張 華

（河鋼集團(tuán)宣鋼公司）

0 引言

耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼,通過添加少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni 等，使其在金屬基體表面上形成保護(hù)層，以提高耐大氣腐蝕性能的鋼[1]；可用于制造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結(jié)構(gòu)的低合金結(jié)構(gòu)鋼。目前我國輸電線路鐵塔使用經(jīng)過酸洗、表面鍍鋅等工藝加工后的角鋼作為原料，酸洗、鍍鋅工序能夠增加角鋼的耐腐蝕效果，但是會(huì)污染環(huán)境。耐候角鋼具有耐銹、使構(gòu)件抗腐蝕延長壽命、省工節(jié)能的特性，如果在輸電線路鐵塔中使用，可以取消酸洗、鍍鋅工序，以減少環(huán)境污染，符合國家發(fā)展需要。目前，雖然國內(nèi)生產(chǎn)耐候鋼板的廠家較多，但是還沒有熱軋生產(chǎn)耐候角鋼的生產(chǎn)廠家，在輸電線路鐵塔上推廣使用耐候型熱軋角鋼，不僅可以減少鐵塔用鋼消耗量，還能降低加工成本，大幅度減少環(huán)境污染，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義的工作，開發(fā)耐候角鋼市場(chǎng)前景廣闊。

宣鋼針對(duì)耐候角鋼市場(chǎng)調(diào)研，為進(jìn)一步擴(kuò)大角鋼品種,改善角鋼品種結(jié)構(gòu)，發(fā)揮型材生產(chǎn)線的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，確定開發(fā)耐候角鋼，以擴(kuò)充品種范圍，從而創(chuàng)造新的銷售點(diǎn)，拓寬銷售渠道，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 宣鋼型材生產(chǎn)線簡介

宣鋼型材生產(chǎn)線由中冶華天工程技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)完成，設(shè)計(jì)原則是采用國內(nèi)成熟可靠的先進(jìn)工藝技術(shù)與裝備，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力為70 萬t（具有80 萬t 年生產(chǎn)能力）。

全線共13 架軋機(jī)，由交流變頻電機(jī)單獨(dú)傳動(dòng)，其中粗軋機(jī)組由2架立輥軋機(jī)、2架平輥軋機(jī)和1架平立轉(zhuǎn)換軋機(jī)組成，前三架輥徑為Φ800 mm，后兩架輥徑為Φ700 mm；精軋機(jī)組由4架水平軋機(jī)和4架平立轉(zhuǎn)換軋機(jī)組成，輥徑均為Φ700 mm。1 ～3 架主電機(jī)功率 600 kW，4 ～9 架主電機(jī)功率900 kW，10 ～13 架主電機(jī)功率1 200 kW。所有軋機(jī)均為高剛度無牌坊短應(yīng)力線軋機(jī)。

軋線其他主要設(shè)備包括步進(jìn)式雙蓄熱汽化冷卻加熱爐1 座（爐子產(chǎn)量150 t/h，燃料為純轉(zhuǎn)爐煤氣）、高壓水除鱗裝置1 套、飛剪2 臺(tái)、步進(jìn)齒條式冷床1 座（床面名義尺寸20 m×96 m）、矯直機(jī)2 臺(tái)、成排臺(tái)架1 座、定尺冷鋸機(jī)3 臺(tái)、定尺機(jī)1 臺(tái)、改尺鋸1 臺(tái)、型鋼自動(dòng)碼垛機(jī)2 套。工藝流程如圖1 所示。

圖1 工藝流程

該生產(chǎn)線自2007 年投產(chǎn)以來，先后開發(fā)生產(chǎn)了8#～20#十二個(gè)規(guī)格的國標(biāo)、國網(wǎng)、南網(wǎng)角鋼及歐標(biāo)、美標(biāo)、日標(biāo)角鋼，產(chǎn)品尺寸、力學(xué)性能、表面質(zhì)量控制較好，均獲得用戶一致好評(píng)，技術(shù)人員和操作人員均已掌握了成熟的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)產(chǎn)品的開發(fā)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)思路

耐候鋼顧名思義其最重要的性能是耐大氣腐蝕，據(jù)了解，耐候鋼是在表面形成致密內(nèi)銹層,阻礙腐蝕介質(zhì)進(jìn)入基體, 而普通碳素鋼在表面形成的存在微裂紋的疏松銹層不利于對(duì)基體的保護(hù)。因此，耐候鋼的耐大氣腐蝕性能為普通碳素鋼的2 ～8 倍,并且使用時(shí)間愈長,耐蝕作用愈突出[2]。耐候鋼之所以具有良好的抗腐蝕能力和合金元素(Cu,Cr,Ni 等)有很大關(guān)系，因此耐候鋼與普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的重要區(qū)別就是兩者的合金成分及含量不同。

