港口机械用低合金高强度钢板Q345E-Z35的研制

郑香增

(济南钢铁集团公司,山东济南 250101)

港口机械用低合金高强度钢板Q345E-Z35的研制

郑香增

(济南钢铁集团公司,山东济南 250101)

总结了济钢生产港口机械用低合金厚钢板Q345E-Z35的试制过程。通过分析钢的化学成分、夹杂物情况等对性能的影响,采取优化冶炼工艺及轧制工艺的措施,合理控制了碳当量及夹杂物的形态、分布,在钢的强度不降低的情况下,提高了钢的抗层状撕裂性能,钢板质量、各项性能均满足技术条件的要求。

抗层状撕裂性能;碳当量;工艺优化

1 引言

近年来,由于港口建设的蓬勃发展,港口机械用低合金钢板市场需求旺盛。随着现代港口工业技术的发展,港口装卸机械作用越来越大,功能逐渐增强。在港口机械中,门式抓斗装卸桥是在复杂工况下作业的大型结构系统,门式装卸桥的跨度通常大于35 m,整个门架结构均采用焊接的封闭箱型金属结构,其动态性能受多种因素的影响。港口起重机是一种经常起动、制动和反复运动的机械,机构和结构承受着强烈的冲击振动,这种冲击振动产生的动载荷在起重机的运行过程中是必须加以考虑的。钢材的选用决定港口起重机金属结构的可靠性。为了港口机械金属结构的安全度,考虑到载荷、材料性质、构件实际尺寸等因素,必须使用性能级别高的钢材,以减轻结构重量,降低建造成本,提高其可靠性。

为满足市场的需求,尽快开发出港口机械用低合金厚钢板Q345E-Z35有十分重要的意义。港口机械用含铌低合金高强度钢有较高的技术要求,要求高精度尺寸、良好的表面质量、优良的力学性能,钢板在具备高强度、高延伸率、塑性、低温韧性的基础上,需同时具备易焊接性及厚度方向性能。

2 产品设计思路

港口机械用低合金厚钢板Q345E-Z35成分设计的重点放在纯净钢质,降低碳当量和微合金化,研究钢中Nb微合金元素和有害元素在钢板控轧过程中的行为和作用。碳和锰含量是低合金钢的设计基础,根据国内外发展的趋势,多采用低碳高锰的成分设计,并采用Nb微合金化,这样既能够提高强度,又能通过控轧达到细化晶粒之目的。

(1)合理设计碳、硅、锰的成分范围,降低碳当量。另外,锰作为铁素体固溶强化元素而存在,含量过高会形成贝氏体,使钢的塑性和韧性受到损失,因此将锰控制在中下线。

(2)大型焊接结构件由于拘束条件苛刻,在焊接热影响区易产生层状撕裂,它与钢的硫含量有密切关系,严格控制磷、硫含量,硫含量控制在0.005%以下,同时对钢液进行钙处理,确保板厚方向的塑性,提高抗层状撕裂能力。

(3)用Ti、Nb微处理技术,向钢中添加微量的Ti、Nb,细化晶粒,提高钢的韧塑性,并改善厚规格钢板的焊接性能。

(4)合理控制冶炼工艺,通过KR铁水预处理、LF/VD/RH炉外精炼充分脱除钢中杂质和气体,获得纯净的钢质;通过钢包喂Ca线的方式,对夹杂物进行钙处理。适当降低拉速,减轻连铸坯的偏析与疏松。

(5)为了获得优良的可焊接性,严格控制钢的碳当量,当钢板厚度小于40 mm时,Ceq应小于0.40%,当钢板厚度大于40 mm时,Ceq应小于0.42%。在港口机械用钢结构的设计规范中引入了焊接裂纹敏感系数(Pcm),Pcm应小于0.29%。

Ceq=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+ V)/5

Pcm=C+Mn/20+Si/30+Cr/20+Ni/60+ Cu/20+Mo/15+V/10

3 生产工艺控制

3.1 冶炼工艺

港口机械用含铌低合金高强度钢冶炼工艺,KR铁水脱硫预处理,入转炉的铁水硫含量小于0.005%,确保成品低硫含量的要求。为降低钢中氢含量、氧含量及去除夹杂物而采用VD真空脱气处理。采用钢包喂SiCa线处理对夹杂物进行变性控制。在钢中尽可能降低自由氧含量,从而保证钙的收得率,提高钢板厚度方向断面收缩率。

