一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁用钢及其生产方法

摘要

本发明涉及一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板，所述楔形钢板厚度≤80mm，其化学成分及重量百分含量为：C：0.07％‑0.09％，Si：0.15％‑0.35％，Mn：1.15％‑1.5％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，Cu：0.3％‑0.42％，Ni：0.3％‑0.48％，Mo：0.06％‑0.10％，Cr：0.38％‑0.52％，Nb：0.06％‑0.08％，V：0.01％‑0.03％，Ti：0.012％‑0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明利用Nb元素抑制奥氏体再结晶作用，对钢板施加总量较大的变形量，将楔形钢板的薄端和厚端组织畸变能均储存至临值，使薄端和厚端具有相同的起始相变状态，以获得力学性能均匀的楔形钢板。本发明楔形耐候桥梁钢板横向屈服强度为355MPa～395MPa，横向延伸率≥23％，‑20℃纵向冲击功平均值≥150J。

权利要求

1.一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板的生产方法，其特征在于，所述楔形钢板厚度≤80mm，其化学成分及重量百分含量为：C：0.07％-0.09％，Si：0.15％-0.35％，Mn：

1.15％-1.5％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，Cu：0.3％-0.42％，Ni：0.3％-0.48％，Mo：

0.06％-0.10％，Cr：0.38％-0.52％，Nb：0.06％-0.08％，V：0.01％-0.03％，Ti：0.012％-

0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质；生产方法包括冶炼工艺、加热工艺、轧制工艺、冷却工艺、热矫直工艺；其中：

1)轧制工艺

采用两阶段轧制方式，轧制末期进行楔形轧制；具体为：a.一阶段开轧温度≥980℃；

b.二阶段轧制参数与楔形钢板厚端厚度关系如下：楔形钢板厚端厚度≤20mm，中间坯厚度≥40mm，开轧温度920℃-980℃，终轧温度800℃-860℃；

20＜楔形钢板厚端厚度≤40mm，中间坯厚度≥80mm，开轧温度880℃-980℃，终轧温度

780℃-880℃；

40＜楔形钢板厚端厚度≤60mm，中间坯厚度≥100mm，开轧温度860℃-960℃，终轧温度

800℃-900℃；

60＜楔形钢板厚端厚度≤80mm，中间坯厚度≥120mm，开轧温度840℃-960℃，终轧温度

800℃-900℃；

c.当钢板厚度达到楔形钢板厚端厚度要求时，开始楔形轧制，直至轧制结束，楔形轧制速度为1-2m/s，总楔形轧制道次量与楔形钢板楔度和厚端厚度比值关系如下：楔度/厚端厚度≤14％，最后1-3个道次进行楔形轧制；

14％＜楔度/厚端厚度≤28％，最后2-4个道次进行楔形轧制；

28％＜楔度/厚端厚度≤42％，最后3-5个道次进行楔形轧制；

42％＜楔度/厚端厚度≤56％，最后4-6个道次进行楔形轧制；

56％＜楔度/厚端厚度≤68％，最后5-7个道次进行楔形轧制；

2)冷却工艺

轧制后采用空冷方式进行冷却；

3)热矫直工艺

通过热矫直机进行矫直，矫直温度大于700℃，矫直速度为0.2-1.0m/s，楔形钢板厚端先进入矫直机，矫直进入楔形段时匀速减小矫直辊缝，上矫直辊联动下降，下降辊速计算公式为：下降辊速＝楔度×矫直速度/楔形段水平长度矫直完楔形段后保持辊缝和矫直速度不变进行楔形钢板薄端矫直，矫直结束。

2.根据权利要求1所述的薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板的生产方法，其特征在于，步骤2)中所述的楔度为楔形钢板薄厚端厚度差。

说明书

一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁用钢及其生产方法

技术领域

[0001] 本发明涉及轧钢技术领域，特别涉及一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁用钢及其生产方法。

背景技术

[0002] 楔形钢板(见附图1)，又称纵向变截面钢板(longitudinally profiled，简称LP板)，是一种节约型钢板，主要用于造船和桥梁工程中，使用楔形钢板能够减少钢材使用量，减少焊接工程量，有助于缩减工程成本和工程周期，符合“绿色”、“可持续发展”的理念。最近十年我国新建厚板生产线基本均配有楔形轧制的功能，但楔形钢板批量供货能力仍然有限，至今楔形钢板还未能应用于国内桥梁工程中。

