（材料学专业论文）钒氮微合金化高强度厚壁h型钢工艺技术研究.pdf

钢铁研究总院2 0 0 8 年博士研究生论文 摘要 本文采用有限元温度场模拟、v - n 微合金化热模拟和实验室轧制模拟相结 合的方法，研究了高强度厚壁h 型钢的性能，提出了“精确控制形变工艺+ v r n 微合金化+ t m c p 技术相结合生产高强度厚壁h 型钢的技术新思路，并在工 业生产中得到了验证。利用大型有限元软件对控制轧制过程中温度场变化情况 进行了模拟计算，探讨了半连续生产线上h 型钢在控制轧制过程中截面温度场 的分布及连续温度场的变化；通过热模拟技术研究了v n 析出对力学性能的影 响以及形变对v n 析出的促进作用；根据v n 的析出强化特性，将整个轧制过 程分为高温形变和低温形变两个阶段，并在实验室轧机上研究了形变对v - n 微 合金化钢轧后力学性能的影响；采用工业生产方法，验证了本研究获得的结果 的可靠性。 研究首次发现：通过精确控制形变工艺可以提高h 型钢性能、减小截面性 能的不均匀性。在控制轧制过程中，厚壁h 型钢横截面的温度分布是不均匀的， 内、外面之间存在温度差，且不均匀程度随着轧制道次的增加而趋于减小，不 均匀温度的存在对生产过程控制和产品的截面性能均匀性有较大影响。形变可 以促进试样在高温阶段反复再结晶，并加快v ( c ，n ) 粒子在低温阶段的析出。当 高温阶段形变率大于5 0 时，可促进动态再结晶的发生，细化原始奥氏体晶粒； 当低温阶段形变率大于1 5 时，可促进v ( c ，n ) 粒子的析出，增加晶内铁素体的 生核。依此形变规律进行的工业验证结果显示：厚壁h 型钢性能得到提高，截 面性能不均匀性得到明显改善。 研究发现：v - n 微合金化技术是改善厚壁h 型钢截面性能均匀性的重要手 段。通过采用v - n 微合金化技术，轧制后试样的晶粒尺寸得到了细化。轧后空 冷的h 型钢中发现有第二相粒子v ( c ，n ) 的析出，粒子主要分布在基体铁素体中， 一部分弥散分布在珠光体片层间的铁素体内、晶界及位错上，同时还存在少量 相间析出。析出的第二相粒子尺寸细小，分布均匀，在轧后空冷过程中成为相 变初期晶内铁素体的异质形核核心，或者起到钉扎晶界、钉扎位错的作用，细 化晶粒。v ( c ，n ) 粒子的析出特点是：从翼缘边部到r 角处逐渐增加，析出粒子 的平均尺寸逐渐减小，r 角处析出粒子最多。v ( c ，n ) 的析出量不同对基体产生 的析出强化作用也不同，在r 处的析出强化作用相对最为显著，在一定程度上 弥补了温度场的不均匀分布所造成的性能损失。 综合研究结果发现，采用“精确控制形变工艺+ v - n 微合金化+ t m c p 技术 相结合的复合技术，可有效提高厚壁h 型钢的轧后力学性能，改善截面组织和 性能的不均匀性，弥补形变量不足带来的性能损失，是开发高性能厚壁h 型钢 产品的有效途径。 关键词：厚壁h 型钢，数值模拟，再结晶，v ( c ，n ) ，形变工艺 l a b s t r a c t t h ep r o p e r t i e so fd o m e s t i ch i g hs t r e n g t hh e a v y - s e c t i o nh - b e a mw e r es t u d i e d b yu s i n gn u m e r i c a lm o d e l i n g ，t h e r m a ls i m u l a t i o na n dd e f o r m a t i o nm o d e l i n g m e t h o d s ，a n dp r e s e n t e dan e wi d e at op r o d u c eh i g hs t r e n g t hh e a v y - s e c t i o nh b e a m ， w h i c hc o m b i n e st h ed e f o r m a t i o np r o c e s sw i t h m i c r o a l l o y i n gt e c h n o l o g yw i t h e l e m e n t sva n dna n dt m c pt e c h n i q u e , a n dt h ei d e aw a st e s t e da n dv e r i f i e di n i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n s i m u l a t i n gc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dd u r i n gc o n t r o l l e d r o l l i n gw a sd o n eu s i n ga n s y s l s d y n ac o m m e r c i a ls o f t w a r e ，d i s c u s s e dt h e d i s t r i b u t i o na n dt r a n s f o r m i n go f t e m p e r a t u r ef i e l