Q415NHB 耐候角鋼的研發

張 華

（河鋼集團宣鋼公司）

0 引言

耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼,通過添加少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni 等，使其在金屬基體表面上形成保護層，以提高耐大氣腐蝕性能的鋼[1]；可用于制造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結構的低合金結構鋼。目前我國輸電線路鐵塔使用經過酸洗、表面鍍鋅等工藝加工后的角鋼作為原料，酸洗、鍍鋅工序能夠增加角鋼的耐腐蝕效果，但是會污染環境。耐候角鋼具有耐銹、使構件抗腐蝕延長壽命、省工節能的特性，如果在輸電線路鐵塔中使用，可以取消酸洗、鍍鋅工序，以減少環境污染，符合國家發展需要。目前，雖然國內生產耐候鋼板的廠家較多，但是還沒有熱軋生產耐候角鋼的生產廠家，在輸電線路鐵塔上推廣使用耐候型熱軋角鋼，不僅可以減少鐵塔用鋼消耗量，還能降低加工成本，大幅度減少環境污染，是一項具有顯著經濟效益和環保意義的工作，開發耐候角鋼市場前景廣闊。

宣鋼針對耐候角鋼市場調研，為進一步擴大角鋼品種,改善角鋼品種結構，發揮型材生產線的設備優勢，確定開發耐候角鋼，以擴充品種范圍，從而創造新的銷售點，拓寬銷售渠道，增強市場競爭力。

1 宣鋼型材生產線簡介

宣鋼型材生產線由中冶華天工程技術有限公司設計完成，設計原則是采用國內成熟可靠的先進工藝技術與裝備，達到國內先進水平，設計年生產能力為70 萬t（具有80 萬t 年生產能力）。

全線共13 架軋機，由交流變頻電機單獨傳動，其中粗軋機組由2架立輥軋機、2架平輥軋機和1架平立轉換軋機組成，前三架輥徑為Φ800 mm，后兩架輥徑為Φ700 mm；精軋機組由4架水平軋機和4架平立轉換軋機組成，輥徑均為Φ700 mm。1 ～3 架主電機功率 600 kW，4 ～9 架主電機功率900 kW，10 ～13 架主電機功率1 200 kW。所有軋機均為高剛度無牌坊短應力線軋機。

軋線其他主要設備包括步進式雙蓄熱汽化冷卻加熱爐1 座（爐子產量150 t/h，燃料為純轉爐煤氣）、高壓水除鱗裝置1 套、飛剪2 臺、步進齒條式冷床1 座（床面名義尺寸20 m×96 m）、矯直機2 臺、成排臺架1 座、定尺冷鋸機3 臺、定尺機1 臺、改尺鋸1 臺、型鋼自動碼垛機2 套。工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程

該生產線自2007 年投產以來，先后開發生產了8#～20#十二個規格的國標、國網、南網角鋼及歐標、美標、日標角鋼，產品尺寸、力學性能、表面質量控制較好，均獲得用戶一致好評，技術人員和操作人員均已掌握了成熟的技術、經驗，為后續產品的開發奠定了技術基礎。

2 設計思路

耐候鋼顧名思義其最重要的性能是耐大氣腐蝕，據了解，耐候鋼是在表面形成致密內銹層,阻礙腐蝕介質進入基體, 而普通碳素鋼在表面形成的存在微裂紋的疏松銹層不利于對基體的保護。因此，耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普通碳素鋼的2 ～8 倍,并且使用時間愈長,耐蝕作用愈突出[2]。耐候鋼之所以具有良好的抗腐蝕能力和合金元素(Cu,Cr,Ni 等)有很大關系，因此耐候鋼與普通低合金結構鋼的重要區別就是兩者的合金成分及含量不同。

在耐候鋼成分設計時，主要考慮三個方面：一是耐大氣腐蝕性能；二是強度和韌性；三是焊接性能和成型性能[3]。

宣鋼根據客戶需求，開發生產了Q415NHB耐候用10#角鋼，用于出口巴西。結合GB/T 4171—2008 耐候結構鋼標準和前期開發Q355NHC 耐候角鋼的經驗，經查閱相關資料，對Q415NHB耐候角鋼各成分進行設計，得到下述結論[2，4-6]：

C(碳):提高鋼的強度，降低韌性和焊接性。按GB/T 4171—2008 耐候結構鋼標準要求，C 含量控制在0.12%以下，冶煉方案按0.07%～0.12%控制。

Si (硅):和Cu、Cr、P 等元素配合使用，能夠改善耐大氣腐蝕性能，較高的Si 含量有利于細化銹層結構,從而降低鋼的整體腐蝕速率。按標準要求Si 含量控制在0.65%以下，冶煉方案按0.20%～0.65%控制。

Mn（錳）：稍有提高耐大氣腐蝕性能的能力，但也有學者認為增加Mn 含量可以降低耐大氣腐蝕性能的能力。標準要求Mn 含量控制在1.1%以下，結合低合金高強度角鋼Q420B 的設定成分，Mn 含量按0.8%～1.1%控制。