[0003] 楔形钢板的厚度是沿着板纵向连续变化的，厚度直接影响钢板的温度变化，从而影响钢板的性能，通过调节成分和工艺配合同时保证楔形钢板薄端和厚端性能合格是生产难点之一。楔形钢板轧后，楔形段平直度较差，需要经过矫直工序。楔形钢板的矫直与普通钢板原理相同，即给予钢板正负曲率，使其残余曲率逐渐变小至零。通过矫直使楔形钢板平直度合格是其另一个生产难点。这两个生产难点是制约我国钢厂楔形钢板供给的关键。

[0004] 345MPa级耐候桥梁用钢因其质量稳定性好，是目前使用量最大的耐候桥梁用钢，虽然耐候钢初期投入成本较高，但它能够显著降低钢桥全生命周期成本，是桥梁用钢的发展方向，其在桥梁工程中应用比例也逐渐提高。当前，楔形桥梁用钢的性能和板型得到了初步的研究：

[0005] 专利200910175208.6，一种用于轧制楔形钢板的厚度控制方法。该专利公开了一种轧制楔形钢板的方法：将钢板轧制过程为前若干道次按照常规矩形钢板轧制技术轧制，末道次由TDC控制器控制轧机液压缸油柱高度变化，连续改变辊缝距离，实现钢板纵向厚度的连续变化，其中该专利设计了输入到TDC控制器的油柱高度模型，切计算无需迭代，系统响应速度满足轧制要求。该专利主要以自动控制的角度，设计了实现楔形轧制的控制方法，但并没有考虑影响材料性能的工艺因素。

[0006] 专利201010282876.1，一种纵向变厚度钢板的生产方法。该专利公开了一种纵向变厚度钢板的生产方法，通过控制出炉时钢坯上、下表面温度差和高压水除鳞道次，配辊时控制上、下工作辊直径差，并根据钢板的实际厚度调整数学模型零点自适应数值，控制钢板轧制速度、开、终轧温度、最后两道的单道次变形量、轧后冷却速率及开、终冷温度等一系列工艺技术措施，控制和改善钢板的板形、表面质量及力学性能，生产出合格的纵向变厚度钢板。该专利虽然设计了纵向变厚度钢板的生产工艺，但并没有考虑到化学成分对工艺控制的影响，也没有考虑到工艺对钢板的性能影响。

[0007] 专利201110320517.5，屈服强度为345～390MPa高韧性钢板的制造方法。该专利成分：C：0.08～0.20，Si：0.03～0.55，Mn：0.80～1.70，P≤0.015，S≤0.010，Nb：0.01～0.07，V：0.015～0.15，Ti：0.005～0.035，N：0.003～0.012，其余为Fe及不可避免的夹杂。生产工艺包括：铁水脱硫，转炉、精炼、加热、两阶段控制轧制、ACC控制冷却、正火+加速冷却。通过上述方法能够生产出屈服强度为345～390MPa高韧性E级桥梁钢。该专利没有添加Ni、Cr、Cu元素，不具备耐候性。

[0008] 专利201710763956.0，一种屈服强度345MPa级稀土耐候桥梁钢板及其生产方法。该专利化学成分为C：0.04～0.06％、Si：0.20～0.30％、Mn：1.1～1.3％、P：≤0.015％、S：≤
0.008％，Nb：0.01～0.02％，Cu：0.25～0.35％，Ni：0.3-0.4％，Cr：0.4-0.5％，Als：0.024-
0.034％，稀土Ce：0.0005-0.0030％，余量为Fe和不可避免的杂质。生产工艺主要为两阶段控制轧制，控制冷却，生产桥梁钢满足国家标准，具有良好的焊接性和耐候性。该专利添加微量的Ce，通过稀土的净化作用有效提高钢的低温冲击韧性，但稀土的价格较贵，不利于成本控制，并且需要控制冷却，不利于楔形钢板的板型控制和性能控制。

[0009] 专利201710909081.0，TMCP型屈服345MPa级耐候桥梁钢板及生产方法。该专利化学成分为C：0.04～0.07％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.10～1.50％，P：0.010～0.020％，S≤0.005％，Nb：0.020～0.030％，Ni：0.30～0.40％，Cr：0.40～0.50％，Cu：0.25～0.35％，Alt：0.020～0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制工艺包括加热、两阶段控轧，ACC控制冷却。该专利C含量较低，微量元素添加少量的Nb，为获得屈服强度450-600MPa满足国标的耐候桥梁钢，需要控制冷却，不利于楔形钢板的板型控制和性能控制。

