張 華

(河鋼集團(tuán)宣鋼公司技術(shù)中心，河北 宣化 075100)

耐候鋼即耐大氣腐蝕鋼,通過(guò)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(guó)輸電線路鐵塔使用經(jīng)過(guò)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性，但是容易造成污染環(huán)境。耐候角鋼具有耐銹、使構(gòu)件抗腐蝕且延長(zhǎng)壽命、省工節(jié)能的特性，在輸電線路鐵塔中使用，可取消酸洗、鍍鋅工序，減少環(huán)境污染。目前國(guó)內(nèi)耐候鋼板生產(chǎn)較多，但缺少熱軋生產(chǎn)耐候角鋼的生產(chǎn)廠家。在輸電線路鐵塔上使用耐候角鋼，不僅可減少用鋼量，還能降低成本，大幅度減少環(huán)境污染，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義，開發(fā)市場(chǎng)前景廣闊。

宣鋼針對(duì)耐候角鋼進(jìn)行了市場(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)揮設(shè)備先進(jìn)優(yōu)勢(shì)，確定開發(fā)耐候角鋼。

1 宣鋼型材生產(chǎn)線簡(jiǎn)介

宣鋼型材生產(chǎn)線于2007年投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力為70萬(wàn)噸，開發(fā)生產(chǎn)了8#～20#十二個(gè)規(guī)格的國(guó)標(biāo)、國(guó)網(wǎng)、南網(wǎng)角鋼及歐標(biāo)、美標(biāo)、日標(biāo)角鋼。全線共13架軋機(jī)，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；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，均為高剛度無(wú)牌坊短應(yīng)力線軋機(jī)。工藝流程見圖1。

圖1 工藝流程圖

2 成分設(shè)計(jì)

耐候鋼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為普通碳素鋼的2～8倍,并且使用時(shí)間愈長(zhǎng),耐蝕作用愈突出[2]。耐候鋼的抗腐蝕能力和合金元素(Cu,Cr,Ni等)有很大關(guān)系。所以耐候鋼與普通低合金結(jié)構(gòu)鋼的重要區(qū)別就是合金的成分及含量不同。

在耐候鋼的成分設(shè)計(jì)上主要考慮三個(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)市場(chǎng)需求，先開發(fā)的鋼種是Q355NHC。結(jié)合GB/T 4171-2008耐候結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)查閱相關(guān)資料，對(duì)Q355NHC耐候角成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論[2、4-6]：

C(碳):提高鋼的強(qiáng)度，降低韌性和焊接性。按標(biāo)準(zhǔn)要求，C控制在0.16%以下。

Si (硅):和Cu、Cr、P等配合使用，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)要求控制在0.5%以下。

Mn(錳)：稍有提高耐大氣腐蝕性能的能力，但也有學(xué)者認(rèn)為增加錳含量降低耐大氣腐蝕性。標(biāo)準(zhǔn)要求Mn含量控制在0.5%～1.5%，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，Mn按1.0%～1.5%控制。

Cu (銅):是提高耐大氣腐蝕性最主要、最普遍使用的合金元素。在保證耐候性上，Cu的作用最大,P、Cr次之。Cu還能抵消S的有害作用。Cu的控制范圍較寬時(shí),冶煉參數(shù)易控制。在鋼中加入0.2%～0.4%的Cu時(shí), 無(wú)論在鄉(xiāng)村、工業(yè)或海洋大氣中,都具有較普碳鋼優(yōu)越的耐候性，如進(jìn)一步提高Cu含量易引起銅脆。標(biāo)準(zhǔn)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氣腐蝕性最有效的元素，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的存在易使鋼出現(xiàn)內(nèi)裂，而且它還會(huì)惡化鋼的韌性,尤其是降低低溫沖擊韌性,一般P含量在0.08%～0.15%時(shí)耐候性最佳。當(dāng)P與Cu配合加入鋼中時(shí),效果最好。標(biāo)準(zhǔn)要求焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼的P控制在0.030%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一般為0.4%～1%，標(biāo)準(zhǔn)要求Cr控制在0.4%～0.8%。

Ni (鎳):對(duì)耐大氣腐蝕性能有效的元素，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(guò)Cu含量一半的Ni可改善軋制過(guò)程中Cu引起的熱裂紋現(xiàn)象。標(biāo)準(zhǔn)要求Ni含量小于0.65%。

V(釩)：可以提高鋼的強(qiáng)度、改善韌性、塑性和工藝性能。釩通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化影響鋼的強(qiáng)度,結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，將釩控制在0.02%～0.12%。

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

3 Q355NHC耐候角鋼研發(fā)

3.1 開發(fā)準(zhǔn)備及操作要點(diǎn)

3.1.1 原料條件

(1)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)確的合金成份和所要求的數(shù)量。

3.1.2 冶煉及澆鑄

冶煉過(guò)程中控制過(guò)程溫度及出站溫度，用鋁充分脫氧后加入鎳、鉻、銅合金，并控制收得率。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(guò)程中穩(wěn)定拉速,保證鑄坯內(nèi)在質(zhì)量。