Cu (銅): 提高耐大氣腐蝕性能最主要、最普遍使用的合金元素。在保證耐候性能上，Cu 的作用最大,P、Cr 次之。Cu 還能夠抵消S 的有害作用。Cu 的控制范圍較寬時,冶煉參數比較容易控制。在鋼中加入0.2%～0.4%的Cu 時, 無論在鄉村大氣、工業大氣或海洋大氣中,都具有較普碳鋼優越的耐候性能，如進一步提高Cu 含量容易引起銅脆。標準要求Cu 含量控制在0.2%～0.55%，因此Cu含量按0.2%～0.4%控制。

P(磷):合金元素中提高耐大氣腐蝕性能最有效的元素，可單獨使用，但一般與Cu、Cr 配合使用。P 有助于在鋼的表面形成均勻的銹層保護膜，但是P 的存在容易使鋼出現內裂，而且還會惡化鋼的韌性,尤其是降低鋼的低溫沖擊韌性,一般P 含量在0.08%～0.15%時鋼的耐候性能最佳。當P 與Cu配合加入鋼中時,效應好。標準要求Q415NHB 焊接結構用耐候鋼的P 含量控制在0.025%以下。

Cr (鉻): 提高耐大氣腐蝕性能，但要與Cu、P、Si 等元素配合使用。Cr 能提高鋼的鈍化能力。耐候鋼中Cr 的含量一般為0.4%～1.0%，在標準要求Cr 含量控制范圍內。

Ni (鎳):對耐大氣腐蝕性能有效的的元素，加入Ni 元素后能增加鋼的穩定性。Ni 可提高Cu 固溶體的溶點,在鋼中加入超過Cu 含量一半的Ni可改善軋制過程中Cu 引起的熱裂紋現象。標準要求Ni 含量控制在0.12%～0.65%，冶煉方案按0.15%～0.25%控制。

V（釩）：鋼中添加釩可以提高鋼的強度、改善鋼的韌性和塑性，改善鋼的工藝性能。釩通過細晶強化和沉淀強化影響鋼的強度,結合低合金高強度角鋼Q420B 的生產經驗，將Q415NHB 釩含量控制在0.02%～0.12%。

根據宣鋼的實際生產情況和角鋼軋制經驗，結合耐候角鋼的特性，采取低C、Cu-Cr-Ni- V 微合金化的設計方案，并結合國內生產耐候鋼板的生產經驗和前期開發Q355NHC 耐候角鋼的經驗合理控制冶煉、軋制過程，保證成分的均質性、穩定性。

3 生產工藝

3.1 全工序生產流程

生產流程：鐵水預處理—冶煉—全程保護澆鑄—鋼坯加熱—控制軋制—冷卻—精整—標識、入庫。

3.2 冶煉工藝

（1）鐵水要求：廢鋼要求干燥、潔凈, 不得混用不銹鋼、銅塊等。鐵水執行煉鋼鐵水標準要求，廢鋼和生鐵塊執行相關標準要求。

（2）準備Fe-Si、Si-Mn、鎳板、銅板、低碳鉻鐵、鋁錳合金、釩氮合金、釩鐵，強脫氧劑要求干凈、干燥，不得混料。

（3）煉鋼時向爐前合金工提供準確的合金成分和所要求的數量。冶煉過程中控制好過程溫度和出站溫度，用鋁充分脫氧后加入鎳、鉻、銅合金，并控制好其收得率。鋼包出精煉位后進行鈣處理，同時要保證足夠的軟吹時間。保證紅包出鋼，鋼包不得帶包底，透氣磚保證暢通；澆鋼過程中要求拉速穩定,以保證鑄坯內在質量。

生產組織必須滿足工藝要求，合理控制生產節奏，以保證鑄坯質量。

3.3 軋制工藝

宣鋼使用165 mm×165 mm×9.9 m 連鑄坯生產10#角鋼，開發前制定了詳細的工藝方案，專人負責原料質量和工藝設施的抽查。重點對軋輥孔型加工質量、軋機裝配質量、導衛開口度、矯直輥壓力設定等關鍵控制點進行檢查，并進行記錄。用樣板卡量各架孔型，確保按照孔型圖加工；卡量各架軋機輥縫和導衛開口度，確保按照軋制程序表中的設定參數控制。

原料斷面邊長允許偏差：±5.0 mm；對角線長度之差：≤7 mm。連鑄坯的彎曲度每米不得大于20 mm，總彎曲度不得大于100 mm。

原料表面質量要求：連鑄坯表面不得有目視可見的重接、翻皮、結疤、夾雜，不得有深度大于2 mm 的裂紋，不得有深度或高度大于3 mm 的劃痕、壓痕、擦傷、氣孔、皺紋、冷濺、凸塊、凹坑。橫截面不得有影響使用的縮孔、皮下氣泡、裂紋。