[0010] 论文：《纵向变厚度钢板力学性能试验研究》[J].作者王元清，刘晓玲，刘明，冷松洋，韩旭。钢结构，2017，32(4)：16-21.该文献通过实验发现纵向变厚度板随着厚度变化，钢板力学性能存在差异，并没有介绍纵向变厚度钢板的制造方法。

[0011] 以上文献公开的专利所述桥梁耐候钢均需要控制冷却，而楔形钢板在控制冷却过程中板形会变差，性能均匀性也难以保证，不能满足使用要求。

发明内容

[0012] 本发明所要解决的技术问题是提供一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁用钢及其生产方法，成分与工艺配合，无需控制冷却，所生产的345MP级楔形耐候桥梁钢薄厚端性能均匀，板形合格。

[0013] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

[0014] 一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板，所述楔形钢板厚度≤80mm，其化学成分及重量百分含量为：C：0.07％-0.09％，Si：0.15％-0.35％，Mn：1.15％-1.5％，P：≤0.02％，S：≤0.005％，Cu：0.3％-0.42％，Ni：0.3％-0.48％，Mo：0.06％-0.10％，Cr：
0.38％-0.52％，Nb：0.06％-0.08％，V：0.01％-0.03％，Ti：0.012％-0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质。

[0015] 一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板的生产方法，包括如下步骤：

[0016] 1)冶炼工艺

[0017] 铁水预处理-顶吹或顶底复合吹炼转炉冶炼-精炼-电磁搅拌连铸；

[0018] 2)加热工艺

[0019] 板坯清理后装炉加热，加热温度1100℃-1250℃，加热总时间3.5～5h；

[0020] 3)轧制工艺

[0021] 采用两阶段轧制方式，轧制末期进行楔形轧制；具体为：

[0022] a.一阶段开轧温度≥980℃；

[0023] b.二阶段轧制参数与楔形钢板厚端厚度关系如下：

[0024] 楔形钢板厚端厚度≤20mm，中间坯厚度≥40mm，开轧温度920℃-980℃，终轧温度800℃-860℃；

[0025] 20＜楔形钢板厚端厚度≤40mm，中间坯厚度≥80mm，开轧温度880℃-980℃，终轧温度780℃-880℃；

[0026] 40＜楔形钢板厚端厚度≤60mm，中间坯厚度≥100mm，开轧温度860℃-960℃，终轧温度800℃-900℃；

[0027] 60＜楔形钢板厚端厚度≤80mm，中间坯厚度≥120mm，开轧温度840℃-960℃，终轧温度800℃-900℃；

[0028] c.当钢板厚度达到楔形钢板厚端厚度要求时，开始楔形轧制，直至轧制结束，楔形轧制速度为1-2m/s，总楔形轧制道次量与楔形钢板楔度和厚端厚度比值关系如下：

[0029] 楔度/厚端厚度≤14％，最后1-3个道次进行楔形轧制；

[0030] 14％＜楔度/厚端厚度≤28％，最后2-4个道次进行楔形轧制；

[0031] 28％＜楔度/厚端厚度≤42％，最后3-5个道次进行楔形轧制；

[0032] 42％＜楔度/厚端厚度≤56％，最后4-6个道次进行楔形轧制；

[0033] 56％＜楔度/厚端厚度≤68％，最后5-7个道次进行楔形轧制；

[0034] 4)冷却工艺

[0035] 轧制后采用空冷方式进行冷却；

[0036] 5)热矫直工艺

[0037] 通过热矫直机进行矫直，矫直温度大于700℃，矫直速度为0.2-1.0m/s，楔形钢板厚端先进入矫直机，矫直进入楔形段时匀速减小矫直辊缝，上矫直辊联动下降，下降辊速计算公式为：

[0038] 下降辊速＝楔度×矫直速度/楔形段水平长度

[0039] 矫直完楔形段后保持辊缝和矫直速度不变进行楔形钢板薄端矫直，矫直结束。

[0040] 所述的钢板楔度为楔形钢板薄厚端厚度差。

[0041] 一种薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板选择合金元素种类及其含量是因为：

[0042] C：是保证强度的必要元素，其主要参与强化方式为固溶强化和析出强化，由于耐候钢需要添加较多的耐候性元素，因此考虑焊接性，C含量不宜超过0.09％，因为此设计钢种为空冷，因此无法获得相变强化，因此C含量不易过低，这里将碳含量控制在0.07％～0.09％。

