一种高性能大厚度易焊接桥梁结构钢及其制造方法与流程

本发明属于金属材料
技术领域：
，特别涉及一种采用320-450mm厚度规格连铸坯及“cr+dq/acc+回火”工艺，制造厚度规格≥130mm、屈服强度≥460mpa级，兼具优良-60℃冲击韧性及z向性能的低屈强比、大厚度、易焊接桥梁结构用钢。
背景技术：
：钢结构桥梁正在向高速、重载、大跨和整体焊接方向发展，为满足这些要求，现有的桥梁钢亟待进一步升级，集高强度、高韧性、低屈强比、易焊接和高耐蚀等多项性能为一体的高性能桥梁钢是未来发展趋势。国外高性能桥梁钢发展，始于美国，迅速发展于日本，代表着目前高性能桥梁钢的先进水平。我国高性能桥梁钢的发展，始于本世纪初研制开发的q420qe桥梁钢。近十年来，随着我国交通运输行业的发展及钢铁冶金技术水平的提高，高性能桥梁钢的研发及应用取得了长足进步。2015年，沪通长江大桥首次采用q500qe，武钢、鞍钢和南钢开展了相关研究。另外，沪通桥、平潭桥等最近建造的大跨度钢桥，已普遍要求使用低碳、低碳当量、低焊接裂纹敏感指数、低屈强比、高韧性桥梁钢，主要性能指标已超过国外相关标准。最新“桥梁用结构钢”标准gb/t714-2015，已经将c~e质量等级从47j提高到120j。随着我国经济的快速发展，各行业对厚钢板的需求越来越大；从产品安全、环保、低成本及多样化等角度，对厚钢板性能和尺寸精度等提出了更加严格的要求。高性能桥梁钢，通过降低碳含量以减少珠光体或渗碳体、复合加入合金化元素cr-ni-cu-mo及微合金化元素nb、v、ti，结合tmcp工艺，以获得细化的中温转变铁素体或低碳贝氏体组织，可获得高强韧性、耐候性及易焊接性。鉴于目前的冶金工艺现状，c、mn、p、s等元素聚集变化，导致厚板易产生中心偏析，增加厚板裂纹和疏松的敏感性。钢板的冶炼及轧制成形工艺，使得厚板的z向性能与轧制平面内性能存在着较大差异，导致钢板厚度方向的受拉性能劣化。连铸坯在轧制变形过程中，其厚度方向的变形量分配规律为：从表面向心部呈指数递减。板坯热变形过程中，变形始于板坯表面，变形量较小时变形集中在板坯表面；随着变形量的增大，变形才会逐渐向心部渗透。利用连铸坯生产高性能特厚钢板时，应利用有限的变形量，在轧制过程中合理分配道次压下率，在装备和工艺条件允许的条件下，适当增加道次压下率，提高钢板的综合性能。对比文件1，一种连铸坯生产易焊接特厚桥梁用钢及其生产方法（申请号：cn107630166a），采用“c：0.035-0.045％,si：0.20-0.50％,mn：1.20-1.64％及适量nb（0.03%）、ni(0.35%)”成分设计，通过两阶段轧制工艺，轧后进入层流冷却摆动水冷；开冷温度730-750℃，终冷温度320-390℃，可生产于厚度规格120-150mm桥梁用钢。在轧制过程中，每道次均要求利用除鳞水冷却钢板表面；另外，其实施例中，标准位置性能（钢板厚度1/4处），屈服强度在393-402mpa，-40℃冲击功＞200j。成分设计中，采用超低碳设计，且c含量范围过窄，在实际生产中是无法满足无法控制的，同时对炼钢过程控制也产生较大干扰。在轧制及水冷过程中，要求每道次都除鳞，并且要在层流冷却装置中摆动，生产效率极低，工艺要求不具备普遍适应性。较低的开冷温度及终冷温度，对设备能力要求较高，同时在层流冷却水冷模式下，120-150mm规格钢板，冷却效果能否达到预期目标，均值得商榷。根据其实施例中综合力学性能数值，该专利所发明的钢种仅可达到屈服强度345mpa级。对比文件2，厚规格的420mpa级低屈强比低温桥梁钢及生产方法（申请号：cn201810841006a），通过低碳成分设计，施以适当的控轧控冷及回火热处理工艺，开发一种厚规格420mpa级低屈强比低温桥梁用钢板。其合金设计中，包括“mn：1.50-1.60％，ni：0.10-0.20％，cr：0.15-0.20％，nb：0.025-0.035％，v：0.030-0.040％”。合金加入较多，增加成本；同时cr、v的加入，在轧制和冷却过程中，形成的cr的碳化物或c的析出物对韧性极为不利。该专利所涉及的钢板厚度规格仅为100mm。