Q355NHC耐候角钢的研发

张 华

(河钢集团宣钢公司技术中心，河北 宣化 075100)

耐候钢即耐大气腐蚀钢,通过添加少量的合金元素如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高耐大气腐蚀性能的钢[1]，可用于制造车辆、桥梁、塔架、集装箱等钢结构的低合金结构钢。目前我国输电线路铁塔使用经过酸洗、表面镀锌等工艺加工后的角钢作为原料，酸洗、镀锌工序能够增加角钢的耐腐蚀性，但是容易造成污染环境。耐候角钢具有耐锈、使构件抗腐蚀且延长寿命、省工节能的特性，在输电线路铁塔中使用，可取消酸洗、镀锌工序，减少环境污染。目前国内耐候钢板生产较多，但缺少热轧生产耐候角钢的生产厂家。在输电线路铁塔上使用耐候角钢，不仅可减少用钢量，还能降低成本，大幅度减少环境污染，具有显著经济效益和环保意义，开发市场前景广阔。

宣钢针对耐候角钢进行了市场调研，为进一步扩大角钢品种,改善角钢品种结构，发挥设备先进优势，确定开发耐候角钢。

1 宣钢型材生产线简介

宣钢型材生产线于2007年投产，年生产能力为70万吨，开发生产了8#～20#十二个规格的国标、国网、南网角钢及欧标、美标、日标角钢。全线共13架轧机，粗轧机组由2架立辊轧机、2架平辊轧机和1架平立转换轧机组成；精轧机组由4架水平轧机和4架平立转换轧机组成，均为高刚度无牌坊短应力线轧机。工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

2 成分设计

耐候钢最重要的性能是耐大气腐蚀，据了解，耐候钢是在表面形成致密内锈层,阻碍腐蚀介质进入基体, 而普通碳素钢在表面形成存在微裂纹的疏松锈层不利于对基体的保护。因此耐候钢的耐大气腐蚀性为普通碳素钢的2～8倍,并且使用时间愈长,耐蚀作用愈突出[2]。耐候钢的抗腐蚀能力和合金元素(Cu,Cr,Ni等)有很大关系。所以耐候钢与普通低合金结构钢的重要区别就是合金的成分及含量不同。

在耐候钢的成分设计上主要考虑三个方面，一是耐大气腐蚀性能；二是强度和韧性；三是焊接性能和成型性能[3]。

宣钢根据市场需求，先开发的钢种是Q355NHC。结合GB/T 4171-2008耐候结构钢标准，经查阅相关资料，对Q355NHC耐候角成分进行设计，得到如下结论[2、4-6]：

C(碳):提高钢的强度，降低韧性和焊接性。按标准要求，C控制在0.16%以下。

Si (硅):和Cu、Cr、P等配合使用，能够改善耐大气腐蚀性能，较高的Si含量有利于细化锈层结构,从而降低钢的整体腐蚀速率。按标准要求控制在0.5%以下。

Mn(锰)：稍有提高耐大气腐蚀性能的能力，但也有学者认为增加锰含量降低耐大气腐蚀性。标准要求Mn含量控制在0.5%～1.5%，结合经验，Mn按1.0%～1.5%控制。

Cu (铜):是提高耐大气腐蚀性最主要、最普遍使用的合金元素。在保证耐候性上，Cu的作用最大,P、Cr次之。Cu还能抵消S的有害作用。Cu的控制范围较宽时,冶炼参数易控制。在钢中加入0.2%～0.4%的Cu时, 无论在乡村、工业或海洋大气中,都具有较普碳钢优越的耐候性，如进一步提高Cu含量易引起铜脆。标准要求Cu控制在0.25%～0.55%，因此Cu按0.25%～0.4%控制。

P(磷):合金元素中提高耐大气腐蚀性最有效的元素，可单独使用，但一般与Cu、Cr配合使用。P有助于在钢的表面形成均匀的锈层保护膜，但是P的存在易使钢出现内裂，而且它还会恶化钢的韧性,尤其是降低低温冲击韧性,一般P含量在0.08%～0.15%时耐候性最佳。当P与Cu配合加入钢中时,效果最好。标准要求焊接结构用耐候钢的P控制在0.030%以下。

Cr (铬): 提高耐大气腐蚀性能，但要与Cu、P、Si等元素配合使用。Cr能提高钢的钝化能力。耐候钢中Cr一般为0.4%～1%，标准要求Cr控制在0.4%～0.8%。

Ni (镍):对耐大气腐蚀性能有效的元素，加入Ni元素后能增加钢的稳定性。Ni可提高Cu固溶体的溶点,在钢中加入超过Cu含量一半的Ni可改善轧制过程中Cu引起的热裂纹现象。标准要求Ni含量小于0.65%。

V(钒)：可以提高钢的强度、改善韧性、塑性和工艺性能。钒通过细晶强化和沉淀强化影响钢的强度,结合生产经验，将钒控制在0.02%～0.12%。

根据宣钢实际生产情况和角钢轧制经验，结合耐候角的特性，采取低C、Cu-Cr-Ni-V微合金化的设计方案，并结合国内生产耐候钢板的生产经验合理控制冶炼、轧制过程，保证成分的均质性、稳定性。