di nm i d d l es e c t i o nd u r i n gc o n t r o l l e d r o l l i n go fh b e a mo ns e m i c o n t i n u o u sp r o d u c t i o nl i n e t h et h e r m a ls i m u l a t i o nw a s u s e dt os t u d yt h ei m p r o v i n go fd e f o r m a t i o no nv - na l l o yt op r e c i p i t a t e t h ew h o l e r o l l i n gp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t ot w os t e p so fh i g ha n dl o wt e m p e r a t u r e d e f o r m a t i o nw h i c hw a sb a s e do nt h ep r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i z eo fv - n a l l o y , a n dt h e e f f e c to fd e f o r m a t i o no na f t e r - r o l l i n gp r o p e r t i e sw a ss t u d i e do ne x p e r i m e n t a lr o l l i n g m i l l s t h er e l i a b i l i t yo ft h ea b o v er e s u l t sw a st e s t e db yi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h e r ew a san e wd i s c o v e r yi nt h er e s e a r c h ：t h eo p t i m a ld e f o r m a t i o nl a ww a s a ni m p o r t a n tm e t h o dt oi m p r o v eh - b e a mp r o p e r t i e sa n dr e d u c et h ei n h o m o g e n e i t yo f s e c t i o np r o p e r t i e s d u r i n gt h er o l l i n gp r o c e s s ，t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f i n t e r n a l - e x t e m a la n dc r o s s - s e c t i o no fh b e a mw a s i n h o m o g e n e o u s a n dt h ed e g r e eo f i n h o m o g e n e o u sw o u l dr e d u c ew i t ht h ei n c r e a s i n go fr o l l i n gp a s s e s ，w h i c hh a da w i d e re f f e c to np r o d u c t i o nc o n t r o l l i n ga n dt h es e c t i o nh o m o g e n e o u so ff i n a lp r o d u c t s d e f o r m a t i o nc o u l di m p r o v er e p e a t e dr e c r y s t a l l i z a t i o ni nh i 【g ht e m p e r a t u r es t a g ea n d a c c e l e r a t et h ep r e c i p i t a t i o no fv ( c ，n ) i nl o wt e m p e r a t u r es t a g e w h e ni tw a sl a r g e r t h a n5 0 i nh i g ht e m p e r a t u r es t a g e ，t h ed e f o r m a t i o nr a t ec o u l di m p r o v ec o n t i n u o u s d y n a m i cr e c r y s t a l l i z a t i o na n dr e d u c ep r i o ra u s t e n i t eg r a i ns i z e w h e ni tw a sl a r g e r t h a n15 i nl o wt e m p e r a t u r es t a g e , i tc o u l di m p r o v et h ep r e c i p i t