JFE采用TMCP技術(shù)開發(fā)高性能H型鋼

摘要日本JFE公司應(yīng)用先進(jìn)的TMCP工藝開發(fā)出高性能H型鋼。

  日本鋼鐵工程控股公司(以下簡(jiǎn)稱JFE)應(yīng)用先進(jìn)的熱機(jī)械控制工藝(TMCP)開發(fā)出高性能H型鋼。為了生產(chǎn)高強(qiáng)度高韌性H型鋼,通過(guò)合理的合金設(shè)計(jì)、理想的熱軋條件和熱軋后加速冷卻來(lái)獲得細(xì)化的貝氏體顯微組織至關(guān)重要。JFE近期開發(fā)了高性能H型鋼,如具有優(yōu)良韌性、焊接性能和抗震性能,用于高層建筑物的520MPa級(jí)(抗拉強(qiáng)度)H型鋼,以及低溫韌性優(yōu)良的490MPa級(jí)H型鋼。在特定的熱軋條件下實(shí)現(xiàn)顯微組織細(xì)化的合金設(shè)計(jì)和型鋼加速快冷設(shè)施,是開發(fā)高性能H型鋼的關(guān)鍵因素。

  市場(chǎng)需要H型鋼專用的TMCP
  TMCP就是在熱軋過(guò)程中,在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的基礎(chǔ)上,再實(shí)施空冷、控制冷卻和加速冷卻的技術(shù)總稱。

  一方面,近年來(lái)鋼結(jié)構(gòu)向高層、大型和更大跨度發(fā)展,因此要求H型鋼向更大規(guī)格尺寸發(fā)展。為適應(yīng)這一市場(chǎng)需求,JFE開發(fā)并生產(chǎn)了大型的定外形尺寸的H型鋼(以下簡(jiǎn)稱SHH型鋼),其腹板高度達(dá)到1000毫米。另一方面,為了使建筑物的設(shè)計(jì)更加高效節(jié)能,須要盡量減輕鋼結(jié)構(gòu)的厚度和重量,這對(duì)鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度提出了更高的要求。

  強(qiáng)烈地震會(huì)嚴(yán)重破壞鋼結(jié)構(gòu)的梁端連接部。因此,需要具有低屈強(qiáng)比、高韌性(包括焊接部分)和優(yōu)良焊接性能的高品質(zhì)鋼。

  厚鋼板用于箱形柱、其他柱體以及作為結(jié)構(gòu)性柱體的鋼管,這類鋼板可采用TMCP生產(chǎn),利用熱軋工藝和加速冷卻技術(shù)的進(jìn)步開發(fā)出高強(qiáng)度、高性能鋼板。TMCP也是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度H型鋼生產(chǎn)的有效技術(shù)。但是,由于H型鋼的復(fù)雜形狀和各種規(guī)格是在熱軋過(guò)程中成型的,必須設(shè)計(jì)出不同于鋼板TMCP技術(shù)的專用于H型鋼軋制的TMCP技術(shù)。

  TMCP技術(shù)在H型鋼的創(chuàng)新
  H型鋼軋制特點(diǎn)和奧氏體再結(jié)晶行為。在H型鋼軋制工藝中,為了保證孔型軋制和萬(wàn)能軋制過(guò)程中的成型性,材料被加熱到1250℃或更高的溫度,高于板材軋制的加熱溫度。在這一高溫下,奧氏體晶粒會(huì)快速長(zhǎng)大。而且,在H型鋼熱軋工藝中,每個(gè)道次的壓下量和總壓縮比均小于鋼板軋制。因此,為了保證延性和韌性,熱軋過(guò)程中初期奧氏體晶粒尺寸的充分細(xì)化變得尤為重要。

  含鈮鋼則表現(xiàn)為由奧氏體細(xì)晶和粗晶共同組成的混合顯微組織,這是因?yàn)閵W氏體的再結(jié)晶行為受到鈮的抑制。如果此時(shí)進(jìn)行加速冷卻,將形成貝氏體粗晶,會(huì)降低材料的延性和韌性。通過(guò)分散于鋼中穩(wěn)定的精細(xì)析出物來(lái)抑制奧氏體晶粒生長(zhǎng),是促使奧氏體進(jìn)一步細(xì)化的有效途徑。

  適用于H型鋼軋制的TMCP技術(shù)。為了促進(jìn)初始奧氏體晶粒的細(xì)化和熱軋過(guò)程中奧氏體相的再結(jié)晶,有必要設(shè)計(jì)合適的化學(xué)成分。雖然鈮是TMCP鋼中有用的元素,但生產(chǎn)H型鋼時(shí)必須審慎地選擇鈮的添加量和軋制程序。在熱軋中,首先要保證高溫區(qū)的壓縮量,以確保初始奧氏體粗晶的充分再結(jié)晶,隨后進(jìn)行快速冷卻,可生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高延性和高韌性的優(yōu)質(zhì)H型鋼。

  為了研究傳統(tǒng)控制軋制鋼和TMCP鋼的強(qiáng)度和韌性,JFE在實(shí)驗(yàn)室中模擬了H型鋼軋制過(guò)程。TMCP鋼的顯微組織與傳統(tǒng)控制軋制鋼的比較顯示:傳統(tǒng)控制軋制鋼的顯微組織是鐵素體+珠光體組織,而TMCP鋼的顯微組織是精細(xì)的貝氏體組織。雖然在強(qiáng)度方面TMCP鋼與傳統(tǒng)控制軋制鋼處于同一水平,但TMCP鋼具有更好的韌性。