对比文件3，一种130mm低合金低温韧性厚板及其生产方法（申请号：cn103725959a）,采用c-mn-nb-v成分体系及“正火+加速冷却”工艺，可生产屈服强度367-418mpa、-60℃冲击功76-168j特厚板。特殊的工艺，即正火后加速冷却，与正常的正火工艺要求完全不符合。130mm规格特厚板正火后水冷加速冷却，厚度方向的性能均匀性及组织均匀性均较差。另外其屈服强度等级在400mpa左右，同时其-60℃冲击功存在较大波动，不符合高性能桥梁钢要求。对比文件4，一种低碳当量的特厚钢板q460e的生产方法（申请号：cn109972033a），采用低碳高锰设计理念，在c-mn钢基础上，复合添加nb、ti、ni、cr、cu等合金元素；轧后钢板弛豫至ar3以下10-20℃，采用mulpic快速冷却（dq），钢板厚度为60~150mm。屈服强度425-476mpa，抗拉强度554-618mpa，-40℃心部冲击韧性100j以上。合金设计的复杂性，弛豫工艺的特殊性及水冷装备的严格性，在此工艺条件下，该品种难以具备批量推广的条件。同时，该专利并未提及厚规格钢板抗层状撕裂性能。对比文件5，文献“130mm特厚桥梁板q345qd的开发”（钢铁，2010年第45卷第11期，徐少普等），采用“100t转炉-模铸-3800mm轧机轧制-热处理工艺”工序，研发130mm特厚q345qd。在c（0.10-0.13%）及mn（1.45-1.55%）成分基础上，采用了nb、v、ti复合微合金化，第一阶段开轧温度1050-1100℃，采用高温低速大压下轧制策略，道次压下量不小于40mm；当温度≥1000℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2.5倍；轧件温度为880-900℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量不小于30mm，最后3道次压下率≥15%，且逐道递增；终轧温度控制在820-860℃；轧制完毕后，采用acc冷却，终冷温度680-720℃。其屈服强度为315-350mpa，抗拉强度为490-515mpa，-20℃纵向冲击功为144-256j（平均达到了178j），抗层状撕裂性能仅可满足z15要求。该文献所介绍的130mm特厚板，采用模铸工艺生产原始坯料，成材率低，生产成本高。c含量处于包晶区范围，且加入nb、v、ti等微合金元素，坯料质量难以保证。另外，采用较厚的待温厚度，影响生产节奏。同时该文献所介绍品种质量等级仅能达到d级，强度级别及z向性能均较低，也无法满足高性能桥梁钢要求。国内高性能桥梁钢，目前仍存在如下问题，研发和应用滞后于美国和日本，相关材料技术与国际先进水平之间还存在明显的差距。高性能桥梁钢多元合金成分、tmcp工艺、多相组织形态及综合力学性能之间的影响规律及内在关系等相关基础研究还比较薄弱，产品性能稳定性不高。如何保证材料高强度、高韧性的同时，提高其抗层状撕裂性能，对于一般的较薄规格钢板，采用常规的成分设计，使用一般厚度连铸坯（如≤300mm），基本可稳定生产60mm及以下规格高性能钢。但是，对于更厚规格钢板，如130mm乃至180mm规格特厚钢板，在保证其可焊接性的前提下，如何保证其强度、冲击韧性及抗层状撕裂性能，达到高性能桥梁钢要求，仍需进一步研究。技术实现要素：本发明的目的是提供一种高性能大厚度易焊接桥梁结构钢及其制备方法，尤其是厚度≥130mm、屈服强度≥460mpa级，兼具优良的-60℃冲击韧性及z向性能的低屈强比高性能易焊接桥梁结构用钢。以通过经济合理的组分配比及相应的工艺，达到可稳定生产大厚度、高强度、高韧性、易焊接桥梁结构用钢的目的，从而解决现有桥梁结构用钢厚度规格小、强度低、韧性不足、z向性能差、探伤合格率低、焊接性能不良等系列问题。