HRB500E釩氮高強(qiáng)度抗震鋼筋及其生產(chǎn)方法

榮譽(yù)表彰

2014年11月6日，《HRB500E釩氮高強(qiáng)度抗震鋼筋及其生產(chǎn)方法》獲得第十六屆中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)。

高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法專利目的

《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》的目的在于提供一種采用低成本微合金元素配方，即采用低碳、高錳、高鈮、無(wú)鉬、無(wú)釩、無(wú)鎳或低鎳配方生產(chǎn)成本的高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板。

該發(fā)明的另一目的在提供一種采用低成本微合金元素配方，并通過(guò)控軋控冷等工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度低合金的高控軋控冷鋼。

高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法技術(shù)方案

一種高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板，其化學(xué)成份及各成份的重量百分比為：碳：0.03～0.09％，硅：0.15～0.35％，錳：1.40～2.0％，鋁：0.02～0.05％，鈮：0.05～0.13％，鈦：0.010～0.025％，銅：≤0.30％，鉻：≤0.30％，磷：≤0.012％，硫：≤0.004％，氮：≤0.004％，其余均為鐵，且碳當(dāng)量Ceq應(yīng)不大于0.44，裂紋敏感指數(shù)Pcm應(yīng)不大于0.23；鎳：≤0.25％；釩：≤0.06％。

為實(shí)現(xiàn)《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》的另一目的，一種高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板的生產(chǎn)方法包括步驟為：設(shè)計(jì)成份進(jìn)行配比備料，然后鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH（VD）處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷，在溫度軋制及冷卻控制中，軋制過(guò)程中坯料的平均溫度最有價(jià)值，利用表面測(cè)量溫度受厚度的影響，以下溫度控制皆為平均溫度；板坯再加熱溫度控制在：1180-1260攝氏度；粗軋結(jié)束溫度1100-1220攝氏度；精軋開(kāi)始溫度840-1000攝氏度，精軋階段總的壓縮比≥65％，其結(jié)束溫度800-930攝氏度；終冷溫度500-600攝氏度，冷卻速率8-25攝氏度/秒。

高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法改善效果

《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》的優(yōu)點(diǎn)是：

1、由于采用高Nb低C，充分利用Nb的析出強(qiáng)化及對(duì)鋼的相變的影響，獲得細(xì)小的具有高密度位錯(cuò)的針狀鐵素體 貝氏體 第二相組織，從而代替Mo對(duì)相變的影響，達(dá)到不加入Mo的效果，降低了合金成本；

2、由于該發(fā)明中的Ni元素可加可不加，因此，Ni的加入量對(duì)強(qiáng)度的影響不大，加入的Ni主要是減少因Cu導(dǎo)致的鑄坯及鋼板表面熱脆傾向，但該發(fā)明中Cu的含量亦不是很高，因而可以考慮不加，達(dá)到降低成本的效果；

3、由于采用了低碳、高鈮和微鈦處理的簡(jiǎn)單合金化設(shè)計(jì)，降低了鋼板的冷裂紋的敏感性，在一定程度上簡(jiǎn)化了焊接工藝，減小了焊接加工的制造成本；鋼中氮化鈦以及鈦鈮氮碳化物的高溫穩(wěn)定性將起到釘扎晶界、阻止晶粒長(zhǎng)大的作用，能夠使鋼板承受的焊接線能量提高；

4、由于利用Nb對(duì)奧氏體再結(jié)晶的抑制作用，提高再結(jié)晶終止溫度，使得軋制可以在較高的溫度進(jìn)行，降低軋制力及軋制能量消耗，提高了軋機(jī)的效率，保證了良好的板形；

5、由于采用了鋼板的平均溫度作為軋制過(guò)程溫度的控制點(diǎn)，避免因表面溫度存在測(cè)量誤差，以及表面溫度控制受制于軋制過(guò)程中鋼板的厚度變化，很難對(duì)軋制的各個(gè)階段的軋制溫度進(jìn)行精確把握；采用平均溫度則避免了以上不確定因素，實(shí)現(xiàn)了該發(fā)明鋼制造工藝的精確控制；

