6.4 鋼中氣體含量分析

在S450J0鋼軋材上取樣進行氣體分析，氮含量為（86.9～154.1）×10-6，平均109.16×10-6；氧含量為（28.2～70.9）×10-6，平均47.74×10-6。

從分析結果看，鋼中全氧含量較普遍較低，比現有其他鋼種低（20～50）×10-6，采用V、N合金進行微合金化，鋼中氮的含量較高，回收率較穩定。

7 結論

1）采用釩、氮微合金化技術生產歐標高強度H型鋼樁，成分設計及整個工藝過程控制參數設計合理。2）通過有效措施控制鋼中夾雜物含量，夾雜物細小，滿足鋼種開發要求。3）出鋼過程中選用預熔合成渣及爐渣改質劑進行了渣洗及頂渣的改質處理，軟吹時間＞12 min，鋼水較純凈，精煉出站[O]控制在10×10-6以下。4）鋼中氧含量控制較低，鋼中氮含量的增加明顯提高鋼材強度和韌性。鋼中每增加10×10-6的氮，可提高屈服強度6.8 MPa，抗拉強度2.5 MPa，提高0℃V型沖擊功2.0 J。5）降低終軋溫度具有明顯提高屈服強度的作用，屈服強度平均提高24 MPa，對抗拉強度的影響不大。

[1]潘國平,楊兆林,聞玉勝.釩氮元素在鋼中的特性及對工藝影響的探討[J].安徽冶金，2004（2）：7-11.

Development of Thick Specification H-section Steel Pile with High Strength

FU Bo,ZHANG Jie,LI Chao,DENG Cun-shan
（Shandong Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250014,China）

In order to meet market demand,combining the characteristics of CC for the section blank and large scale H sections product line,Using V and N microalloying technology,the thick H steel pile with flange thickness to 30.4 mm and high strength was developed.By strengthening the smelting and refining operation,adopting slag washing refining technology and slag modification technology,extending soft blowing time,the content of inclusions in steel was reduced.By controlling the superheat of liquid steel in continuous casting,optimizing CC water distribution and developing a reasonable rolling control system,the macrostructure of casting blank and the grain of the rolled bar were refined.The test results for the products showed that average yield strength of the rolled bar is greater than 460 MPa,the tensile strength is between 582 MPa and 665 MPa,elongation rate is more than 18.5％and the absorbed-in-fracture energy at 0℃is 107 J,meeting the application requirements of users.

H-section steel pile;S450J0;microalloying;vanadium;nitrogen

TG335.4

B

1004-4620（2011）04-0001-04

2011-04-06；

2011-08-10

付博，男，1972年生，1995年畢業于鞍山鋼鐵學院鋼鐵冶金專業。現為山東鋼鐵集團有限公司資本運營部部長，高級工程師，從事冶金技術研究與資本運營工作。