a t i o no fv ( c ，n ) a n d n u c l e a t i o no fi n t r a g r a n u l a rf e r r i t e t h ei n d u s t r i a lt e s t e dr e s u l t sw h i c hf c l l l o w e dt h e d e f o r m a t i o nl a ws h o w e dt h a t ，t h ep r o p e r t i e so fh e a v y - s e c t i o nh b e a ma n dt h e i n h o m o g e n e o u so fs e c t i o nc o u l db ei m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h er e s e a r c hs h o w e dt h a tv - n m i c r o a l l o y e dt e c h n i q u ei sa ni m p o r t a n tm e t h o d t oi m p r o v i n gt h es e c t i o np r o p e r t i e so f h e a v y - s e c t i o nh b e a m w i t hw h i c ht h eg r a i n s i z er e d u c e da f t e rr o l l i n ga n dm o r ev ( c ，n ) p r e c i p i t a t e di n a i rc o o l i n gh b e a m t h e p a r t i c l e sw e r em a i n l yd i s t r i b u t e di nf e r r i t e ，s o m ew e r eb e t w e e np e r l i t e ，s o m ew e r eo n g r a i nb o u n d a r ya n dd i s l o c a t i o na n dt h e r ew a sa l s oaf e wi n t e r - p h a s ep r e c i p i t a t i o n t h ep a r t i c l e ss i z ew e r ev e r ys m a l la n dd i s t r i b u t e dh o m o g e n o u s l y , w h i c hb e c a m et h e i l 塑堡婴窒璺堕一三竺旦堡堕主婴望警 h e t e r 0 p 霉n yn u c l e a t eo fi n t e r g r a n u l a rf e r r i t eo ne a r l ys t a g eo f t r a n s f o r m a t i o nd u n n g a i rc o o l i n ga f t e rr o l l i n g , w h i c hc o u l dr e d u c eg r a i ns i z e t h ep r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e n z e o fv ( c ，n ) w a st h a t ，t h ev ( c n ) p r e c i p i t a t e d a tt h ers i t ep r o d u c eb e t t e r s t r e n g t h e n i n ge f f e c tt h a nt h a ta tt h ef l a n g ee d g ea n dt h i ss t r e n g t h e n i n ge n e c t c a l l c o m p e n s a t e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s f o ral o s sc a u s e db y t h e t e m p e r a t u r e i n h o m o g e n e o u si ns o m ed e g r e e a c c o r d i n gt o t h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，i tc a nb es e e nt h a to p t i c a l d e f o m a t i o np r o c e s sa i l dm i c r o a l l o y i n gt e c h n o l o g yw i t hv a n dnc o m b i n i n gt m c p c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h ei n h o m o g e n e i t yo fm i e r o s t r u c t