本发明的目的是通过如下技术方案实现的：一种高性能大厚度易焊接桥梁结构钢，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：c：0.040-0.070%；si：0.15-0.30%；mn：1.50-1.65%；mo：0.10-0.20%；nb：0.020-0.030%；ti：0.010-0.020%；alt：0.025-0.050%；p：≤0.012%；s：≤0.003%；n：≤0.0045%；h：≤0.00015%；其余为fe及不可避免杂质；所述桥梁结构钢的焊接裂纹敏感性指数pcm(%)范围为：0.135-0.175。本发明还公开了如上所述的高性能大厚度易焊接桥梁结构钢的制造方法，其特征在于：具体步骤及参数如下：1）铁水经脱硫扒渣、转炉冶炼、lf炉精炼、rh真空处理；并保证pcm范围为：0.135-0.175；2）处理后的钢水经垂直弯曲型板坯连铸机浇铸成320mm-450mm厚连铸坯，在浇铸过程进行恒拉速操作，拉速范围为：0.45-0.60m/min；控制铸坯中心偏析，中心偏析c类≤1.0；3）采用步进梁式加热炉对连铸坯进行加热，加均热温度1200℃～1240℃，在炉时间350min～480min；4）采用两阶段控轧及控冷工艺，第一阶段轧制结束时钢板表面温度温度≥1000℃，总压下率为50%～70%，最后2～3单道次压下率≥16%，待温厚度为1.4～2.0倍成品钢板厚度；第二阶段轧制开轧温度780℃～800℃，终轧温度750℃～770℃；5）终轧后，对钢板采用往复式“dq/acc”冷却，钢板入水温度730-750℃，终冷温度400-450℃，冷速6-15℃/s；冷却过程分为3次，每次总时间35s；第1次冷却结束后，近表面温度300±30℃，芯部温度在700±30℃，厚度方向不同位置温度介于270℃-730℃；第2次冷却结束后，近表面温度在320±25℃，芯部温度在550±25℃，厚度方向不同位置温度介于295℃-575℃；第3次冷却结束后，近表面温度在400±20℃左右，芯部温度在450±20℃左右，厚度方向不同位置温度介于380℃-470℃；6）钢板冷却完成后，下线堆垛缓冷，堆垛温度≥400℃，堆垛时间≥72h；7）堆垛时间达到后，进行热处理，加热系数2.3-2.5min/mm，回火温度475±25℃，保温时间1.0-1.2min/mm。本发明的优点在于：（1）通过设计合适的成分体系，采用超低c、一定量mo，少量微合金元素nb、ti，使用320-450mm厚度规格连铸坯，通过控轧控冷（tmcp）+中温回火工艺，可稳定生产厚度规格≥130mm高韧性、高z向性能厚钢板，合金成本低，工序简单，具备批量工业生产条件。（2）本发明所涉及的高性能大厚度易焊接桥梁结构用钢，综合力学性能优良，钢板厚度1/4处与1/2处强度差异小，冲击韧性稳定，内部质量优良，探伤级别可达到ⅰ级，可焊性好，在桥梁结构领域具有较好的应用前景，尤其可用于温度低、温差大的环境中，如我国东北及远东地区。附图说明图1往复式冷却过程中钢板厚度不同位置温度曲线图；图2高性能易焊接钢板厚度1/4处微观组织；图3为实施例钢板往复式冷却效果（左图-第1次冷却后、右图-第3次冷却后）。具体实施方式本发明提供了一种高性能大厚度易焊接桥梁结构钢，包括如下质量百分比的各组分：c：0.040-0.070%；si：0.15-0.30%；mn：1.50-1.65%；mo：0.10-0.20%；nb：0.020-0.030%；ti：0.010-0.020%；alt：0.025-0.050%；p：≤0.012%；s：≤0.003%；n：≤0.0045%；h：≤0.00015%；其余为fe及不可避免杂质；所述桥梁结构钢的焊接裂纹敏感性指数pcm(%)范围为：0.135-0.175。