因含銅鋼有熱加工敏感性問題，如加熱、軋制工藝不當，易產生裂紋，因此加熱爐內采用弱氧化行氣氛,嚴格控制加熱時間，盡量避開“銅脆”的臨界溫度(1 075 ～1 125 ℃),抑制銅在奧氏體晶界的富集[3]。采用兩階段軋制：在奧氏體再結晶溫度區采用高溫大壓下，粗軋道次采用21%～34%的壓下率，充分破碎連鑄板坯的晶粒，以獲得細小均勻的奧氏體晶粒，按照順軋制方向壓下率逐道減小。采用快燒、快軋的工藝制度。生產中專人跟蹤加熱、軋制過程，記錄關鍵工藝參數，為耐候角鋼穩定生產做好數據積累。

關鍵溫度控制參數見表1。

表1 溫度制度

宣鋼角鋼采用的是不帶立軋孔的蝶式孔型系統，10#角鋼整個孔型系統包括箱形延伸孔型（K11 ～K8）、切分孔型（K7 ～K6）蝶式孔型（K5 ～K2）和成品孔型（K1），如圖2 所示。1#和13#軋機空過。

圖2 孔型系統

粗軋紅坯尺寸允許偏差±3 mm；精軋紅坯尺寸允許偏差±2 mm，成品尺寸執行相應標準。軋制工藝參數見表2。

表2 軋制工藝參數

4 結果

4.1 成分

Q415NHB 熔煉成分控制范圍見表3。

表3 Q415NHB 成分%

結合客戶需求，宣鋼冶煉1 爐123 t Q415NHB，爐號140304795，取三個試樣進行成分分析，連鑄坯熔煉成分均滿足標準要求。

4.2 性能

軋制過程中，嚴格控制加熱溫度、料型尺寸等關鍵工藝參數，避水軋制，防止軋輥冷卻水噴濺到鋼表面，關閉冷床噴霧冷卻設施，采用空冷方式。合理控制軋制節奏，保證矯直溫度在100 ℃以下。

產品下線后，取8 個試樣檢測其力學性能。檢測數據分析情況見表4。

表4 Q415NHB 角鋼性能

從表3 可以看出，Q415NHB 角鋼的性能指標均滿足標準要求，強度指標略有波動，其中屈服強度的極差為77 MPa，略微偏大；延伸率比較穩定；V 型缺口沖擊功的極差略大。屈服強度比標準要求的富余量小，其他強度指標均有一定的富余量。經過檢查工藝記錄，初步分析，強度偏差較大的原因是軋制過程中，因不定時停機待軋，造成鋼坯在加熱爐的加熱時間不一致，部分鋼坯之間開軋溫度相差較大；另外，因早晚溫差大，冷卻速度不同，均可能造成強度極差較大，但因生產批量較少，后續需進一步深入研究分析。

4.3 耐候指數

根據GB/T 4171—2008 《耐候結構鋼》標準中規定的Legault- Leckie 公式檢測耐候角鋼的耐候性。耐大氣腐蝕指數越大，鋼的耐腐蝕性能越好。

耐大氣腐蝕性指數I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28( % P)-7.29 (%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2

經過計算，Q415NHB 角鋼的耐大氣腐蝕性指數在6.5 左右，而與Q415NHB 相應級別的普通低合金角鋼Q420B 的耐大氣腐蝕性指數在1.5 左右，僅通過耐大氣腐蝕指數來看，Q415NHB 角鋼的耐候性明顯高于普通低合金角鋼，因客戶僅按照GB/T 4171—2008 《耐候結構鋼》標準驗收，所以生產的產品滿足客戶需求，但后續研究者需通過將兩種材料在共同的環境中放置相同的時間，檢測分析了兩種材料具體的耐候性能。

4.4 成品質量

抽測10#角鋼成品尺寸50 組數據，統計分析情況見表5,角鋼規格為100 mm×100 mm×10 mm×10 m。

表5 成品尺寸

從表5 可以看出，成品尺寸滿足標準要求。產品表面光滑，無裂紋、折疊、結疤、氣泡、分層和夾雜，表面質量符合GB/T706—2016 標準中相關規定。

4.5 金相組織

將拉伸試樣做金相分析（如圖5 所示），金相組織為鐵素體+珠光體，無異常組織，平均晶粒度7 級。

5 結論

（1）采取低C、Cu-Cr-Ni-V 微合金化的設計方案，成功開發生產了Q415NHB 耐候角鋼，產品表面良好，性能強度全部合格，質量穩定。

圖3 試樣的金相組織

（2）宣鋼耐候角鋼的成功開發，填補了耐候角鋼產品空白，進一步擴大了型材品種,改善了型鋼品種結構，可增加型材生產線的訂單排產量，降低型材生產成本，進一步開拓型鋼產品市場，提高產品的市場占有率和競爭力，具有顯著的經濟效益和社會效益。

（3）開發過程中屈服強度的極差較大，最小值富余量不大，需進一步優化加熱、軋制工藝以穩定產品性能。