6、由于通過(guò)終止冷卻溫度控制，充分利用了Nb對(duì)相變的影響及析出作用，達(dá)到控制組織類型、細(xì)化組織及析出強(qiáng)化效果，提高強(qiáng)度和韌性作用；同時(shí)這一因素決定該發(fā)明的終冷溫度與以往的高強(qiáng)度、高韌性鋼板制造工藝中有了很大的提高，這樣可以保證鋼板在冷卻之后進(jìn)行熱矯的溫度，降低熱矯直機(jī)的負(fù)荷和矯直能耗。

高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法操作內(nèi)容

《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》的高強(qiáng)度高韌性可焊性熱軋鋼板是一種新型的低成本微合金化高強(qiáng)度低合金控軋控冷鋼，采用低碳、高錳、高鈮無(wú)鉬、無(wú)釩（或加入少量釩）和無(wú)鎳（或加入少量鎳）的低成本合金化設(shè)計(jì)。鋼中主要元素的設(shè)計(jì)依據(jù)如下：

碳（C）：碳是影響管線鋼強(qiáng)度、韌性、硬度及焊接性能的主要元素，碳含量的增加，對(duì)提高鋼的強(qiáng)度有明顯作用。但碳含量的增加會(huì)對(duì)鋼的延性、韌性及焊接性能有負(fù)面影響。所以，該發(fā)明選擇的碳含量為0.03-0.09％，一方面主要是考慮過(guò)低的碳會(huì)使得鋼板的屈強(qiáng)比增高，另一方面主要是考慮鋼板的韌性及優(yōu)良的焊接性能。

錳（Mn）：固溶強(qiáng)化元素，既可以提高鋼的強(qiáng)度也能夠改善鋼的韌性。適度提高鋼的淬透性，擴(kuò)大γ相區(qū)，降低鋼的γ→α相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物。此外，錳還能提高微合金元素鈮（Nb）在鋼中的溶解度，抑制碳氮化鈮的析出。因此，該發(fā)明鋼采用的錳含量為1.4～2.0％。

鈮（Nb）：鈮是有效的晶粒細(xì)化元素，能夠明顯的抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大，延遲γ→α轉(zhuǎn)變，從而獲得更加細(xì)小的組織。在熱軋過(guò)程中，析出的碳氮化鈮可以延遲再結(jié)晶及晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程，碳氮化鈮通過(guò)釘扎位錯(cuò)，使得基體中可以保留更多的位錯(cuò)密度，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。固溶狀態(tài)的鈮可以延遲γ→α轉(zhuǎn)變，細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼的韌性，在冷卻過(guò)程中固溶的鈮可以繼續(xù)以Nb（CN）析出，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度。該發(fā)明中，采用0.05-0.13％的高鈮設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了以上的分析精神，達(dá)到替代Mo的細(xì)化組織、沉淀強(qiáng)化的作用，降低鋼的成本。

鈦（Ti）：鈦是強(qiáng)的固氮元素，可以與氮形成TiN顆粒，從而可以在坯料加熱過(guò)程中抑制奧氏體晶粒的粗化，起到細(xì)化晶粒的作用，提高鋼的低溫韌性；同樣，TiN顆粒對(duì)焊接熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大能夠起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，鈦可以與鈮復(fù)合析出，提高（TiNb）（CN）的熱穩(wěn)定性，對(duì)加熱過(guò)程中坯料奧氏體晶粒的長(zhǎng)大及焊接熱影響區(qū)晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改善鋼板的韌性，提高鋼板的焊接性能。鈦的加入量一般不低于氮的3.4倍，該發(fā)明中鈦的加入量為0.01-0.025％。

銅（Cu）：銅能夠提高鋼板及焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度，銅的沉淀作用還可以提高鋼的抗疲勞性能；此外，銅的另一個(gè)作用是提高鋼板的耐腐蝕性能，近加入0.1％的銅就可以顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性。但過(guò)量的銅對(duì)焊接熱影響區(qū)及焊接區(qū)的韌性是不利的，該發(fā)明鋼采用了不大于0.3％的加入量。