在耐候鋼成分設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮三個(gè)方面：一是耐大氣腐蝕性能；二是強(qiáng)度和韌性；三是焊接性能和成型性能[3]。

宣鋼根據(jù)客戶需求，開發(fā)生產(chǎn)了Q415NHB耐候用10#角鋼，用于出口巴西。結(jié)合GB/T 4171—2008 耐候結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)和前期開發(fā)Q355NHC 耐候角鋼的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，對(duì)Q415NHB耐候角鋼各成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到下述結(jié)論[2，4-6]：

C(碳):提高鋼的強(qiáng)度，降低韌性和焊接性。按GB/T 4171—2008 耐候結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求，C 含量控制在0.12%以下，冶煉方案按0.07%～0.12%控制。

Si (硅):和Cu、Cr、P 等元素配合使用，能夠改善耐大氣腐蝕性能，較高的Si 含量有利于細(xì)化銹層結(jié)構(gòu),從而降低鋼的整體腐蝕速率。按標(biāo)準(zhǔn)要求Si 含量控制在0.65%以下，冶煉方案按0.20%～0.65%控制。

Mn（錳）：稍有提高耐大氣腐蝕性能的能力，但也有學(xué)者認(rèn)為增加Mn 含量可以降低耐大氣腐蝕性能的能力。標(biāo)準(zhǔn)要求Mn 含量控制在1.1%以下，結(jié)合低合金高強(qiáng)度角鋼Q420B 的設(shè)定成分，Mn 含量按0.8%～1.1%控制。

Cu (銅): 提高耐大氣腐蝕性能最主要、最普遍使用的合金元素。在保證耐候性能上，Cu 的作用最大,P、Cr 次之。Cu 還能夠抵消S 的有害作用。Cu 的控制范圍較寬時(shí),冶煉參數(shù)比較容易控制。在鋼中加入0.2%～0.4%的Cu 時(shí), 無論在鄉(xiāng)村大氣、工業(yè)大氣或海洋大氣中,都具有較普碳鋼優(yōu)越的耐候性能，如進(jìn)一步提高Cu 含量容易引起銅脆。標(biāo)準(zhǔn)要求Cu 含量控制在0.2%～0.55%，因此Cu含量按0.2%～0.4%控制。

P(磷):合金元素中提高耐大氣腐蝕性能最有效的元素，可單獨(dú)使用，但一般與Cu、Cr 配合使用。P 有助于在鋼的表面形成均勻的銹層保護(hù)膜，但是P 的存在容易使鋼出現(xiàn)內(nèi)裂，而且還會(huì)惡化鋼的韌性,尤其是降低鋼的低溫沖擊韌性,一般P 含量在0.08%～0.15%時(shí)鋼的耐候性能最佳。當(dāng)P 與Cu配合加入鋼中時(shí),效應(yīng)好。標(biāo)準(zhǔn)要求Q415NHB 焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼的P 含量控制在0.025%以下。

Cr (鉻): 提高耐大氣腐蝕性能，但要與Cu、P、Si 等元素配合使用。Cr 能提高鋼的鈍化能力。耐候鋼中Cr 的含量一般為0.4%～1.0%，在標(biāo)準(zhǔn)要求Cr 含量控制范圍內(nèi)。

Ni (鎳):對(duì)耐大氣腐蝕性能有效的的元素，加入Ni 元素后能增加鋼的穩(wěn)定性。Ni 可提高Cu 固溶體的溶點(diǎn),在鋼中加入超過Cu 含量一半的Ni可改善軋制過程中Cu 引起的熱裂紋現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)要求Ni 含量控制在0.12%～0.65%，冶煉方案按0.15%～0.25%控制。

V（釩）：鋼中添加釩可以提高鋼的強(qiáng)度、改善鋼的韌性和塑性，改善鋼的工藝性能。釩通過細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化影響鋼的強(qiáng)度,結(jié)合低合金高強(qiáng)度角鋼Q420B 的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將Q415NHB 釩含量控制在0.02%～0.12%。

根據(jù)宣鋼的實(shí)際生產(chǎn)情況和角鋼軋制經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合耐候角鋼的特性，采取低C、Cu-Cr-Ni- V 微合金化的設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合國內(nèi)生產(chǎn)耐候鋼板的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和前期開發(fā)Q355NHC 耐候角鋼的經(jīng)驗(yàn)合理控制冶煉、軋制過程，保證成分的均質(zhì)性、穩(wěn)定性。

