（机械工程专业论文）sg集团q450nqr1车辆用耐候热轧钢板的研发.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 近年来，随着国内外铁路运输高铁行业的快速发展，使得各机车生产企业 对对优质车辆用耐候钢板的需求越来越大，同时对车辆用耐候钢板的强度、耐候 性、表面质量等均有严格的要求。 然而，面临巨大的国内外市场需求，s g 集团欠缺车辆用耐候钢板的研发及生 产能力，严重影响到企业的新增产品效益、新增市场份额以及特钢生产工艺技术 的进步。 为了弥补s g 集团生产工艺无法在现有热轧设备上生产车辆用耐候钢板的空 白，本研究在s g 产品研发项目的资助下，设计研发出符合s g 热轧装备水平的 车辆用耐候钢板的相应成分及热轧生产工艺制度。在s g l 7 0 0 m m 热轧生产线上 成功生产出车辆用耐候钢板q 4 5 0 n q r l 。 本文主要研究内容及创新工作如下： 首先，在实验室内重点研究了试验钢化学成分c u 、p 、s i 、n i 、c r 、c a 、m n 等含量对耐候钢板力学性能的影响规律，以期更有效的发挥各元素作用。同时， 研究热轧工艺参数对耐候钢力学性能影响规律，为耐候钢的原型制备以及工业化 生产打下理论基础。 然后，利用前期实验室研究数据，在可逆轧机上对耐候钢进行了热轧工艺试 验，并对轧板分别进行了力学性能、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能、焊接性能等 性能分析，结果表明，所设计的q 4 5 0 n q r l 钢成分合理，所测各项性能均达到 钢种预期研究目标。 最后，应用本文设计的钢种成分及相应热轧工艺制度在s g l 7 0 0 m m 热轧生产 线上进行了工业试生产，并制定了有效的表面缺陷控制措施，共生产出3 8 万吨 厚度规格8 m m ，宽度规格1 0 5 0 m m 的车辆用耐候钢板q 4 5 0 n q r l 。经测试， 所生产的热轧板成品各项性能指标均优于市场同类产品，现已鉴定转产，其经济效 益显著，表明本研究成果具有较强的理论意义和较大的工程应用价值。 关键词：机车车辆、耐候钢、热轧、腐蚀性能、力学性能 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h er a i l w a yt r a n s p o r th i g hi r o n i n d u s t r ya th o m ea n da b r o a d ，t h ea u t o m o b i l em a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e sr e q u i r em o r e w e a t h e r i n g s t e e lp l a t ew i t hh i g hq u a l i t yu s e di nv e h i c l e ，a tt h es a m et i m et h e s t r e n g t h ，w h e t h e rr e s i s t a n c e ，s u r f a c eq u a l i t ya n ds oo no ft h ev e h i c l ea l lh a v es t r i c t r e q u i r e m e n t s h o w e v e r , f a c e dw i t hah u g ed e m a n d i n go fh o m ea n da b r o a d ，b u ts t a t u sq u oo f s gg r o u pl a c k so ft h ec a p a b i l i t yo ft h ew e a t h e r i n gs t e e lp l a t eu s e di nv e h i c l er d a n dp r o d u c t i o n ，w h i c hh a sb e e ns e r i o u s l ya f f e c tt h ep r o f i tg r o w t ho fe n t e r p r i s e s ，n e w m a r k e ts h a r ea n ds p e c i a ls t e e la d v a n c e si np r o d u c t i o nt e c h n o l o g y t of i l lu pal a c u n ao ft h es gg r o u pc a n n tp r o d u c eh i g h q u a l i t yw e a t h e r i n gs t e e l p l a t eu n d e re x i s t i n gh o tr o l l i n ge q u i p m e n t ，t h i ss t u d yb a s e do nt h ea c h i e v e m e n to ft h e p r e l i m i n a r yw o r k u n d e rt h ea u s p i c e s o fs gg r o u pr &d p r o j e c t s ，t a r g e t i n g