本发明还公开了上述桥梁结构钢的制造方法，具体步骤及参数如下：1）铁水经脱硫扒渣、转炉冶炼、lf炉精炼、rh真空处理；并保证pcm范围为：0.135-0.175；2）处理后的钢水经垂直弯曲型板坯连铸机浇铸成320mm-450mm厚连铸坯，在浇铸过程进行恒拉速操作，拉速范围为：0.45-0.60m/min；控制铸坯中心偏析，中心偏析c类≤1.0；3）采用步进梁式加热炉对连铸坯进行加热，加均热温度1200℃～1240℃，在炉时间350min～480min；4）采用两阶段控轧及控冷工艺，第一阶段轧制结束时温度≥1000℃（指钢板表面温度，下同），总压下率为50%～70%，最后2～3单道次压下率≥16%，待温厚度为1.4～2.0倍成品钢板厚度；第二阶段轧制开轧温度780℃～800℃，终轧温度750℃～770℃；5）终轧后，对钢板采用往复式“dq/acc”冷却，钢板入水温度730-750℃，终冷温度400-450℃，冷速6-15℃/s；冷却过程分为3次，每次总时间35s；第1次冷却结束后，近表面温度300±30℃，芯部温度在700±30℃，厚度方向不同位置温度介于270℃-730℃；第2次冷却结束后，近表面温度在320±25℃，芯部温度在550±25℃，厚度方向不同位置温度介于295℃-575℃；第3次冷却结束后，近表面温度在400±20℃左右，芯部温度在450±20℃左右，厚度方向不同位置温度介于380℃-470℃；6）钢板冷却完成后，下线堆垛缓冷，堆垛温度≥400℃，堆垛时间≥72h；7）堆垛时间达到后，进行热处理，加热系数2.3-2.5min/mm，回火温度475±25℃，保温时间1.0-1.2min/mm。优选的，在步骤5）中，钢板在冷却区内进行往复运行，在冷却区域来回浇水≥3遍，以满足特厚钢板大冷却强度的工艺要求。往复式冷却过程温度变化如附图1所示。优选的，在步骤7）之前还包括如下步骤，堆垛缓冷后，按照探伤标准要求，采用手工探伤对钢板进行探伤。探伤结束后，采用火切切割方式对钢板切边及切头尾，保证钢板最小矩形，满足定尺要求。优选的，取焊接试样并进行焊接性能评定。焊接工艺要求：焊接热影响区最高硬度试验采取两种焊接工艺（手工焊条电弧焊，焊条采用che557，采用室温、150℃预热及200℃预热工艺；co2气体保护焊，焊丝采用tj606，普莱克斯co2保护气体，采用室温、150℃预热及200℃预热工艺）；斜y裂纹敏感性试验采用j607rh焊条，焊接过程控制层间温度低于180℃；采用分层焊接工艺进行焊接适应性试验。通过以上工艺流程，所生产的高性能大厚度易焊接桥梁结构钢，力学性能稳定且厚度方向性能比较均匀，具有较好的强度、塑性、韧性及z向性能，同时钢板内部质量良好。其中，钢板厚度方向1/4处力学性能：480mpa≤rel（下屈服强度）≤540mpa、570mpa≤rm（抗拉强度）≤630mpa、25.0%≤a（断后伸长率）≤30.0%、200j≤-60℃-akv（-60℃冲击值）≤300j；钢板厚度方向1/2处力610mpa、20.0%≤a（断后伸长率）≤25.0%、120j≤-60℃-akv（-60℃冲击值）≤200j；厚度方向性能：45%≤z向性能≤60%。钢板厚度1/4处典型微观组织为针状铁素体（典型微观组织见附图2）；探伤结果满足“nb/t47013.3-2015、ⅰ级”标准要求。焊接接头力学结果表明，在不低于150℃的预热温度下，焊接接头的拉伸、冷弯、冲击等性能均满足标准要求，焊缝及焊接热影响区-60℃冲击功≥60j，焊接性能良好。实施例1按前述的配比和方法，确定本发明“一种高性能大厚度易焊接桥梁结构钢法”的化学成分要求，完成钢水冶炼、板坯浇铸及钢板轧制，具体如下：板坯规格（厚*宽*长）350mm*2000mm*4000mm，轧制钢板尺寸（厚*宽*长）：130mm*2350mm*8500mm。钢水冶炼过程中，真空处理时间为15min。浇铸过程中恒拉速，拉速0.50m/min，中心偏析c类0.5。本实施例中除铁外的各组分含量及焊接裂纹敏感指数如表1所示。表1化学成分（wt，%）csimnpsaltmo0.0590.171.630.0110.00250.0300.17motinbnhpcmmo0.170.0160.0220.00420.000100.160.17轧制过程参数：连铸坯实际厚度350.3mm；钢坯均热温度1187℃～1209℃，在炉时间382min，再结晶区轧制结束温度1008℃,待温厚度172.8mm，第一阶段轧制总压下率50.66%，最后2单道次压下率分别为16.9%和20.15%。非再结晶区轧制开轧温度798℃，终轧温度755℃。本实施例轧制过程中不同轧制阶段道次压下量及道次压下率见表2。