3 生產(chǎn)工藝

3.1 全工序生產(chǎn)流程

生產(chǎn)流程：鐵水預(yù)處理—冶煉—全程保護(hù)澆鑄—鋼坯加熱—控制軋制—冷卻—精整—標(biāo)識(shí)、入庫。

3.2 冶煉工藝

（1）鐵水要求：廢鋼要求干燥、潔凈, 不得混用不銹鋼、銅塊等。鐵水執(zhí)行煉鋼鐵水標(biāo)準(zhǔn)要求，廢鋼和生鐵塊執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）準(zhǔn)備Fe-Si、Si-Mn、鎳板、銅板、低碳鉻鐵、鋁錳合金、釩氮合金、釩鐵，強(qiáng)脫氧劑要求干凈、干燥，不得混料。

（3）煉鋼時(shí)向爐前合金工提供準(zhǔn)確的合金成分和所要求的數(shù)量。冶煉過程中控制好過程溫度和出站溫度，用鋁充分脫氧后加入鎳、鉻、銅合金，并控制好其收得率。鋼包出精煉位后進(jìn)行鈣處理，同時(shí)要保證足夠的軟吹時(shí)間。保證紅包出鋼，鋼包不得帶包底，透氣磚保證暢通；澆鋼過程中要求拉速穩(wěn)定,以保證鑄坯內(nèi)在質(zhì)量。

生產(chǎn)組織必須滿足工藝要求，合理控制生產(chǎn)節(jié)奏，以保證鑄坯質(zhì)量。

3.3 軋制工藝

宣鋼使用165 mm×165 mm×9.9 m 連鑄坯生產(chǎn)10#角鋼，開發(fā)前制定了詳細(xì)的工藝方案，專人負(fù)責(zé)原料質(zhì)量和工藝設(shè)施的抽查。重點(diǎn)對(duì)軋輥孔型加工質(zhì)量、軋機(jī)裝配質(zhì)量、導(dǎo)衛(wèi)開口度、矯直輥壓力設(shè)定等關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行檢查，并進(jìn)行記錄。用樣板卡量各架孔型，確保按照孔型圖加工；卡量各架軋機(jī)輥縫和導(dǎo)衛(wèi)開口度，確保按照軋制程序表中的設(shè)定參數(shù)控制。

原料斷面邊長允許偏差：±5.0 mm；對(duì)角線長度之差：≤7 mm。連鑄坯的彎曲度每米不得大于20 mm，總彎曲度不得大于100 mm。

原料表面質(zhì)量要求：連鑄坯表面不得有目視可見的重接、翻皮、結(jié)疤、夾雜，不得有深度大于2 mm 的裂紋，不得有深度或高度大于3 mm 的劃痕、壓痕、擦傷、氣孔、皺紋、冷濺、凸塊、凹坑。橫截面不得有影響使用的縮孔、皮下氣泡、裂紋。

因含銅鋼有熱加工敏感性問題，如加熱、軋制工藝不當(dāng)，易產(chǎn)生裂紋，因此加熱爐內(nèi)采用弱氧化行氣氛,嚴(yán)格控制加熱時(shí)間，盡量避開“銅脆”的臨界溫度(1 075 ～1 125 ℃),抑制銅在奧氏體晶界的富集[3]。采用兩階段軋制：在奧氏體再結(jié)晶溫度區(qū)采用高溫大壓下，粗軋道次采用21%～34%的壓下率，充分破碎連鑄板坯的晶粒，以獲得細(xì)小均勻的奧氏體晶粒，按照順軋制方向壓下率逐道減小。采用快燒、快軋的工藝制度。生產(chǎn)中專人跟蹤加熱、軋制過程，記錄關(guān)鍵工藝參數(shù)，為耐候角鋼穩(wěn)定生產(chǎn)做好數(shù)據(jù)積累。

關(guān)鍵溫度控制參數(shù)見表1。

表1 溫度制度

宣鋼角鋼采用的是不帶立軋孔的蝶式孔型系統(tǒng)，10#角鋼整個(gè)孔型系統(tǒng)包括箱形延伸孔型（K11 ～K8）、切分孔型（K7 ～K6）蝶式孔型（K5 ～K2）和成品孔型（K1），如圖2 所示。1#和13#軋機(jī)空過。

圖2 孔型系統(tǒng)

粗軋紅坯尺寸允許偏差±3 mm；精軋紅坯尺寸允許偏差±2 mm，成品尺寸執(zhí)行相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。軋制工藝參數(shù)見表2。