t o d e v e l o pc o r r e s p o n d i n gc o m p o n e n t sa n dh o t r o l l e dp r o d u c t i o np r o c e s ss y s t e mo ft h e w e a t h e r i n gs t e e lp l a t eu s e di nv e h i c l em e e t i n gt h es gh o tr o l l i n ge q u i p m e n t l e v e l ， m o r ea d d i t i o nu n d e rt h es g1 7 0 0 m mp r o d u c t i o nl i n e ，p r o d u c et h ew e a t h e r i n gs t e e l p l a t eu s e di nv e h i c l e - q 4 5 0 n q r l t h ec o n t e n ta n di n n o v a t i v ew o r ko ft h i sp a p e rs t u d i e sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , d u r i n gl a b o r a t o r ys t u d i e s ，w ef o c u s e do nt h ei n f l u e n c el a w so ft e s ts t e e l c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc u ，p ，s ，n i ，c r , c a ，m na n dm oe l e m e n t se t co nt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ew e a t h e r i n gs t e e lp l a t e ，s oa st om o r ee f f e c t i v e l yp l a yt h e r o l eo ft h ee l e m e n t s ，m e a n w h i l es t u d i e dl a wo ft h eh o tr o l l i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so n t h ew e a t h e r i n gs t e e lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dl a i dat h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h e p r o t o t y p ep r e p a r a t i o no fi t ，a sw e l la sm a s sp r o d u c t i o n t h e n ，w ec a r r i e do nt h eh o tr o l l i n gp r o c e s st e s to fw e a t h e r i n gs t e e lu n d e rt h e r e v e r s i n gr o l l i n gm i l lu s i n gt h el a bs t u d yd a t aa n ds e p a r a t e l ya n a l y s i st h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，r e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r a t u r eo x i d a t i o np e r f o r m a n c e ， w e l d i n gp e r f o r m a n c ea n ds oo n ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h eq 4 5 0 n q r l s t e e lc o m p o s i t i o ni sr e a s o n a b l e ，v a r i o u sp r o p e r t i e sm e a s u r e dc a nr e a c ht h ep r e d i c t i o n l e v e l f i n a l l y , t h et y p eo fs t e e lc o m p o n e n t sa n dc o r r e s p o n d i n gh o t r o l l e dp r o c e s ss y s t e m c a r r i e do nt h ei n d u s t r i a lt r i a lp r o d u c t i o ni ns g17 0 0 m mh o tr o l l i n gp r o d u c t i o nl i n e p r e s e n t i n gi nt h ep a p e ra n df o r m u l a