鉻（Cr）：鉻同樣是碳化物形成元素，能夠提高鋼板硬度，起到沉淀強(qiáng)化的作用；鉻作為鐵素體形成元素，在高Nb鋼中可以得到更多的針狀鐵素體組織；鉻還能夠提高鋼的抗腐蝕及耐氫致開(kāi)裂性能。然而，過(guò)量的鉻將降低鋼板的延伸性能，促進(jìn)晶粒的長(zhǎng)大而影響韌性，導(dǎo)致焊接區(qū)域的冷裂紋的產(chǎn)生。因此，該發(fā)明中只采用了相對(duì)較安全的加入量，該發(fā)明鋼采用了不大于0.3％的加入量。

鎳（Ni）：鎳通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，和Mo相比，加入的鎳傾向于形成更少的硬化相，從而對(duì)低溫韌性有利；同時(shí)，鎳還有助于改善鋼中加銅引起的熱脆性。該發(fā)明鋼采用了不大于0.25％的加入量，也可不加入鎳。

釩（V）：析出強(qiáng)化及細(xì)化晶粒元素，能夠與C、N元素形成VC和VN析出相，提高鋼的強(qiáng)度，該發(fā)明中V為輔助添加元素，該發(fā)明鋼采用了不大于0.06％的加入量，或干脆不加入釩元素。

該發(fā)明的特點(diǎn)之一采用了低成本的合金化設(shè)計(jì)，不添加鉬，不添加或少量添加釩和鎳這些成本昂貴的元素，采用了低碳、高鈮的基本成分設(shè)計(jì)思路，輔以錳、銅、鉻等元素及微鈦處理，結(jié)合精確的軋制冷卻工藝控制，實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的高強(qiáng)度高強(qiáng)韌性和可焊性熱軋鋼板的生產(chǎn)。其化學(xué)成分重量百分比為：碳：0.03～0.09％；硅：0.15～0.35％；錳：1.40～2.0％；鋁：0.02～0.05％；鈮：0.05～0.13％；鈦：0.010～0.025％；銅：≤0.30％；鎳：≤0.25％；鉻：≤0.30％；磷：≤0.012％；硫：≤0.004％；氮：≤0.004％；釩：≤0.06％，其余均為鐵。

《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》的微合金化高強(qiáng)度低合金控軋控冷鋼鋼板主要應(yīng)用于輸送管線、海洋平臺(tái)、鍋爐和壓力容器、橋梁和工程機(jī)械等重要場(chǎng)合，因此具有良好的焊接性能，包括廣泛的焊接工藝適應(yīng)性，高抗裂紋性，適用于大線能量焊接。鋼板焊接裂紋敏感性與焊接后自淬性有關(guān)，碳當(dāng)量Ceq和裂紋敏感指數(shù)Pcm決定了鋼板的淬硬傾向。由于微合金化高強(qiáng)度低合金控軋控冷鋼成分設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，合金總量減少，特別是碳含量低，為提高該鋼種的抗冷裂性提供了保證。為提高焊接效率，埋弧自動(dòng)焊、氣電焊（單絲、多絲、熔嘴）、電渣焊（KES、SES）廣泛應(yīng)用，隨焊接線能量的增加對(duì)焊接熱影響區(qū)韌性的損傷越來(lái)越明顯。這就要求新型微合金鋼能有效阻止HAZ晶粒粗化的技術(shù)。鋼中氮化鈦和其它的鈦鈮碳氮化物具有高溫穩(wěn)定性，對(duì)釘扎晶界、阻止晶粒長(zhǎng)大的作用，能夠使鋼板承受的焊接線能量提高。

該發(fā)明的特點(diǎn)之二是采用了較低的碳當(dāng)量Ceq和裂紋敏感指數(shù)Pcm，發(fā)明鋼中的碳當(dāng)量Ceq[＝C Mn/6 （Cr Mo V）/5 （Cu Ni）/15]不大于0.45，裂紋敏感指數(shù)Pcm[＝C Si/30 （Mn Cu Cr）/20 Ni/60 Mo/15 V/10 5B]不大于0.23。由于降低了冷裂紋的敏感性，在一定程度上簡(jiǎn)化了焊接工藝，減小了焊接加工的制造成本。同時(shí)微合金化也提高了焊接熱影響區(qū)的綜合性能，焊接線能量得以提高，可實(shí)現(xiàn)高效焊接。

