天鐵Q460D低合金高強度鋼中板的研制開發

趙樹棟

（天津天鐵冶金集團煉鋼廠，河北涉縣056404）

天鐵Q460D低合金高強度鋼中板的研制開發

趙樹棟

（天津天鐵冶金集團煉鋼廠，河北涉縣056404）

介紹了天鐵Q460D低合金高強度鋼中板的開發過程，對生產工藝參數進行實驗、分析。實驗結果表明，生產出的Q460D中板具有良好的沖擊韌性和焊接性能。在采用控軋控冷工藝后，產品具有比較理想的金相組織和力學性能，質量穩定，能夠滿足用戶的要求，可實現批量生產。

Q460D；沖擊韌性；金相組織；焊接性能

1 引言

隨著工程機械行業大量使用高強度低合金鋼，許多鋼鐵企業也相繼開始研發高級別低合金結構鋼。為了企業的發展和低成本的實施，對于開發高級別低合金鋼有著重要的意義。高級別低合金鋼的批量生產使得企業生產成本進一步地降低，增強了企業在市場的核心競爭力，目前已建成的天鐵中板生產線為2 500 mm軋機，年產量50萬t。為促進企業的轉型升級以及品種鋼的結構調整，我公司決定開發生產Q460D低合金高強度結構鋼。

在研發Q460D的過程中，針對產品的特點和性能、通過控制控冷的工藝措施，得到的晶體組織間的晶粒細化結果明顯，顯著提高了鋼板的沖擊韌性和焊接性能。對于Q460D軋制過程成分、軋制工藝參數的優化確定，實現了Q460D的批量生產，產品的各項指標符合國標要求，經濟效果顯著。低合金結構鋼的大量應用替代碳素結構鋼，可大大減輕鋼結構質量，節省鋼材。在2008年北京奧運會主會場的“鳥巢”鋼結構總重量為4.6萬t，最大跨度34 m，所用的鋼材就是Q460D。這是我國在國內鋼結構上首次使用Q460D鋼材，使得鋼結構重量大大減輕，使得“鳥巢”生產成本大幅降低。

2 低合金結構鋼的成分及生產工藝控制

2.1 低合金結構鋼的成分控制

低合金結構鋼是在普碳鋼中加入微量的合金元素，而具有高強度、高韌性、良好的冷成型和焊接性能、低的冷脆轉變溫度和良好的耐蝕性等綜合力學性能。使用Q460D強度比使Q235D高約30% 40%、耐大氣腐蝕能提高25%～42%、用它制造的工程結構重量可減輕25%～35%，使企業的生產成本大幅降低。

生產低合金結構鋼碳含量是逐步降低的過程對于需要更高韌性與焊接性能的鋼板，通常采用C≤0.10%設計。

加入微量鉻、鎳合金后增加了奧氏體的過冷度，降低了馬氏體與貝氏體的轉變溫度，促進了馬氏體的形成。鋼板在出軋機后經過控冷水的快速冷卻，基本能夠消除鐵素體及珠光體的形成。鈮能夠起到細化晶粒，能夠在軋制過程中提高在結晶溫度，提高軋制溫度。錳的作用固溶強化，高M n/C提高屈服強度和沖擊韌性，降低析出碳化物、促進沉淀強化。釩具有較強的析出強化能力，用來提高鋼的強度。鈦是很強烈的固氮元素，細小的TiN晶體能有效地阻礙加熱過程奧氏體的晶粒的長大。鈦能明顯改善焊接性能。

天鐵開發的Q460D鋼板添加鉻、鎳、鈮、錳、釩、鈦這微量的元素，通過復合微量合金元素的方案、細化晶粒，達到提高鋼板的強度、韌性和焊接性能的要求。特別是加入微量鈮后能顯著提高鋼的韌性，降低了硫、磷的含量。

提高鋼板的低溫沖擊韌性，降低夾雜含量，提高鋼水的純凈度，D類夾雜物為2.5~4級。由于D類夾雜含量較高，這是由于鋼中較高的Al含量使夾雜物球化，降低了夾雜的有害物質。Q460D鋼種中碳、錳含量的降低，使得鋼固溶強化增量降低，加入微量合金釩元素后，形成強烈的沉淀強化。控軋工藝的應用能夠形成較小的鐵素體晶粒，使得細晶強化、沉淀強化增量增多，彌補固溶強化增量降低，使鋼板具有較高的強度。