t e dt h ee f f e c t i v es u r f a c ed e f e c tc o n t r o lm e a s u r e s a n dt h ea m o u n to ft h ew e a t h e r i n gs t e e lp l a t eu s e di nv e h i c l e - - q 4 5 0 n q r lw i t ht h e t h i c k n e s so f8 m ma n dt h ew i d t ho f1 0 5 0 m m b yt e s t ，v a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s o ft h ep r o d u c e dh o tr o l l e dp l a t ea r es u p e r i o rt ot h a to fm a r k e ts i m i l a rp r o d u c t s ，i th a s i i i h f 炼钢厂钢包精练超低硫钢脱硫工艺开发 b e e no v e rt h ea p p r a i s a l ，t h ee c o n o m i cb e n e f i ti sr e m a r k a b l e ，s h o wt h a tt h er e s e a r c h r e s u l t sh a ss t r o n gt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d l a r g e re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：l o c o m o t i v ev e h i c l e s ，w e a t h e r i n gs t e e l ，h o t - r o l l e d ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i v 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景和意义 第一章绪论 腐蚀，特别是在大气中的腐蚀( 锈蚀) ，是钢铁材料的主要破坏形式之一。世界上 每年约有1 6 年产量的钢材因腐蚀而耗损。据有关部门统计，我国每年因钢材锈蚀造成 的直接经济损失超过1 0 0 亿元【卜3 】；而为防锈蚀采取的诸如打磨、涂装等措施所需要的费 用更是占到工程投资总费用的相当比例。因此，防止或减缓钢铁材料在大气中腐蚀的重 要性是小言而喻的。采用不锈钢能有效防止锈蚀，但大规模使用其成本高得难以承受， 而且不锈钢的力学性能和焊接性能也很难满足各种工程的需要，耐候钢就是在这样的背 景下应运而生的。 一般来讲，耐候钢可以分为两类：一类含0 0 7 一0 1 5 的p ，称为高耐候性钢，另 一类p 含量 0 0 4 ，称为焊接结构用耐候钢【4 】o 随着耐候钢强度提高，c u 、c r 、n i 、 m n 、t i 等元素的合金化程度提高，耐候钢的耐候性也随之提高，然而由于添加过高含 量的p 产生的成分偏析和低温韧性降低等缺陷f 5 1 ，在现在工程中却愈显突出。因此，新 型的高强耐候钢，由于要求优越的焊接性和低温韧性，往往采用低p 的设计方案。 到目前为止，我国现有一般用途铁路客货车用钢结构材料是耐大气腐蚀低合金钢， 主要是0 9 c u p c r n i 和0 9 c u p t i r e ，强度级别分别是2 9 0 m p a 和3 4 5 m p a 酣。美国能够提 供给铁道车辆制造的耐候钢强度级别从3 4 5 到5 5 0 m p a ( a s t ma 6 5 6 a 6 5 6 m - - 1 9 9 6 ) ， 日本也能提供s m 5 7 0 w ( j i sg 3 1 1 4 - - 1 9 8 8 ) 。近几年，瑞典s s a b 公刮和韩国浦项公 司分别推出5 5 0 m p a 强度级别的高强度高耐候钢( 牌号d o m e x 5 5 0 w 和h a w c s 6 0 0 ) 可供铁道车辆使用【7 1 。我国耐候钢目前主要用于集装箱制造和铁路车辆( 约占9 0 ) 。 据统计，我国目前集装箱和铁路车辆的耐候钢需求分别约为6 0 0 万吨和7 0 0 万吨，而我 国目前的集装箱和铁路车辆用耐候钢的产能约为4 0 0 多万吨，尚有约4 0 需要进口 8 1 。 在集装箱制造业内竞争日趋激烈，提高集装箱板强度，减少钢材消耗以降低成本成 为集装箱制造厂增强自身竞争力的重要措施之一。而s p a - h ，q 3 4 5 g n h l ，b 4 8 0 g n q r 等传统集装箱板屈服强度仅为3 4 5 m p a ，已经越来越难满足目前集装箱制造厂的要求【9 1 。 故此各大钢厂都纷纷作出响应，推出市场急需的高强集装箱板。 而在铁路车辆制造方 面，由于我国铁路重载提速战略的实施，传统的0 9 c u p t i r e 和0 9 c u p c r n i 等钢种，由 于其屈服强度仅为3 4 5 m p a 亦已无法满足新型铁路车辆的用钢要求。因此，宝钢受铁道 部的委托于2 0 0 2 年正式立项研制高强度铁道车辆用钢，并于2 0 0 3 年研制出q 4 5 0 n q r l 高强度铁道车辆用钢 1 0 1 。