3.1.3 軋制

開發(fā)前制定工藝方案，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、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、記錄。

因含銅鋼有熱加工敏感性問(wèn)題，如加熱、軋制工藝不當(dāng)，易產(chǎn)生裂紋，因此加熱爐內(nèi)氣氛采用弱氧化行氣氛，嚴(yán)格控制加熱時(shí)間，盡量避開“銅脆”的臨界溫度(1075～1125 ℃),抑制銅在奧氏體晶界的富集[3]。采用快燒、快軋、高溫大壓下率的工藝制度。

3.2 第一次試生產(chǎn)

冶煉290噸Q355NHC耐候角鋼鋼坯，軋制10#角鋼，熔煉成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，成分見表1。

表1 成分 單位 ：%

適量添加釩元素，軋制6批角鋼，產(chǎn)品尺寸和表面質(zhì)量控制較好，但是屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度偏高，且僅有一批的抗拉強(qiáng)度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，冷彎試驗(yàn)有一批出現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象，斷后伸長(zhǎng)率有兩批不合格；沖擊吸收功遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)不合格批次做金相分析，從金相、電鏡圖片來(lái)看(如圖2所示)，組織中出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量(約12～25%)的帶狀貝氏體組織，電子顯微鏡下有一定數(shù)量的、長(zhǎng)度數(shù)十微米的橫向微裂紋分布，晶粒度7.5～8級(jí)。

圖2 金相、電鏡圖片(軋制方向)

第一次Q355NHC耐候角鋼試生產(chǎn)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是拉伸性能超標(biāo)；二是冷彎、沖擊性能不合格。經(jīng)過(guò)與Q355B、Q355C相比較，認(rèn)為碳當(dāng)量偏高是造成屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度偏高的原因，因?yàn)镼355B、Q355C的碳當(dāng)量一般控制在0.38～0.44，此次生產(chǎn)的Q355NHC碳當(dāng)量為0.50～0.55，后續(xù)考慮降低碳當(dāng)量。冷彎、沖擊性能不合格，直接原因?yàn)榻鹣嘟M織中出現(xiàn)異常貝氏體組織和電鏡下微裂紋，成因是相變過(guò)程受到了影響，分析后認(rèn)為是生產(chǎn)過(guò)程中冷卻不合適造成。后續(xù)需優(yōu)化成分、改進(jìn)生產(chǎn)工藝。

3.3 第二次試生產(chǎn)

針對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題，首先調(diào)整了熔煉成分，碳元素含量降低0.03%，錳元素含量降低0.3%，硅元素含量降低0.1%；另外調(diào)整了冷卻工藝，生產(chǎn)中避水軋制，防止軋輥冷卻水噴濺到鋼表面，同時(shí)關(guān)閉冷床噴霧冷卻。

冶煉102噸Q355NHC耐候鋼坯，軋制16#角鋼2批，軋區(qū)采用避水軋制，冷床上采取自然冷卻，矯直時(shí)鋼材表面溫度控制在100 ℃以下。產(chǎn)品尺寸和表面質(zhì)量控制較好，但是屈服強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)37-～29 MPa，抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)18～22 MPa，冷彎試驗(yàn)、斷后伸長(zhǎng)率、沖擊吸收功均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試樣做金相分析，金相組織為鐵素體+珠光體，無(wú)異常組織，平均晶粒度7級(jí)。

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為拉伸強(qiáng)度不足是由于成分偏低造成的，鑒于平均晶粒度等級(jí)偏低，釩元素能夠細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度。下一步將提高釩含量細(xì)化晶粒，提高鋼材強(qiáng)度。

3.4 第三次試生產(chǎn)

將釩提高0.03%，軋制工藝不變。冶煉軋制600噸Q355NHC 10#耐候角鋼。軋區(qū)避水軋制，冷床上自然冷卻，矯直溫度50 ℃以下。產(chǎn)品尺寸和表面質(zhì)量控制較好，性能指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。試樣做金相分析，金相組織為鐵素體+珠光體，無(wú)異常組織，平均晶粒度8級(jí)，見圖3。

圖3 金相圖片100X(軋制方向)

3.5 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)耐候角鋼耐候性。

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(guò)計(jì)算，Q355NHC角鋼耐大氣腐蝕性指數(shù)在6.5左右，而相應(yīng)級(jí)別的普通低合金角鋼Q355C的耐大氣腐蝕性指數(shù)在1.4左右，Q355NHC的耐候性明顯高于普通低合金角鋼。

4 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)了Q355NHC耐候角鋼，產(chǎn)品尺寸、表面質(zhì)量、成分及性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且耐候指數(shù)約高于普通低合金角鋼4倍，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

(2)采用高溫大壓下率、快燒、快軋的工藝制度，過(guò)程避水軋制，冷床上自然冷卻，合理控制冷卻過(guò)程，最終獲得合適性能指標(biāo)。

(3)宣鋼開發(fā)的耐候角鋼碳當(dāng)量較低，具有良好的焊接性能。

(4)耐候角鋼的成功開發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)大了宣鋼角鋼品種,改善了角鋼品種結(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。