[0043] Si：是炼钢过程主要脱氧元素，其含量过高会降低焊接性，范围控制在0.15％～0.35％。

[0044] Mn：是主要固溶强化元素，其含量过多容易引起严重的心部偏析，范围控制在1.15％～1.5％

[0045] Ni、Cr、Cu：主要耐候性添加元素，并且提供固溶强化作用，范围控制Cu：0.3％-0.42％、Ni：0.3％-0.48％、Cr：0.38％-0.52％。

[0046] Nb：是抑制奥氏体再结晶元素，Nb的碳氮化物能够在较高温度下析出于奥氏体晶界处，阻碍奥氏体晶界移动，并且Nb对C亲和力较强，奥氏体内Nb使C的扩散受抑制，因此奥氏体再结晶温度会随着钢种Nb元素的增加而增加。钢在未再结晶区经历总量较大的变形，导致楔形钢板的厚端和薄端中的组织储存畸变能都达到临界状态，这样做的目的是使钢板薄端和厚端中的组织相变起始状态相同，消除厚度差带来的性能不均。因为Nb元素成本较高，这里选择符合添加微合金元素和Mo元素，提高Nb抑制再结晶效应，Nb范围控制在0.06％-0.08％。

[0047] V：能够沉淀于铁素体基体中，提升铁素体基体强度，范围控制在0.01％-0.03％。

[0048] Ti：Ti(C,N)析出相具有高温析出特性，能够在坯料加热阶段析出于奥氏体晶界处，有效阻碍奥氏体晶粒长大，为后序组织细化提供组织准备。考虑到Ti与其他微合金元素共同作用，分为控制在0.012％-0.025％。

[0049] Mo：是促进Nb、V、Ti析出的元素，提高微合金元素碳氮化物析出量，减小析出物尺寸半径，有强化微合金元素作用的效应。

[0050] P、S：是钢中不可避免的杂质元素，范围控制P≤0.020％、S≤0.005％。

[0051] 与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

[0052] (1)本发明以低C、Si、Mn为基础，添加适量的Ni、Cr、Cu以满足耐候性，重点利用Nb元素抑制奥氏体再结晶作用，对钢板施加总量较大的变形量，将楔形钢板的薄端和厚端组织畸变能均储存至临值，使薄端和厚端具有相同的起始相变状态，以获得力学性能均匀的楔形钢板；Mo的添加能够增强Nb的作用，此外添加适量的V和Ti弥补空冷造成的强度不足。通过配合相应的生产工艺，获得了板形良好、力学性能合格且均匀的345MPa级楔形耐候桥梁钢板。

[0053] (2)本发明高Nb和微量Mo成分设计和轧后空冷工艺配合有效确保板形质量和力学性能均匀性。

[0054] (3)为了确保楔形钢平直度满足要求，针对楔形钢板的楔形段采用连续变辊缝方法进行热矫直，通过连续下降上矫直辊，使辊缝由楔形钢板厚端设定值逐渐下降至薄端设定值，在这一过程中完成楔形段的矫直。

[0055] (4)本发明所述345MPa楔形耐候桥梁钢厚度小于等于80mm，横向屈服强度为355MPa～395MPa，横向延伸率≥23％，-20℃纵向冲击功平均值≥150J，性能满足国家标准，板形合格，同板薄厚端屈服强度差＜30MPa，延伸率差＜6％，-20℃平均冲击功差＜50J，性能均匀性好。

具体实施方式

[0056] 下面结合实施例对本发明进一步说明：

[0057] 以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。

[0058] 薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板成分见表1；

[0059] 表1实施例钢化学成分(wt，％)

[0060]

[0061]

[0062] 薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板加热工艺及一阶段轧制工艺见表2；

[0063] 表2实施例加热工艺及一阶段轧制工艺

[0064]

[0065] 薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板二阶段轧制工艺、冷却工艺和热矫直工艺见表3；

[0066] 表3实施例楔形耐候桥梁钢二阶段轧制工艺、冷却工艺和热矫直工艺

[0067]

[0068]

[0069] 薄厚端性能均匀的楔形耐候桥梁钢板热轧态力学性能见表4；

[0070] 表4实施例楔形耐候桥梁钢热轧态力学性能

[0071]

[0072] 本发明所述345MPa楔形耐候桥梁钢厚度小于等于80mm，横向屈服强度为355MPa～395MPa，横向延伸率≥23％，-20℃纵向冲击功平均值≥150J，板形合格，性能满足国家标准，且同板薄厚端屈服强度差＜30MPa，延伸率差＜6％，-20℃平均冲击功差＜50J，性能均匀性好。