u r e s a n dm e c h a n i c a i p 删) e n i e sa ts e c t i o na n di n c r e a s es t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，r e m e d yt h ep r o p e r t y 如s s m d eb ys h o n a g eo fd e f o r m a t i o nr a t e , w h i c hi sa ne f f e c t i v ew a y t od e v e l o pb e t t e r p r o p e r t yh e a v y - s e c t i o nh - b e a m p r o d u c t s k e yw o f d s ：h e a v y - s e c t i o nh b e a m ；n u m e r i c a lm o d e l i n g ；r e c r y s t a l l i z a t i o n ；v ( c ，n ) ； d e f o r m a t i o np r o c e s s 1 1 1 钢铁研究总院2 0 0 8 年博士研究生论文 第一章文献综述 1 1 引言 目前我国建筑结构体系仍以砌体结构和钢筋混凝土结构为主，国外极为普 及的钢结构建筑正逐步兴起。砌体结构取材方便、造价低廉，但粘土砖消耗土 地资源、毁坏农田、破坏自然环境，同时抗震性能很差；钢筋混凝土结构应用 广泛、技术成熟，但现场支模、绑扎钢筋、湿作业、噪声等问题难以克服，且 施工周期长。而钢结构建筑抗震性能好，构件强度高、自重轻，可以减少基础 工程量、降低基础造价，同时钢结构建筑跨度大，结构占用面积小、使用面积 大，且建筑施工周期短，大部分构件实现干法施工，噪音低，施工现场环境易 于保证、便于环境保护等，是国外建筑极为普及的绿色环保材料【l 】。尤其是近 几年来世界钢铁总量的增加，促使各国拓展钢结构使用范围，在钢材总消耗中， 钢结构建筑用钢的比例明显提高，最高达3 0 左右，以美国为例，2 0 0 6 年钢结 构在房屋中的使用率就已达5 2 。钢结构建筑中采用的主要钢材品种见表1 1 。 表1 1 钢结构建筑主要钢材晶种表 序号结构类型主要钢材品种 1高层和重型钢结构 大跨、空间结构 轻钢结构 组合结构 钢结构住宅 中厚板( 特厚) 、h 型钢、大型方矩管、圆管、镀锌板、 彩涂板等 圆管( 无缝、焊接) 、中板、大型方矩管、h 型钢、厚板、 镀锌板、彩涂板、钢绞线、高强钢丝、钢棒等 中板、h 型钢( 中、小) 、镀锌板、彩涂板、冷弯型钢、 圆管、方矩管等 大型圆管( 焊接) 、h 型钢、中板、方矩管、镀锌板、彩 涂板等 h 型钢、圆管( 焊接) 、中板、方矩管、镀锌板、彩涂板、 冷弯型钢等 6 配套用连接材料如铸钢件、各类焊材( 焊丝、焊条) 、高强螺栓、栓钉等 注：不包含各类建筑中使用的线材、螺纹钢筋及其他建筑材料1 2 j 钢结构产业的发展与我国经济发展水平和速度相关，我国成为世界钢产量 大国后，国家对钢结构的政策导向也开始从节约用钢、合理用钢向鼓励用钢转 变，这为钢结构产业发展提供了有利保证。2 0 0 5 年我国钢材产量为3 7 1 1 7 万吨， 其中型材产量3 4 1 2 万吨，占钢材总量的9 2 ，热轧h 型钢产量为4 5 0 万吨， 仅占钢材总量的1 2 。据统计资料报道，欧洲、日本等发达国家热轧h 型钢的 消费量占钢材总量的4 8 ，随着2 0 0 6 年马钢中型、莱钢大型、津西大型以及 长治中型等h 型钢生产厂的相继投产和达产，2 0 0 6 年国内热轧h 型钢产品的生 钢铁研究总院2 0 0 8 年博士研究生论文 产能力将达到7 5 0 万吨1 3 】，h 型钢的应用和发展具有广阔的前景。 1 2h 型钢产品特点 h 型钢又名宽缘工字钢，是由普通工字钢发展起来的，和同规格工字钢相 比，其断面积的分配更合理、更优化，在国外发达国家，h 型钢消费量占工字 钢生产总量的8 0 以上，而在我国h 型钢生产和应用则发展较为缓慢，h 型钢 的主要特点如下【4 。5 】： 翼缘内侧无斜度，翼缘两表面相互平行，便于机械加工、结构连接和安装， 且易于拆除和再利用，可加快工程施工速度，并且有效保护环境； 翼缘宽，侧向刚度大，热轧h 型钢的高宽比可达到l ，甚至略小于l ，其绕 弱轴的刚度显著增加，和同系列的工字钢相比，即使是h n 系列，翼缘宽度 也较同规格工字钢大5 0 m m 左右，可以更合理地用于受压构件； 与焊接h 型钢相比，热轧h 型钢是一次成型产品，截面尺寸准确，精度高 且不需校正工序，制造成本低；焊接h 型钢由三块板焊接组合而成，其截 面尺寸、形状准确性低，且由于焊接变形，在成型中一般采用防形变措施及 校正工序，加工费用高。 由于优越的结构性能，热轧h 型钢被广泛应用于各个领域，如，民用建筑 钢结构中的梁和柱，工业建筑钢结构中的承重支架、管道支架、运输桥支架， 矿井中的支架及高炉炉体框、工业楼盖梁，地下工程中的钢桩及支护结构，石 油化工及电力行业中的工业设备支架，大跨度钢桥构件和海上石油平台等以及 机械设备制造、车辆及船舶制造、高架桥建造、抗震防火等临时建筑等。