Q420级低合金高强度角钢研制

1、Q420级低合金高强度角钢研制【摘 要】采用微合金化路线，某厂成功开发了7个型号、25个规格的Q420级高强度角钢。产品实物质量稳定，综合性能优良。该产品现已经多家用户广泛使用，并已应用到国家电网改造及建设中。生产实践表明，在型材轧机上采用微合金化路线，开发Q420级角钢是可行的。【关键词】微合金化 Q420 高强度角钢1.前言随着我国电网建设的快速发展，国家电网公司已广泛采用Q420级高强角钢用于330KV及以上输电线路、220KV同塔双回及多回输电线路铁塔建造。采用Q420高强角钢替代Q235、Q345角钢，通过材质强度的提升，能有效地降低了铁塔设计重量，节省了材料，对我国输电线路建设意义

2、重大。某厂利用现有角钢孔型系统，在不新增工模具投入的基础上，成功开发出10#20#等7个型号、25个规格Q420级角钢产品。全年生产Q420B角钢5万余吨，成材率93.69%，性能合格率99.9%。2.Q420级角钢生产工艺2.1 微合金化工艺 微合金化方案选择Q420级角钢属于低合金高强度钢，其强度的提高主要依靠晶粒细化和沉淀强化两个机理实现。目前低合金高强度钢主要采用Nb、V、V-N微合金化，配合合适的轧制工艺实现强度的提升。而角钢属于长材产品，生产速度快，轧制温度高，主要形变阶段轧制温度在奥氏体再结晶以上，其工艺特点决定了更适合采用V或V-N微合金化工艺，通过形成碳化物、氮化物或碳氮化物

3、达到提升强度的目的。对含钒钢的众多研究表明，氮对于含钒钢是十分有效的元素，在钒氮合金中大约每加入0.01%的钒可带入0.0010%的氮，同时钢的屈服强度增加6MPa以上1。因此通过充分利用廉价的氮元素，可显著提高含钒钢的强化效果，达到节约合金含量、降低成本的目的。综合分析，采用V-N微合金化工艺更适合Q420角钢生产。2.1.2 化学成分设计Q420角钢成分设计采用控制C、Mn元素含量，主要通过加入V-N微合金化，来保证角钢力学性能。在满足国家标准规定前提下，对Q420角钢成分控制提出如下要求，见表1。表1 Q420B角钢化学成分 %牌号元 素CSiMnPSVNCEVQ420B国标要求51.0

4、01.704040控制范围40.200.200.501.351.7030512.2 工艺流程设计Q420级角钢工艺流程为：脱硫铁水转炉冶炼合金化LF钢包精炼连铸浇150210mm、250250mm、250280mm断面连铸坯连铸坯精整型钢厂铸坯加热轧制定尺锯切（取样）矫直产品外形、性能检验打捆入库。2.3 炼钢工艺2.3.1 冶炼根据Q420角钢成分要求，用Mn-Si、Mn-Fe合金配Mn，用V-Fe合金配V，Si以Mn-Si、Fe-Si加入，用Si-Ca-Ba-Al终脱氧。冶炼采用80t转炉，严格控制冶炼终点目标温度。2.3.2 精炼LF精炼中加Mn-N合金配N，进站喂Al线，保证吹氩时间和

5、出站温度。2.3.3 连铸在1#、3#连铸机上浇注150210mm、250250mm、250280mm连铸坯。采用Q420角钢专用结晶器保护渣。结晶器水、二次冷却制度按同断面AM3钢执行，炼成率99.4%。2.4 轧制工艺 加热制度为保证V元素在轧后冷却中充分形成V（C，N）弥散颗粒，充分发挥其强化效果，则必须保证足够的加热温度，即必须使连铸坯具有足够的奥氏体化温度，使合金元素充分溶入奥氏体中并均匀化。据相关资料经验公式2，钒在碳锰钢中的一般溶解度关系为：LgVN=-8830/T+3.46，LgVC=-9500/T+6.72，根据Q420B角钢成分控制范围。通过计算，钒的碳化物溶解固溶温度约为

6、830，氮化物溶解固溶温度约为1060。为保证合金元素V的作用充分发挥，同时也考虑到合金元素的溶解速度、加热炉煤气质量和压力的波动、铸坯加热的不均匀性、生产节奏、轧机负荷等原因，因此实际生产中，均热温度控制约1200，上下均热段温差不大于50，出钢温度控制约1100。 轧制工艺控制目前V-N微合金化钢在长型材产品上已成熟应用于HRB400钢筋和厚截面H型钢产品生产中。其轧制工艺的不同点在于：HRB400钢筋生产速度快，轧制温度高，通常在1000以上，主要采取热轧+控制冷却工艺生产；厚截面H型钢，主要采用第三代TMCP工艺，其控制轧制工艺一般由两个阶段组成：第一阶段是在高温的再结晶区轧制，第二阶

7、段在低温奥氏体变形区轧制，通过在VN析出温度范围变形诱导VN在奥氏体中析出，为铁素体相变提供形核核心，达到细化铁素体晶粒的目的,见图1。图1 第三代TMCP工艺示意图根据Q420角钢适合的轧制工艺，并考虑到现有装备条件，轧制上采取了控制开轧温度和轧制节奏，将终轧温度控制在950以下的工艺方式，这样在设备能力允许的前提下，既保证了VN的充分析出，也有利于控制铁素体晶粒尺寸。从对轧制情况的跟踪来看，当将终轧温度控制在950以下范围对Q420B角钢性能是有利的，同时轧机主电机电流来看，该温度区间对轧机负荷无明显影响，见表2。表2 Q420角钢不同轧制温度下力学性能比较规格开轧温度，终轧温度，Rel，