3 Q355NHC耐候角钢研发

3.1 开发准备及操作要点

3.1.1 原料条件

(1)铁水执行炼钢铁水标准要求，废钢和生铁块执行相关标准要求。

(2)准备Fe-Si、Si-Mn、镍板、铜板、低碳铬铁、铝锰合金、钒氮合金、钒铁，强脱氧剂要求干净、干燥，不得混料。

(3)炼钢时向炉前合金工提供准确的合金成份和所要求的数量。

3.1.2 冶炼及浇铸

冶炼过程中控制过程温度及出站温度，用铝充分脱氧后加入镍、铬、铜合金，并控制收得率。钢包出精炼位后进行钙处理，同时要保证足够的软吹时间。保证红包出钢，钢包不得带包底，透气砖保证畅通；浇钢过程中稳定拉速,保证铸坯内在质量。

3.1.3 轧制

开发前制定工艺方案，专人负责原料质量和工艺设施的抽查。重点对轧辊孔型加工、轧机装配质量、导卫开口度、矫直辊压力设定等关键控制点进行检查、记录。

因含铜钢有热加工敏感性问题，如加热、轧制工艺不当，易产生裂纹，因此加热炉内气氛采用弱氧化行气氛，严格控制加热时间，尽量避开“铜脆”的临界温度(1075～1125 ℃),抑制铜在奥氏体晶界的富集[3]。采用快烧、快轧、高温大压下率的工艺制度。

3.2 第一次试生产

冶炼290吨Q355NHC耐候角钢钢坯，轧制10#角钢，熔炼成分满足标准要求，成分见表1。

表1 成分 单位 ：%

适量添加钒元素，轧制6批角钢，产品尺寸和表面质量控制较好，但是屈服强度、抗拉强度偏高，且仅有一批的抗拉强度在标准范围内，冷弯试验有一批出现脆性断裂现象，断后伸长率有两批不合格；冲击吸收功远低于标准要求。

对不合格批次做金相分析，从金相、电镜图片来看(如图2所示)，组织中出现了相当数量(约12～25%)的带状贝氏体组织，电子显微镜下有一定数量的、长度数十微米的横向微裂纹分布，晶粒度7.5～8级。

图2 金相、电镜图片(轧制方向)

第一次Q355NHC耐候角钢试生产出现两个问题：一是拉伸性能超标；二是冷弯、冲击性能不合格。经过与Q355B、Q355C相比较，认为碳当量偏高是造成屈服强度、抗拉强度偏高的原因，因为Q355B、Q355C的碳当量一般控制在0.38～0.44，此次生产的Q355NHC碳当量为0.50～0.55，后续考虑降低碳当量。冷弯、冲击性能不合格，直接原因为金相组织中出现异常贝氏体组织和电镜下微裂纹，成因是相变过程受到了影响，分析后认为是生产过程中冷却不合适造成。后续需优化成分、改进生产工艺。

3.3 第二次试生产

针对出现的问题，首先调整了熔炼成分，碳元素含量降低0.03%，锰元素含量降低0.3%，硅元素含量降低0.1%；另外调整了冷却工艺，生产中避水轧制，防止轧辊冷却水喷溅到钢表面，同时关闭冷床喷雾冷却。

冶炼102吨Q355NHC耐候钢坯，轧制16#角钢2批，轧区采用避水轧制，冷床上采取自然冷却，矫直时钢材表面温度控制在100 ℃以下。产品尺寸和表面质量控制较好，但是屈服强度低于标准37-～29 MPa，抗拉强度低于标准18～22 MPa，冷弯试验、断后伸长率、冲击吸收功均满足标准要求。试样做金相分析，金相组织为铁素体+珠光体，无异常组织，平均晶粒度7级。

经过分析，认为拉伸强度不足是由于成分偏低造成的，鉴于平均晶粒度等级偏低，钒元素能够细化晶粒，提高强度。下一步将提高钒含量细化晶粒，提高钢材强度。

3.4 第三次试生产

将钒提高0.03%，轧制工艺不变。冶炼轧制600吨Q355NHC 10#耐候角钢。轧区避水轧制，冷床上自然冷却，矫直温度50 ℃以下。产品尺寸和表面质量控制较好，性能指标满足标准要求。试样做金相分析，金相组织为铁素体+珠光体，无异常组织，平均晶粒度8级，见图3。

图3 金相图片100X(轧制方向)

3.5 耐候指数

根据《GB/T 4171-2008 耐候结构钢》标准中规定的Legault-Leckie 公式检测耐候角钢耐候性。

耐大气腐蚀性指数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

经过计算，Q355NHC角钢耐大气腐蚀性指数在6.5左右，而相应级别的普通低合金角钢Q355C的耐大气腐蚀性指数在1.4左右，Q355NHC的耐候性明显高于普通低合金角钢。

4 结论

(1)采取低C、Cu-Cr-Ni-V微合金化的设计方案，成功开发了Q355NHC耐候角钢，产品尺寸、表面质量、成分及性能均满足标准要求，且耐候指数约高于普通低合金角钢4倍，产品质量稳定。

(2)采用高温大压下率、快烧、快轧的工艺制度，过程避水轧制，冷床上自然冷却，合理控制冷却过程，最终获得合适性能指标。

(3)宣钢开发的耐候角钢碳当量较低，具有良好的焊接性能。

(4)耐候角钢的成功开发，进一步扩大了宣钢角钢品种,改善了角钢品种结构，可增加型材生产线的订单排产量，降低型材生产成本，进一步开拓型钢产品市场，提高产品的市场占有率和竞争力，具有显著的经济效益和社会效益。