主要 钢种是普通碳素结构钢及低合金钢，根据其应用需要，还开发有石油平台用钢、 铁道车辆用钢及耐火钢等专用钢种。 1 3h 型钢的发展 随着生产工艺技术的进步，h 型钢获得了迅速的发展。最初的工字钢生产 大多采用两辊或三辊孔型法轧制，为满足生产工器具的强度要求及生产脱槽需 要，孔型切槽浅且内侧带有l ：6 的斜度，所生产的工字钢翼缘窄，基本在1 5 0 m m 以下，不适合作承受纵向弯曲的柱型或桩型建筑构件，同时内侧面斜度使钢结 构在安装、使用时需要增加辅助垫板，限制了工字钢的推广使用。1 8 5 0 - , - , 1 8 6 0 年间，技术人员研究采用两个水平辊和一对立辊组成孔型，进行宽翼缘工字钢 的生产，由于该生产工艺避免了孔型切槽问题，生产的工字钢翼缘宽，且内侧 平直，具有很大的使用优势。1 9 0 2 年，卢森堡阿尔贝德厂就建造了第一台万能 轧机生产线，在这之后，世界上许多国家也相继建造了万能轧机生产宽翼缘工 字钢产品，因其外形更接近英文字母“h ”，此类宽翼缘工字钢产品被命名为“h 钢铁研究总院2 0 0 8 年博士研究生论文 型钢”，并在1 9 5 8 年形成第一个标准化系列i p e ，开始规模生产【6 1 。 我国在2 0 世纪8 0 年代开始进行万能轧机及h 型钢生产工艺的研究【卜9 】， 1 9 9 8 年，国内第一条真正意义上的热轧h 型钢生产线在安徽马鞍山建成，h 型 钢产品一投入国内市场，就立即显示出普通工字钢无法比拟的优良使用性能， 使其在工业建筑和民用建筑上获得了广泛的应用，国内年消费量由1 9 9 9 年的不 足万吨，增长到2 0 0 6 年的近6 0 0 万吨，h 型钢产品迅速得到国内各建筑领域的 青睐，产品普及很快。为满足快速增长的市场需求，目前国内已建或在建万能 轧机生产线已增加到1 4 条以上。 研究国外h 型钢的生产也发展很快。上世纪7 0 年代，日本关于h 型钢的 研究主要集中在h 型钢外形的控制上，包括：外宽一定的h 型钢的开发、u e 轧机的开发等 1 0 1 3 ，而近年来，日本建筑物一直向超高层和大空间方向发展， 为此，对建筑用钢材提出了高强度和大断面的要求 1 4 - 1 5 。1 9 9 7 年，川崎制铁 公司被日本建设省批准生产5 9 0 m p a 级高强度建筑钢材，川崎制铁公司采取调 整钢的化学成分和控制组织的方法，即采用超低碳贝氏体钢，并添加c u 元素， 利用其析出硬化提高钢材强度，开发出在轧制状态下交货的5 9 0 m p a 级高强度 特厚h 型钢 1 6 2 0 】。而在上个世纪9 0 年代，英国l a e o m b i 厂使用板坯原料、 微合金化及控制轧制技术，成功地开发了h 1 0 0 0 m m x 3 0 0 m m 的超大规格h 型钢 产品，命名为“j u m b o ”。这些超级h 型钢的开发，虽然目前在生产批次及数量 上仍不是很大，但依然代表了今后h 型钢的一种发展趋势。 1 4 国内h 型钢的发展 1 4 1 产品研制 国内h 型钢工艺技术研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前，主要以理论研 究为主，以东北大学为代表的一些科研院校对h 型钢万能轧制变形机理进行了 一些理论上的探讨【2 1 3 4 1 ，但研究以实验室模拟为主，缺乏大生产数据的支撑。 1 9 9 8 年以后，国内第一条热轧h 型钢生产线投产，在以马钢为代表的企业推动 下【3 “1 1 ，h 型钢生产工艺、品质保证等方面的研究迅速增加，主要集中在常规 产品外形尺寸的开发及一些有特殊要求的专用h 型钢上，对厚壁h 型钢内在性 能的研究工作相对较少。随着国内h 型钢市场的初步形成，各项研究工作的深 入，市场对h 型钢产品外形尺寸、内在性能方面提出了更高的需求。 1 ) 外形和尺寸 做为钢结构用材的重要组成部分之一，h 型钢产品具有品种多、规格多的 特点，仅马钢就已经开发各种型号h 型钢2 0 0 多个，在h 型钢产品刚刚投放国 内市场初期，产品外形和尺寸需求主要集中在h n 4 0 0 、h w 2 0 0 等中型规格上( 见 钢铁研究总院2 0 0 8 年博l ：研究生沦文 表12 ) ，主要用于钢结构的粱，祷代原有的工宁钢及普通焊接件，随着i h 场对 h 型钢产品接受程度的提高以及我幽国民经济的发展，大型h 型钏用量迅速增 加，尤其对。些边缘产品，如超大规格、厚壁规格和轻型薄壁规格h 型钢的需 求迓年r 升。 从国内l h 场分析，这此高强度厚鹫h 型钢产品率要用十高层建筑基础承重 柱及下部结构柱( 在高层建筑用钢中约占4 0 以上的h 龟) ，川时在大型铁路桥 梁等处电作为重要结构件使用。随着国内割结构产业的发展，高强度厚壁h 型 铡产品的用量将连步增加，如：上海浦东金融中心，全高4 6 0 m ，主要采用铡结 构漫计，h 型钢用量占总钢材用量的4 0 一6 0 左右，其中又以太规格枉型 h w 4 0 0 系列桩居多：国内目前6 4 m 跨度的铁路桥，仅4 6 0 m m x 4 6 0 m m 构件的 h 型钢需求量就占总重的6 0 一7 0 ，凼国内生产j 无法生产而多被焊接h 型钢 代替。随着建筑物的高层化、大跨度化及铁路太跨度桥粱的建设，厚壁h 型制 的r h 场将越来越广阔。 