2.2 生產工藝控制

天鐵中板在現有裝備技術條件下，成功試軋了Q460D該鋼種。軋制后經檢驗各項力學性能滿足要求，對企業經濟效果明顯。生產過程中控制軋制工藝是生產Q460D生產的關鍵，此次實驗鋼板規格20 mm，鋼坯加熱溫度1 200℃，加熱爐的保溫時間30 min、在初軋時溫度控制在1 050~1 100℃，軋5道次壓下率控制在25%~35%；精軋階段總的壓下率60%~70%，精軋溫度控制在900~950℃。軋后進入快速冷卻，終冷溫度在500~650℃，冷卻速度12 25℃/s。在軋后快速冷卻的目的：獲得針狀的珠光體和鐵素體，以提高鋼板的強度和韌度。這一控軋控冷工藝所得到的金相組織見圖1。Q460D的金相組織統計結果見表1。控制控冷工藝試樣Q460D鋼板的力學性能見表2。

圖1 Q 460D的典型金相組織

表1 Q460D的金相組織統計結果

表2 控制控冷工藝試樣Q460D鋼板的力學性能

通過對檢驗試樣各項性能實驗結果顯示：屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率、冷彎均達到低合金結構鋼的要求，且性能指標良好，試樣金相顯示鐵素體和珠光體組織，試樣中金相組織晶粒度比較細小，晶粒度級別9~11級。

2.3 焊接性能分析

為保證鋼板的焊接性能，當鋼中成分滿足Ceq0.48、Pcm=0.22這兩個條件后，這樣低的碳含量能保證鋼板的焊接性能。

Q460D的成分見表3。

表3 Q460D的成分

焊接通常是通過焊劑將兩塊板材焊接到一起，焊接性能是低合金結構的一項重要指標，應該具有低的碳當量和焊接裂紋敏感系數，硫、磷含量較低，才能保證Q460D的焊接性能，焊接性能的好壞直接影響著低合金結構鋼的安全。

影響焊接因素是多方面的，如化學成分、組織形態、厚度等。這里主要考慮化學成分對焊接性能的影響。

碳對焊接性能是不利的：當C≥0.7時，裂紋傾向增大；Mn≥1.4時，Mn會提高焊接接頭的韌性和脆性轉變溫度，所以在成分上限制了錳碳的加入量。碳含量的過高對焊接是不利的，應該將碳含量限制在0.4以下。

2.4 焊接接頭的性能

在鋼板上取試樣做拉伸和彎曲檢驗，拉伸和彎曲試樣的焊接試樣見圖2、圖3及表4。

圖2 焊接接頭的拉伸試樣

圖3 焊接接頭的冷彎試樣

表4 Q460D的橫向和縱向拉伸冷彎試樣結果

通過對板材的焊接接頭的縱向和橫向實驗結果表明，該鋼板的實物試樣焊接質量達到了Q460D的焊接質量要求。對上述鋼板焊接試樣現場焊接時，要嚴格執行操作焊接的操作規程以及安全注意事項，對現場鋼板試樣的標號清晰。焊接方面應采用小電流，快速不擺動焊件，要提高鋼板的耐蝕性，就必須保證鋼板焊縫的耐蝕性。

在采用控軋控冷技術后對提高Q460D的強度是非常有效的，細化晶粒、帶狀組織減弱是保證強度提高的根本原因。

3 Q 460D低合金結構鋼的使用效果

經過對鋼板的力學性能指標和焊接性能的實際鋼板試樣的實驗，結果表明低合金結構鋼的優勢明顯，各項性能均優于普碳鋼。低合金高強度鋼與普碳鋼相比，更加廣泛應用于各類船舶、橋梁、工程機械等生產中。在成功應用低合金高強度結構鋼以后，使得各類工程機械及船舶、橋梁的重量大幅度減輕，節省了大量的鋼材。北京奧運會“鳥巢”的成功應用低合金鋼就是典型的例子。而且低合金高強度鋼的耐蝕性能也比普碳鋼要高出25%～42%，使其使用壽命大大提高。在海水中大量使用這種鋼材使得生產成本大幅降低。經過實踐得出：成功開發Q460D低合金高強度鋼對節約資源、降低生產成本、保護環境具有顯著效果。

4 結論

天鐵中板開發生產的Q460D低合金高強度合金鋼，通過對生產工藝參數進行實驗、分析，表明該鋼種具有良好的沖擊韌性和優異的焊接性能在采用控軋控冷工藝后使軋制后的產品得到比較理想的晶相組織和力學性能。質量穩定、已具備批量生產的條件，產品性能完全能夠滿足下游用戶的需要。Q460D的成功生產也使企業的生產成本大幅降低，對今后企業開發新鋼種鋼積累了一定的經驗。

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[4]呂德林.焊接技術[M].北京：機械工業出版社，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

趙樹棟（1985—），男，本科，主要從事于軋鋼方面的研究工作。