8、MPaRm，MPaA，%18018016108094049064510909204906401100900505645221085880515660200200201080950510660109093051066024 轧后冷却为比较轧后不同冷却方式对角钢强度的影响，进行了如下的对比试验：将同一炉号的角钢按单支、多支的方式分别在冷床上冷却，以比较不同冷却方式下性能差别，见表3。从表中发现，单支冷却的角钢强度略高于多支冷却。表3 Q420角钢不同冷却方式下力学性能比较规格冷却方式Rel，MPaRm，MPaA，%180180161500655249063514906502470630200200

9、2015156652500650261515670250064524注：冷却方式中“1”为单支冷却，“2”为多支冷却。3.实物质量情况3.1 外形尺寸试制Q420角钢外形尺寸情况见下表4。表4 Q420级角钢外形尺寸（单位：mm）规格边宽厚度允许偏差GB 9787-88实际尺寸允许偏差GB 9787-88实际尺寸10#-+011#012.5#014#016#018#020#0从表1中数据来看，Q420角钢10#20#规格外形尺寸均控制在偏差允许范围内。3.2 化学成分试制Q420B角钢主要成分控制水平如下见表5。表5 Q420B角钢化学成分 %炉数特征值CSiMnPSCEV8283.3 性能情

10、况Q420B角钢部分规格力学性能情况见下表6。表6 Q420B角钢力学性能规格Rel，MPaRm，MPaA，%MinMaxMinMaxMinMax10075195050553564339625650283011085022647556564186306503026401251049119455535622205706652833125124931346051562816580650271401050123440555626215806752836140144781744550560618580640261601049634455530622335706552916016472154504956

11、11155856352618012490204655406231859065527253518018453314005256032256065027200144842742551562624575665282002445415410485608175656452620标准1642052068020标准1640052068020注：为样本标准差。从表中力学性能分析，设计成分下的 Q420B 角钢强度保证能力较强，且各项力学性能数据的离散度不大，说明Q420角钢稳定性好。3.4 金相组织从金相观察来看，微合金化的Q420B角钢组织正常，以F+P为主，铁素体晶粒度较细，见图2。 91-0846,16

12、016012,8.5级,F+P , X100 91-1301,20020024,9.0级,F+P , X100图2 Q420角钢金相组织注：金属平均晶粒度按 GB/T 6394-2002标准要求进行评定。 4.分析与讨论4.1 主要元素对Q420角钢强度的影响钒是较容易固溶于钢中，又较容易从钢中析出的微合金化元素，除了与钢中的碳元素形成VC之外，更容易与钢中的氮结合形成VN，并以碳、氮化物的形式存在于基体和晶界上，起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用。Q420B角钢的强化机理为少量钒的加入具有细化晶粒的作用，但主要作用在于沉淀强化。沉淀强化效果取决于钒的加入量和沉淀相的颗粒尺寸3，颗粒越细小，强化

13、作用越大4。为充分发挥钒的沉淀强化作用，需要在钢中增氮，通过提高细小弥散的V(CN)析出相数量来增加Q420角钢强度。据有关介绍目前最有效的增氮方式是添加V-N中间合金，当V/N含量比达到理想配比时，钒能最大限度地析出。而重钢采取先加V铁、然后再LF精炼中加Mn-N合金方式，在提高角钢的强度和冲击性能的同时，达到了降低合金成本、稳定提高N元素回收率的作用。 化学成分与强度的回归分析以20020016规格为例，对Q420B角钢化学成分与强度的关系进行回归分析，有关成分及性能见表7。表7 Q420B角钢20020016规格化学成分与强度表样本牌号化学成分，%力学性能NQ420BCMnSiPSVNR

14、el，MPaRm，MPaA，%255475610274305402054067033上表数据按线性回归进行处理，得出多元线性回归方程如下： Rel=181.11+650.96C+96.88Mn+494.25VRm=246.47+995.20C+112.47Mn+434.46V此方程表明：20020016规格Q420B角钢使用V-N微合金化处理，每提高0.01%钒可使角钢屈服强度提高约5MPa，抗拉强度提高约4MPa。分析发现，对Q420角钢强度贡献的主要元素有C、Mn、V三种，而Si相对较小，同时N的加入主要用于提高V的强化效果，其加入量根据V加入量进行调整，故方程只作了三元回归分析。4.3

15、角钢规格对Q420角钢性能影响根据不同规格Q420B角钢强度情况，作下图进行比较。图3 压缩比对Q420角钢强度的影响图3中数据显示，在设计化学成分范围内，随着角钢规格的降低，轧制压缩比的增加，Q420角钢强度呈上升趋势，当压缩比在范围变化时，屈服强度变化452530MPa，抗拉强度变化604647MPa。4.4 Q420角钢韧脆转变温度对Q420角钢2001620024、1801218018、12510等规格进行系列温度冲击试验，见表8。据最低的冲击值做韧脆转变温度曲线，以27J为V型冲击值对应温度为韧脆性转变温度，Q420角钢韧脆转变温度约为-30，见图4。表8 Q420B角钢系列温度冲击

16、值规格(mm)纵向冲击AKV(J)200-20-4020016200248417512215224134121311801218018781744116532132121031251086146581264411426107图4 Q420角钢韧脆转变温度5.用户使用情况某厂生产的Q420角钢现已经多家用户广泛使用。从用户使用情况来看，Q420级角钢化学成分、机械性能全部达到标准要求，同时产品外形尺寸、表面质量和使用情况良好。目前已应用到国家电网改造及建设中，由于Q420级高强角钢是提高电网安全设计等级的最佳材料，国家电网公司已明确提出铁塔用高强钢推广以Q420 强度级别为主。6.结论(1) 采用微合金化路线，在型钢轧机上开发10#20#型号Q420级角钢工艺上是可行的。(2) 进行微合金化处