戒12 大冲，小规格h l g 钢分类 分类小削格中规格人规格 垭格 i 州 3 0 0 x 1 7 5 4 0 0 2 0 0 e 规格型号按g b 11 1 2 6 3 2 0 0 5 。 豳小规格中规格口大舭格 图1 1 2 1 内在性能 马钢2 0 0 2 年1 月- 2 0 0 7 年1 0 月h 型钢再规格产付比例 近年米随着h 型钢使用量的上升，用，、对产品内在性能方面提出吾种业 化蛭求例如：海洋也油3 p 台专用h 型钢要求2 0 。c 横向冲击功， 3 4 j ；铁道车 钢铁研究总院2 0 0 8 年博+ 研究生论文 辆专用h 型钢要求4 0 。c 纵向冲击功 t 5 8 3 j ；耐火h 型钢要求添加适量的c u 和 p 等。内在性能附加要求最主要还是集中在强度上，如香港市场大规模采用的 5 5 c 产品系列，屈服强度要求 ，4 4 0 m p a t 4 2 4 3 1 。h 型钢的力学性能要求见表1 3 。 表1 3 高品质h 型钢内在性能一览表 序 牌号 性能要求 用途 号 r e l ( m p a )p a n ( m p a )a ( ) a k v ( j ) 2 7 ( o c ) ， 1s m 4 0 0 b ( t )2 4 54 0 0 5 1 01 8 铁道车辆 5 8 3 ( - 4 0 ) 2s m 4 9 0 y b3 6 54 9 0 6 l o1 5 i 3 4 ( - 2 0 。c ，横向)海洋石油平台 3b s 5 0 c3 5 54 9 0 6 4 02 0 2 7 ( 0 ，纵向)出口h 型钢 4b s 5 5 c4 4 05 5 0 7 0 01 9 2 7 ( o c ，纵向)出口香港h 型钢桩 5 s 2 7 5 s 3 5 5 j 0 3 5 54 9 0 5 6 02 22 7 ( 0 ) 出口欧洲h 型钢 6m g f r 4 9 0 b3 4 54 8 02 42 1 ( - 4 0 ) 耐火h 型钢 随着国内经济的迅猛发展，国家的钢结构产业政策发生了很大变化，从节 约用钢、合理用钢转变到鼓励用钢。高层建筑、大型工业厂房、大型地下工程 支护及各种基建工程h 型钢用量将大幅上升，大跨度公路、铁路桥梁建设也逐 步兴起，今后翼缘厚度2 8 r n m 以上规格的厚壁h 型钢用量还会进一步上升。2 0 0 6 年国内多条h 型钢生产线相继投产，中d , 规格、常规h 型钢产品市场将趋于饱 和，高强、厚壁h 型钢市场的需求将进一步增加，厚壁h 型钢的生产将越来越 受到人们的青睐，因此，厚壁h 型钢生产工艺的研究迫在眉睫。 1 4 2 国内h 型钢工艺的发展 到2 0 0 6 年我国共有h 型钢生产线1 4 条，其中己建生产线1 1 条，设计能 力为年产7 5 0 万吨，在建生产线有3 条，设计能力有2 6 0 万吨，1 4 条生产线从 轧机布置形式上可分为：全连续和半连续两种类型，但其生产工艺流程基本类 似【4 4 舶】，一般为：连铸坯一冷装堆存( 或热装) 一上料一入炉辊道一称重一步 进式加热炉一高压水除鳞一粗轧机开坯轧制一热锯机( 或火焰切割机) 切头一 万能精轧机组轧制一热锯机或飞剪分断、切头尾一步进式冷床冷却一矫直机矫 直- - - 车l 件成排收集一冷锯机锯切定尺一定尺轧件检查、标识收集一堆垛、打捆 一称重一收集台架收集成品轧件一成品入库。 h 型钢轧机的坯料通常选用异型连铸坯、方坯和矩形坯，大规格h 型钢一 般采用异型坯，对于一些超大规格h 型钢，国外一些厂家也采用板坯为原料。 随着异型坯连铸技术的不断发展，为提高生产效率，异型坯腰部及边部厚度逐 渐减薄，从开始的1 3 5 m m - - 1 2 0 m m 逐渐减薄到9 0 m m - - 5 0 m m 。异型坯厚度的 钢铁研究总院2 0 0 8 年博十研究生论文 减薄意味着连铸坯在轧机上的变形量减少，虽然可减少变形道次，缩短轧制时 间，降低能耗，节约生产时间，提高轧机作业率，但却提高了对铸坯内在质量 的要求。尤其在生产厚壁h 型钢时，为获得合格的轧后力学性能，需要更高的 工艺控制水平。 国内h 型钢起步较晚，1 9 8 9 年马钢第二轧钢厂开始建造国内第一架万能轧 机，标志着我国对h 型钢工艺技术研究开始起步，但由于轴向锁紧等问题一直 不能形成规模生产。1 9 9 8 年国内第一条热轧h 型钢生产线在马钢建成投产，几 年来工厂技术人员在产品开发上做了大量工作，产品范围由原先的h m 6 0 0 x 3 0 0 扩大到h n 8 0 0 3 0 0 ，由h w 3 5 0 x3 5 0 扩大到h w 4 0 0 4 0 0 ，产品厚度由设计 的1 9 r a m 扩大到3 0 5 m m ( 4 1 5 m p a ) 。但受坯料尺寸等因素的影响，厚壁h 型钢 产品的力学性能波动较大，截面性能不均匀程度提高，生产成本提高，生产过 程控制能力减弱，易受到外界生产条件影响，很难实现产品的稳定生产。 1 5 国外型钢的发展 1 5 1 国外型钢的发展 国外型钢技术发展趋势和产品方向可以归纳为七个方面【4 7 4 8 1 ，即：钢质纯 净化、材质强韧化、成分性能均匀化、尺寸精确化、工艺连续化、供坯连铸化 和品种经济化，其中材质强韧化，即：通过采用微合金化技术，使钢材材质达 到高强度、高冲击韧性、高的低温韧性及良好的焊接性能。