3.2 轧制工艺

根据含铌钢的特点,粗轧在高温区以大变形量轧制使奥氏体充分再结晶。钢板在粗轧阶段采用大压下轧制,一是可以增大应力应变向钢板内部的渗透率,使得钢板内部缺陷更容易焊合;二是在粗轧阶段采用大压下轧制能够使得奥氏体晶粒通过不断地发生再结晶而细化晶粒,从而获得优良的钢板性能。在900℃以下开始精轧,通过变形量的配合,使钢中的Nb在奥氏体中部分诱导析出。

3.3 热处理

正火热处理后钢板组织比较均匀,晶粒进一步细化,在钢板强度稍有下降或基本不变的情况下,可大大提高钢板的冲击韧性,得到强度、塑性、韧性的最佳匹配。港口机械用高强钢厚板均通过正火改善组织,获得良好的综合性能。40 mm以上的高强度港口机械用钢板采取正火处理工艺。因成分设计含有Nb、Ti等碳化物形成元素,采用高于Ac3以上50℃温度进行正火处理。

4 产品实物质量

试制工艺流程为:KR铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→VD真空处理→连铸→加热→轧制→正火热处理。

4.1 化学成分

洁净钢冶炼工艺保证了钢的内部质量,钢质的纯净度高,P、S等杂质元素含量低。熔炼成分见表1。

表1 熔炼成分(%)

4.2 力学性能

Nb、Ti微合金化成分设计及合理的控轧、正火工艺,保证了钢板的各项力学性能,低温韧性值超过标准要求,且富裕量较大。厚度方向性能钢板良好,远超过标准要求。力学性能见表2～4,系列温度冲击折线图见图1。

4.3 金相检验

取样做金相检验,金相检验项目及结果见表5。

表2 拉伸试验性能

表3 Z向性能

表4 系列温度冲击功

图1 V型系列温度冲击值折线图

表5 金相检验

4.4 试样断口扫描

抗层状撕裂拉伸试样断口扫描,见图2、图3所示。钢板试样断口较好,拉伸断口呈韧性断裂,韧窝较多,断面收缩率数值也较高。钢板厚度方向性能试验数值较高,均值达到60%以上,远大于GB/T 5313-2010厚度方向性能钢板指标要求。

5 结论

(1)港口机械用低合金厚钢板生产的关键技术在于提高钢水的纯净度,尽量减少钢中的夹杂物含量,减少铸坯缺陷,特别是中心偏析与缩孔缺陷。洁净钢冶炼工艺保证了大厚度钢板的内部质量,钢质的纯净度高,P、S等杂质元素含量低。(2)Nb、Ti微合金化成分设计及合理的控轧、正火工艺,保证了港口机械用低合金厚钢板的力学性能,低温韧性值超过标准要求,且富裕量较大。厚度方向性能钢板良好,远超过标准要求。

图2 抗层状撕裂试样断口

图3 抗层状撕裂试样断口

[1] 东 涛,傅俊岩.微铌处理钢的物理冶金[C]//.2002年全国低合金钢非调质钢学术年会论文集,2002.

Research and Development of High Strength Low Alloy Structure Steel Plate Q345E-Z35 for Port Machinery

ZHENG Xiangzeng

(Jinan Iron and Steel Group Corp.,Jinan 250101,Shandong,China)

The development process of Q345E-Z35 low alloy structure thick steel plates for port machinery were summed up in this paper.By analyzing the effect of chemical contents and inclusion on property,the measures for optimizing smelting and rolling process were made.The carbon equivalent and form and distribution of inclusion were controlled reasonably.On the condition of retaining the steel’s strength,the steel’s lamellar tearing resistant was improved.Plate quality and various properties all meet product specification.

lamellar tearing resistant,carbon equivalent,process optimization

TG142.41

A

1001-5108(2017)02-0017-03

郑香增,高级工程师,主要从事金属材料方面的研究。