表2 軋制工藝參數(shù)

4 結(jié)果

4.1 成分

Q415NHB 熔煉成分控制范圍見表3。

表3 Q415NHB 成分%

結(jié)合客戶需求，宣鋼冶煉1 爐123 t Q415NHB，爐號(hào)140304795，取三個(gè)試樣進(jìn)行成分分析，連鑄坯熔煉成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.2 性能

軋制過程中，嚴(yán)格控制加熱溫度、料型尺寸等關(guān)鍵工藝參數(shù)，避水軋制，防止軋輥冷卻水噴濺到鋼表面，關(guān)閉冷床噴霧冷卻設(shè)施，采用空冷方式。合理控制軋制節(jié)奏，保證矯直溫度在100 ℃以下。

產(chǎn)品下線后，取8 個(gè)試樣檢測(cè)其力學(xué)性能。檢測(cè)數(shù)據(jù)分析情況見表4。

表4 Q415NHB 角鋼性能

從表3 可以看出，Q415NHB 角鋼的性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)度指標(biāo)略有波動(dòng)，其中屈服強(qiáng)度的極差為77 MPa，略微偏大；延伸率比較穩(wěn)定；V 型缺口沖擊功的極差略大。屈服強(qiáng)度比標(biāo)準(zhǔn)要求的富余量小，其他強(qiáng)度指標(biāo)均有一定的富余量。經(jīng)過檢查工藝記錄，初步分析，強(qiáng)度偏差較大的原因是軋制過程中，因不定時(shí)停機(jī)待軋，造成鋼坯在加熱爐的加熱時(shí)間不一致，部分鋼坯之間開軋溫度相差較大；另外，因早晚溫差大，冷卻速度不同，均可能造成強(qiáng)度極差較大，但因生產(chǎn)批量較少，后續(xù)需進(jìn)一步深入研究分析。

4.3 耐候指數(shù)

根據(jù)GB/T 4171—2008 《耐候結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的Legault- Leckie 公式檢測(cè)耐候角鋼的耐候性。耐大氣腐蝕指數(shù)越大，鋼的耐腐蝕性能越好。

耐大氣腐蝕性指數(shù)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

經(jīng)過計(jì)算，Q415NHB 角鋼的耐大氣腐蝕性指數(shù)在6.5 左右，而與Q415NHB 相應(yīng)級(jí)別的普通低合金角鋼Q420B 的耐大氣腐蝕性指數(shù)在1.5 左右，僅通過耐大氣腐蝕指數(shù)來看，Q415NHB 角鋼的耐候性明顯高于普通低合金角鋼，因客戶僅按照GB/T 4171—2008 《耐候結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，所以生產(chǎn)的產(chǎn)品滿足客戶需求，但后續(xù)研究者需通過將兩種材料在共同的環(huán)境中放置相同的時(shí)間，檢測(cè)分析了兩種材料具體的耐候性能。

4.4 成品質(zhì)量

抽測(cè)10#角鋼成品尺寸50 組數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析情況見表5,角鋼規(guī)格為100 mm×100 mm×10 mm×10 m。

表5 成品尺寸

從表5 可以看出，成品尺寸滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。產(chǎn)品表面光滑，無裂紋、折疊、結(jié)疤、氣泡、分層和夾雜，表面質(zhì)量符合GB/T706—2016 標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)規(guī)定。

4.5 金相組織

將拉伸試樣做金相分析（如圖5 所示），金相組織為鐵素體+珠光體，無異常組織，平均晶粒度7 級(jí)。

5 結(jié)論

（1）采取低C、Cu-Cr-Ni-V 微合金化的設(shè)計(jì)方案，成功開發(fā)生產(chǎn)了Q415NHB 耐候角鋼，產(chǎn)品表面良好，性能強(qiáng)度全部合格，質(zhì)量穩(wěn)定。

圖3 試樣的金相組織

（2）宣鋼耐候角鋼的成功開發(fā)，填補(bǔ)了耐候角鋼產(chǎn)品空白，進(jìn)一步擴(kuò)大了型材品種,改善了型鋼品種結(jié)構(gòu)，可增加型材生產(chǎn)線的訂單排產(chǎn)量，降低型材生產(chǎn)成本，進(jìn)一步開拓型鋼產(chǎn)品市場(chǎng)，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率和競(jìng)爭(zhēng)力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（3）開發(fā)過程中屈服強(qiáng)度的極差較大，最小值富余量不大，需進(jìn)一步優(yōu)化加熱、軋制工藝以穩(wěn)定產(chǎn)品性能。