采用控轧、控冷、 余热淬火及热处理等技术，也可提高钢材的强韧性。 国外h 型钢技术正向高强度、高韧性、大厚度方向发展。 1 5 2 国外高强度厚壁h 型钢的研究方向 上世纪7 0 年代以后，国外对厚壁h 型钢的开发研究逐渐增加。根据其原 料情况，日本将翼缘厚度3 0 m m 以上的规格定义为厚壁h 型钢，厚度7 0 m m 以 上的规格定义为超厚h 型钢【1 。7 1 。表1 4 是日本在9 0 年代对厚壁h 型钢的开发 研究及使用案例。 钢铁研究总院2 0 0 8 年博十研究生论文 表14 日本厚罐h 型铜研究及使用案例 序号 工程项目制造厂家钢种 昂大翼厚( m ) r t3 2 5 b d o u j i m aa v a n z a ( s n 4 9 0 b ) r t 一3 2 5 b n i k k e rs e k k e il t d 8 0 ( s n 4 9 0 b ) m e lj is e i m e l p r o j e c t ( zb u i 】d ) s e k k e li n c 。 n i k k e n8 e k k e lt d u r b a nr e n e w a l r t 一3 2 5 c ( s n 4 9 0 c ) p r o j e c t ( xb u i l d ) 在丌发高强度厚壁h 型钢时，国外在合金设计或控制冷却工艺上均做了很 多研究。早在1 9 8 0 年，日本米井等人就开展了控制冷却t 艺的研究，在h 型钢 丰f l 轧时，通过在翼缘中部集中冷却翼缘和腹板的连接处，提高改部位强度韧性， 减小截面性能不均匀程度。1 9 8 8 年a r b e d 研制了t m s c 方法，即通过在轧制 过程中选择性地冷却h 型钢的园角处，使h 型钢的温度均匀化：还研制了q s t 方法，即通过整个断面的急冷，利用水冷停止后，从内部产生的返热将表面的 淬硬层回火，达到性能均匀、韧性提高的目的，如图l2 所示。 h 组织髓分布麓4 尉l2 h 型钢控冷j 。艺组织控制不意幽 由于h 型钢具有翼缘板厚b 和腹板板厚t ，不一致的特点，在翼缘、腹板和 园角处的轧制温度和压下比都有所不同，在h 型钢轧后的拧冷过程中，翼缘和 腹板位置温度和形变的差异将产生内应力，内应力会导致腹扳的变形，所以防 止腹板变形在控冷工艺中极为关键。同时控冷工艺使翼缘表层组织充分细化 表层硬度过高。会导致连接使用过程中的困难”。详见表15 。 俐铁研究总院2 0 0 9 年障十研究生论文 表i5 戊刚控冷【：艺时应关注的问题 脚题 内容 防f r 腹扳的变形防j r 版扳，糍缘之问的温度筹和形变差引起的蝮板变形 由于鬼缘水冷将引起表面硬化，造成连接加r ：的划难，鹿降低 表而硬度的降低 表面垭度，使布易加 高温轻压f 轧制，使组够 粗大化：腹板翼缘2 问的温度和形 强度韧性的保证 变差使性能恶化、性能不均匀 焊接性的保证避免高强度厚蛙带来的高台金擦加节 为解决轧后控冷h 型钢表面硬度过高的问题，园外学者又提出了 “i m c _ a c c ”的控制冷却工艺。i m c 工艺是在轧制过程中只冷却翼缘、翼缘反 热后再轧制的反复进行的力法，由于晃缘的水冷面在h 型钢内部形成温度梯度， 由此引起强度也倾斜分布通过随后的压下可使内部高温、强度低的区域容易 变形，产生很好的压下渗透效果，见图13 。 在合金设计上也存在两种技术思路：微合金化技术和超低碳贝氏体技术。 微合会化技术主要是通过添加h r o 、v 、m o 等元素，通过这些元素的碳、氯化 物的析出强化和晶粒细化作爿j 来提高强度。表16 是n 奉j i 崎公司采用微台金化 技术，通过加入适量的微量元素v ，采用较低的加热温度、9 0 0 以f 进行控制 轧制，在h 6 1 2 m m b 5 0 0 m m t 1 5 0 r a m t 2 8 0 m m 规格上的性能研究1 s 0 - 5 5 1 。 。q ；盆q ；盆q 二盗 占。“苓。d “。矗0 9 一 t 十 1 絮? ”鼢 i 幽i3 i m c - a c c 控拎1 艺希翼缘温度变化过样 钢铁研究总院2 0 0 8 年博七研究生论立 表16h 6 j 2 b 5 0 0 5 0 t 1 8 0 k 性能研究 r r e lr m r e l r m a a k v 转变温度 部位 ( m p a )( m p a )( )( ) ( j ) ( ) s m 5 2 03 5 55 2 0 6 4 08 02 7 a 1 4 t25 4 97 82 92 2 7 2 4 t ：5 4 52 9 3 5 1 4 t 。5 4 33 0 2 4 t ：7 02 92 0 0 f 3 4 t ：3 8 65 4 2 4 4 t 2 f c恻角4 0 75 6 17 3 其化学成分见表17 ，通过添加微合金化元素，促进晶粒细化，提高轧后力 学性能，其碳当量可| 三【控制到03 9 ，轧后全截面届服强度均高于3 5 5 m p a ，屈 强比低于8 0 ，截面性能得到显著提高。其显微组织见罔14 ，不同部位截面组 织都得到了细化。 