  低屈強(qiáng)比H型鋼綜合性能良好
  化學(xué)成分和生產(chǎn)條件。低屈強(qiáng)比SM520級(jí)SHH型鋼的典型化學(xué)成分見表1,它與通用的430MPa級(jí)(抗拉強(qiáng)度)鋼具相同的含碳量和碳當(dāng)量。其生產(chǎn)工藝是:在1250℃以上的溫度保溫后,在高溫下進(jìn)行熱軋(綜合考慮壓下率和軋制溫度),再用型鋼加速冷卻裝置(Super-OLACS)進(jìn)行快速冷卻。JFE所生產(chǎn)的該鋼種為:H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米和H1000毫米×400毫米×16毫米×32毫米定外型尺寸H型鋼。

  

  表1 SHH型鋼的典型化學(xué)成分(質(zhì)量%)
元素
C
Si
Mn
P
S
Ti等
碳當(dāng)量
含量
0.17
0.33
1.28
0.020
0.003

0.40
  材料性能。翼緣厚度為40毫米的該H型鋼在翼緣1/6寬~1/4寬的部位的微觀組織為微細(xì)的貝氏體組織??估囼?yàn)結(jié)果和夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示:該H型鋼翼緣1/6部、倒角部和腹部都獲得了滿足標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度,屈服比低于80%;夏比沖擊吸收功為200焦以上,說(shuō)明新開發(fā)的H型鋼的母材具有良好的強(qiáng)度和韌性。

  該H型鋼采用CO2氣體保護(hù)焊,在預(yù)熱溫度5℃、濕度60%的環(huán)境下,根據(jù)JIS Z3158標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了y坡形焊接裂紋試驗(yàn),結(jié)果顯示:在預(yù)熱溫度5℃的環(huán)境下,沒(méi)有焊接裂紋,顯示了良好的焊接性能。根據(jù)JIS Z3101標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的短焊道焊接的熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)表明:在焊接長(zhǎng)度超過(guò)20毫米時(shí),焊接熱影響區(qū)的最高硬度小于HV350,具有能滿足日本建筑施工標(biāo)準(zhǔn)(JASS6)的良好焊接性能。

  JFE采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)翼緣厚40毫米的該H型鋼進(jìn)行多層堆焊,以檢查了其焊接頭性能。焊接材料采用MG-56級(jí)(直徑1.2毫米),實(shí)驗(yàn)條件為無(wú)預(yù)熱、道次間最高溫度小于250℃,進(jìn)行9層16道次的焊接,焊接的輸入熱量為3千焦/毫米。焊接頭的試驗(yàn)結(jié)果顯示:焊接部沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熔合不良、裂紋等有害焊接缺陷。同時(shí),斷裂強(qiáng)度大于550兆帕,且斷裂發(fā)生在母材上的現(xiàn)象說(shuō)明,該H型鋼具有良好的焊接接頭強(qiáng)度。此外,焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示:焊接金屬、熔合線和焊接熱影響區(qū)均有100焦以上的良好夏比吸收能值。

  目前,低屈服比SM520級(jí)(抗拉強(qiáng)度)SHH型鋼已經(jīng)應(yīng)用于日本國(guó)內(nèi)的高層建筑物。

  寒冷環(huán)境使用的低溫韌性H型鋼

  化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝。SM490Y級(jí)(抗拉強(qiáng)度)H型鋼的典型化學(xué)成分見表2。為滿足包括焊接部在內(nèi)的低溫韌性,JFE應(yīng)用熱影響區(qū)高韌性化技術(shù)(JFEEWEL)對(duì)其進(jìn)行了成分設(shè)計(jì)。應(yīng)用先進(jìn)型TMCP工藝,JFE制造出最大尺寸為H918毫米×303毫米×19毫米×37毫米和最大翼緣厚度為H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米的SHH型鋼,并將之與添加了Nb、V和Ni等微合金元素的傳統(tǒng)H型鋼(翼緣厚為24毫米)進(jìn)行了比較。

  表2 SM490Y級(jí)H型鋼的典型化學(xué)成分(質(zhì)量%)
C
Si
Mn
P
S
其他
傳統(tǒng)控軋條件
0.15
0.35
1.45
0.015
0.005
Ni、Nb、V
TMCP條件
0.13
0.27
1.56
0.017
0.003
TiN處理
  材料性能。傳統(tǒng)H型鋼和TMCP鋼的強(qiáng)度和韌性試驗(yàn)結(jié)果顯示:盡管TMCP鋼的翼緣厚度大,還是獲得了SM490Y級(jí)(抗拉強(qiáng)度)的高強(qiáng)度,且-40℃下的夏比沖擊功達(dá)到200焦以上,具有低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-50℃的優(yōu)良低溫韌性。

  JFE使用YGW-23級(jí)(直徑1.2毫米)焊接材料,采用MAG焊接(熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2)對(duì)該H型鋼進(jìn)行了7層13道次的焊接,最大焊接輸入熱量為3千焦/毫米,道次間溫度低于350℃。最終的焊接頭試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明:熔合線、焊接熱影響區(qū)在-40℃低溫下均得到大于200焦的高夏比吸收功值,該H型鋼(包括焊接部)具有優(yōu)良的低溫韌性。