同年，铁道部发出文件，将新一代高强度铁路车辆用钢屈服强 度级别定在4 0 0 5 0 0 m p a ，同时要求高耐候、较低屈强比、良好的焊接性能和疲劳性能 等。根据初步调研，新一代c 7 0 型货车设计的主流钢种为q 4 5 0 n q r l ，因此该钢种是目 前铁路车辆制造领域急需的钢种。 为适应国内对高强度高耐候性级别对耐候钢需要，本项目研究目标是开发并实现 q 4 5 0 n q r l 耐候钢的工业化生产。此钢种的设计要从加工性能、承载能力和无限区运行 s g 集团q 4 5 0 n q r l 车辆用耐候热轧钢板的研发 的安全性等要求出发充分考虑高强、高韧、高塑、低屈强比、低脆性转变温度、有明显 的屈服点、优良的焊接性和耐腐蚀性等性能指标。 1 2 耐候钢发展概述 世界上每年约有1 6 年产量的钢材因腐蚀而损耗。据一些工业发达国家统计，每年 由于钢结构腐蚀造成的经济损失约占国民经济牛产总值的2 一4 。目前，全世界每年 因钢结构腐蚀造成的经济损失高达数千亿美元1 1 1 。而为防锈蚀所采取的诸如打磨、涂 装等措施所需要的费用更是占到工程投资总费用的相当比例。因此，防止或减缓钢铁材 料在大气中的腐蚀具有非常重要的意义。耐候钢( w e a t h e r i n g s t e e l ) ，是指通过添加少量 合金元素( 如c u 、p 、c r 、n i 等) ，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢， 其耐大气腐蚀性能为普通碳钢的2 8 倍，并且使用时间愈长，其耐大气腐蚀作用愈显 著 1 2 1 4 1 。耐候钢除具有良好的耐候性能外，还具有优良的力学、焊接等使用性能，是 一种成本低廉、综合性能良好的结构用钢。由于耐候钢相对于普通钢的抗大气腐蚀的有 效性和相对于不锈钢的经济性，耐候钢在世界各国得到了迅速发展。2 0 世纪3 0 年代美 国钢铁公司首先成功研制了c o r t e n 钢，并在6 0 年代不涂漆直接用于建筑和桥梁，随后 各国在c o r t e n 钢的基础上进行了仿制，并根据资源和使用要求开发了品种繁多的耐候钢 系列1 5 1 7 1 。世界各国对于耐候钢的研究大致可以分为三个阶段1 1 8 1 9 1 ：0 ) 2 0 世纪3 0 年代到6 0 年代，研究的重点为合金元素的选择及添加量对钢耐大气腐蚀的影响；( 2 ) 6 0 年代到9 0 年代，各国学者对耐候钢的耐大气腐蚀机理、锈层形成热力学和动力学及锈 层结构进行了深入研究，并注意到不同使用环境下对耐候性的影响；( 3 ) 进入2 1 十h = 纪，许 多国家提出了新一代钢铁材料研究计划，对耐候钢的要求相应更加严苛，开发高强韧性、 高耐蚀性的新一代耐候钢成为钢铁研究者的目标。 1 2 1 国外耐候钢发展概述 耐候钢的研制起源于欧美，早在1 9 0 0 年，欧美的科学家就发现了c u 可以改善钢在 大气中的耐腐蚀性能。1 9 1 6 年，美国材料试验协会进行的2 4 0 中试验钢的大气暴露试验 是最具有代表性的研究。他们经过工业地带、半园林地带与海岸地带进行的试验结果， 弄清了加入微量的铜与磷的钢板，具有显著的耐大气腐蚀效果。1 9 2 0 年美国u s s t e e l 公司开始大规模的试验研究，将3 万多个试样在不同的环境、不同条件的4 个地方进行 暴露试验，结果发现n i 、c r 、c u 、p 适当组合时具有优良的耐候性，并将它命名为 u s c o r t e n ，开始在市场上出售，1 9 3 3 年u s c o r t e n 获得专利，其成分为： c 三，0 1 2 ，s i 0 2 5 0 7 5 ，m n0 2 0 0 5 0 ，p0 0 7 0 1 5 ，s 三d 0 5 ，c u0 2 5 0 5 5 ，c r0 3 0 1 2 5 ，n i 0 6 5 。这就是世界上低合金系高强度耐候钢的原型。耐 候钢研发成功后，美国最先应用与铁路车辆。1 9 5 9 年美国开始用于建筑，1 9 6 4 年开始 用于公路桥，以后在桥梁建设中不断的扩大使用范围。 2 江苏大学工程硕士学位论文 日本通过购买专利从美国引进了耐候钢，最初用于车辆制造，从2 0 世纪6 0 年代开 始，逐步用于桥梁建设，1 9 6 5 年日本建成第一座耐候钢大桥( 涂漆) ，在1 9 6 7 年开始修 建第一座裸钢桥。到7 0 年代末，光用于钢桥的耐候钢日本己达到5 0 万吨。 耐候钢按其性质和用途一般分为二大类：一类是注重其耐候性，基本是p c u 系列， 作为一般结构用钢，俗称高耐候钢，如日本j i s 规格中的s p a 系列和美国a s t m 中的 a 2 4 2 系列2 0 2 2 1 。另一类是既考虑其耐候性，同时又考虑焊接性能，一般是低p 的c u c f i m n 系列，称为焊接结构用耐候钢，如日本的s m a 系列，美国的a 5 8 8 系 列。表1 - 1 为日本，美国有关耐候钢的成分范围和规格1 2 3 。 表卜l 美国和日本典塑牌号i 音侯钢的规梧 化蝴 w t s i l l n ps c uc rn i 其它 1 9 7 5 0 1 5 i 0 0 2 0 1 9 7 6 0 2 0 1 3 5 0 0 4 0 2 0 1 9 7 50 i - 0 1 90 1 5 - - 0 3 0 0 0 9 - - i 2 5d o 0 4 0 0