該發(fā)明的高強(qiáng)度高韌性鋼的熱軋鋼板的制造方法，軋制及冷卻過(guò)程中的溫度控制，采用坯料的平均溫度作為最終的參考依據(jù)，坯料表面溫度為參考量。鋼板制造工藝設(shè)計(jì)中，利用流變應(yīng)力隨溫度的變化，來(lái)精確把握再結(jié)晶區(qū)、非再結(jié)晶區(qū)及混晶區(qū)，從而得到比較精確的溫度控制，達(dá)到溫度控制軋制的目的。以往的工藝規(guī)定的鋼板粗軋結(jié)束溫度、精軋結(jié)束溫度基本上都是表面溫度控制，其溫度控制往往受制于軋制過(guò)程中鋼板的厚度變化，這樣使得軋制的各個(gè)階段比較難于把握；該發(fā)明則克服以上的缺點(diǎn)，采用鋼板的平均溫度作為控制軋制各階段的起點(diǎn)和終點(diǎn)，消除厚度的影響，達(dá)到精確控制的目的。

在鋼板軋后冷卻方面，該發(fā)明的終止冷卻溫度控制范圍在500-600攝氏度，充分利用高Nb對(duì)γ→α相變的延遲來(lái)獲得更多的針狀鐵素體組織，以及這一終冷溫度下仍能使固溶Nb繼續(xù)析出而提高強(qiáng)度的特點(diǎn)，達(dá)到提高鋼的強(qiáng)度和韌性的目的。這使得該發(fā)明既保證了鋼板強(qiáng)度和韌性，又避免鋼板冷卻之后進(jìn)行熱矯所需的溫度，降低熱矯直機(jī)的負(fù)荷和矯直能耗。

高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板的具體制造方法，工藝步驟包括：按照權(quán)利要求1的成分進(jìn)行配比備料、鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH（VD）處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷，溫度軋制及冷卻控制中，軋制過(guò)程中坯料的平均溫度最有價(jià)值，利用表面測(cè)量溫度受厚度的影響，以下溫度控制皆為平均溫度；板坯再加熱溫度控制在：1180-1260攝氏度；粗軋結(jié)束溫度1100-1220攝氏度；精軋開(kāi)始溫度840-1000攝氏度，精軋階段總的壓縮比≥65％，其結(jié)束溫度800-930攝氏度；終冷溫度500-600攝氏度，冷卻速率8-25攝氏度/秒。

采用以上合金成分和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)度高韌性可焊性的熱軋鋼板的寬度最大達(dá)4400毫米，厚度達(dá)42毫米。

以上所述高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板屈服強(qiáng)度大于500兆帕，抗拉強(qiáng)度大于630兆帕，屈強(qiáng)比小于0.90，延伸率大于23％（采用直徑12.7毫米圓棒試驗(yàn)，標(biāo)距50.8毫米）；—20攝氏度的V型缺口夏比沖擊試驗(yàn)吸收功大于250焦，剪切面積大于90％；—20攝氏度落錘撕裂試驗(yàn)（DWTT）的剪切面積大于90％。

高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法實(shí)施案例

表1給出了《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》的高強(qiáng)度高韌性可焊性熱軋鋼板化學(xué)成分的8個(gè)實(shí)例。

表2給出了表1中所列8個(gè)不同成分鋼板的主要控制控冷工藝軋制工藝參數(shù)。

在上述實(shí)施例中，這種熱軋鋼板的焊接工藝采用4絲埋弧焊，電流在450～1000安，電壓在20～30伏之間，熱輸入45千焦/厘米，焊絲移動(dòng)速度1.7米/分鐘，一道填充。

表3給出了《高強(qiáng)度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法》強(qiáng)度高韌性鋼板的焊縫及熱影響區(qū)的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

表3：上述兩種熱軋鋼板的焊縫及熱影響區(qū)的拉伸斷口及夏比沖擊韌性值

硬度試驗(yàn)：在焊接橫截面上進(jìn)行硬度試驗(yàn)，硬度測(cè)試點(diǎn)焊接的接縫處。