表17 微合金化钢化学成分 化学元素 c c e q 质髓卣分数 0 0 6 602 5 另一种力法是采用超 低碳贝氏体钢。1 9 9 7 年，r 本川崎制铁公刊成功地开 发出在轧制状态下交货的 5 9 0 m p a 级高强度特厚h 型 钢。由于冷却速度的不同， 建筑用钢的组织变化很大， 一般可生成马氏体、受氏体 和铁索体珠光体，但对超低崮14 采州微合金化后厚壁h 型钢显微组织 碳贝氏体钢来说，不管冷却速度怎样变化，其显微组织变化较小，丰要是颗粒 状贝氏体组织，从而保证了厚壁h 型钢的高强度和强度的均匀性。其次通过添 加o5 - 15 c u 元素，可进一步提高超低碳贝氏体钢的强度，特别是含15 c u 、 冷却速度为0l c s 时，钢的硬度有明显提高。这种依靠析出强化作用来提高钢 材强度的方法，可以避免因采用添加大量台金元素来提高强度而引起的焊接裂 纹敏感性增高等问题，这种超低碳贝氏体钢的含c 低，h a z 硬化性小，因此焊 警删爿 一睁 钢铁研究总院2 0 0 8 年博十研究生论文 接时可以降低预热温度。超低碳贝氏体钢化学成分如表1 8 。除表中成分外，还 含有微量n i 、n b 、b 、t i 等元素 5 6 - 5 9 j 。 表1 8 超低碳贝氏体钢化学成分 元素 cs im n psa 1 c u c e q p c m 质量百 0 0 20 3 0 01 2 5 00 0 1 00 0 0 30 0 3 0o 8 70 2 6 70 1 5 6 分数 注：1c e q = c + m n 6 + s i 2 4 + n i 4 0 + c r 5 + m o 4 + v 1 4 2p c m = c + s i 3 0 + m n 2 0 + c u 2 0 + n i 6 0 + c r 2 0 + m o 1 5 + v 1 0 + b 按j 下常轧制工艺，开发出h 5 8 2 m m x b 5 1 0 m m x t l 6 0 m m xt 2 6 5 m m 的厚壁h 型 钢，母材的力学和冲击试验结果示于表1 9 。在轧制状态下，力学性能和冲击性 能都能满足标准的要求，翼部和腹部组织均为细小贝氏体，硬度均匀，基本稳 定在h v 2 0 0 2 2 0 。新开发的超低碳贝氏体型5 9 0 m p a 特厚h 型钢，利用c u 析出强 化，在热轧后即能达到强度要求，省掉一般生产此强度级别钢时所必需的热处 理过程，已在日本晴海超高层建筑物上作柱材使用。 表1 9 超低碳贝氏体钢力学性能 r e lr mr e l r ma k v ( 0 c ) 钢种尺寸m m位置方向 ( m p a )( m p a )( ) ( j ) 标准值1 4 f 一1 4 t纵向 4 4 0 5 4 05 9 0 7 4 0 4 7 s a 4 4 0 1 4 f 1 4 t 4 8 76 3 67 72 1 2 5 8 2 x 5 1 0 x 6 0 6 5纵向 1 4 w 一1 4 t 4 5 86 3 27 21 5 3 1 6 国内厚壁h 型钢中存在的问题 目前国内h 型钢用户市场仍不成熟，规模使用h 型钢产品的时间相对较短， 有很大的拓展空间。2 0 0 5 年以前，国内仅马钢一条大型h 型钢生产线，产品供不 应求，2 0 0 5 年以后新增的生产线，仅以填补国内市场现有需求为目标，对国内h 型钢产品可持续发展方向估计不足，尤其是对今后国内厚壁h 型钢市场需求估计 不足，生产工艺设置存在简单复制现象，造成国内厚壁h 型钢生产装备硬件条件 不充分。 具体表现在： l 、生产使用的坯料偏薄。生产h 型钢的坯料厚度的发展，与目前国内比较 普及的近终形薄板坯连铸连轧工艺使用的坯料厚度的发展十分相似，连铸薄板 坯厚度尺寸曾经历过“厚一薄一极薄一较厚”的发展过程，一度板坯厚度曾减 薄至4 8 m r n ( 1 9 9 8 年投产的德国蒂森公司杜伊斯堡厂) ，实践证明，坯料过薄无法 保证最终产品的质量，目前又逐步提加至9 0 1 l o m m ( 最近投产的埃及重工业公 钢铁研究总院2 0 0 8 年博士研究生论文 司生产线) 。其原因是：近终形轧制可减少* l n 道次，降低生产消耗，但对铸坯 尺寸减薄的片面追求，造成产品力学性能下降，表面质量也难以保证。 国内新增h 型钢生产线设计的铸坯尺寸普遍偏小，这对厚壁h 型钢生产十分 不利，需要更高的工艺技术条件来弥补坯料过薄的不足。以国内某h 型钢生产线 为例，生产线主要采用异型坯进行生产，异型坯现有两种规格，其翼缘平均厚 度分别为1 0 5 m m ( 7 5 0 4 5 0 1 2 0 x1 0 5 ) 及8 5 m m ( 5 0 0 3 0 0 x1 2 0 x8 5 ) 。随着 产品规格范围的扩大，现使用的坯料断面尺寸明显偏小。生产检验数据统计表 明，采用较小的异型连铸坯，生产翼缘厚度超过2 0 m m 的h 型钢和采用较大的异 型连铸坯生产翼缘厚度超过2 8 m m h 型钢时，力学性能均普遍偏低，一次检验合 格率仅9 9 左右，因此，生产厚壁h 型钢的异型连铸坯的厚度需要适当增加。 国内某h 型钢厂生产的h w 4 0 0 m m x 4 0 0 r a m 及b s 5 5 c 等系列宽缘或厚壁h 型 钢时，产品总形变率见表1 1 0 ，由于异