表2轧制规程轧制阶段道次剩余坯料厚度单道次压下量单道次压下率总压下率再结晶区1333.017.34.94%再结晶区2318.414.54.36%再结晶区3303.814.64.58%再结晶区4260.443.414.28%再结晶区5216.444.016.90%再结晶区6172.843.620.15%50.66%非再结晶区7159.413.57.79%非再结晶区8144.914.48.34%非再结晶区9135.39.76.69%非再结晶区10130.44.93.62%24.57%注：总压下率的值为再结晶区的总和和非再结晶区的总和。钢板入水温度762℃，终冷温度436℃，冷速8.5℃/s；第1次冷却结束后，近表面温度273℃，芯部温度在695℃，厚度方向不同位置温度介于273℃-695℃；第2次冷却结束后，近表面温度在301℃，芯部温度在548℃，厚度方向不同位置温度介于301℃-548℃；第3次冷却结束后，近表面温度在416℃，芯部温度在448℃，厚度方向不同位置温度介于416℃-448℃。往复式冷却过程中，第1次冷却结束及第3次冷却结束，钢板表面颜色对比见附图3；通过对比说明，采用往复式冷却，冷却效果良好，冷却温度低且钢板表面冷却均匀性好。本实施例钢板，厚度方向性能分别为53%、55%，67%；其余力学性能见表3。钢板厚度1/4处及1/2处强度指标良好，-60℃冲击最小值在135j以上。表3力学性能本实施例钢板探伤结果如表4所示，探伤无缺陷，满足nb/t47013.3-2015标准ⅰ级探伤要求。表4探伤结果缺陷位置缺陷尺寸判定结果最高缺陷波高底波波高0*0*00*0合格ⅰ级0%100%在不同的环境温度和湿度下，采用不预热、100℃预热及150℃预热条件下，焊接热输入能量20-30kj/cm，完成焊接评定试验。裂纹敏感试验试验焊缝焊接参数见表5。表5裂纹敏感试验试验焊缝焊接参数试样编号环境温/℃环境湿度/％预热温度/℃焊接电压/v焊接电流/a焊接速度/mm/s热输入/kj/cm12888--302403.5820.112288810029.32703.6221.8532888150292803.8221.2643484--29.12652.7627.945348410029.12502.7926.086348415029.12503.1323.24常规焊接热输入施焊时，采用手工焊，在室温条件下，焊接热影响区最高硬度为hv362；当预热温度为100℃时，焊接最高硬度为hv313；预热150℃焊接时，热影响区最高硬度hv287。采用气保焊，在室温条件下，焊接热影响区最高硬度为hv390；当预热100℃焊接时，热影响区最高硬度为hv312；预热150℃焊接时，热影响区最高硬度为hv291。采用两种焊接方式，当预热温度至少100℃时，热影响区最高硬度下降至hv350以下，低于国际焊接协会规定的冷裂敏感的临界最高硬度值hv350；最高硬度试验结果见表6。表6最高硬度试验结果采用两种焊接方式当预热温度不低于100℃时，从斜y坡口焊接裂纹试验结果看，钢板热影响区未产生冷裂纹。斜y坡口焊接裂纹试验结果表7。表7斜y坡口焊接裂纹试验结果编号环境温度环境湿度间隙/mm预热温度表面裂纹率/%断面裂纹率/%18.5℃70%2.1无0%0%220℃90%2.250℃0%0%324℃76%2.1100℃0%0%432℃70%2.2150℃0%0%528℃46%2.2200℃0%0%分层焊接工艺进行焊接适应性测试试验，焊接接头常规力学性能检验结果见表8和表9。从表8和表9可知，拉伸断裂位置均在母材上，焊缝和热影响区的-60℃冲击韧性值均符合设计要求。表8焊接接头拉伸性能焊接方法编号抗拉强度/mpa屈服强/mpa断裂位置侧弯d=3a，180º手工+气体1-1545475母材全部合格手工+气体1-2530455母材全部合格手工2-1555470母材全部合格手工2-2550460母材全部合格手工+埋弧3-1545473母材全部合格手工+埋弧3-2546470母材全部合格表9焊接接头冲击韧性以上实例仅是对本发明最佳实施方式的描述，不对本发明的范围有任何限制。当前第1页12