第４７卷 第１期 ２ ０ １ ２年１月钢铁Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ ２０１２高层建筑用Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５大厚度钢板的研制唐郑磊， 张 涛， 杨 东， 李红洋， 徐 昭， 庞 琳（南阳汉冶特钢有限公司钢铁研究所，河南南阳４７４５００）摘 要：在生产试验的条件下，通过成分设计和轧制、热处理工艺设计，采用晶粒细化、固溶强化、析出强化等手段，对８０、１１０、１２０ｍｍ厚的Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５高强度钢板的研发工艺及过程进行了试验研究。
结果表明：通过铌、钒、钛、镍复合微合金化和控轧控冷、正火快冷（ＮＡＣ）热处理相结合生产的模铸Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５钢板晶粒细小、组织均匀，强度和韧性匹配良好、内部质量较优。
关键词：Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５钢板；成分设计；正火加速冷却文献标志码：Ａ 文章编号：０４４９－７４９Ｘ（２０１２）０１－０１００－０４Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５Ｌａｒｇｅ ＴｈｉｃｋｎｅｓｓＳｔｅｅｌ Ｐｌａｔｅ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｒｉｓｅ ＢｕｉｌｄｉｎｇＴＡＮＧ Ｚｈｅｎｇ－ｌｅｉ， ＺＨＡＮＧ Ｔａｏ， ＹＡＮＧ Ｄｏｎｇ， ＬＩ Ｈｏｎｇ－ｙａｎｇ， ＸＵ Ｚｈａｏ， ＰＡＮＧ Ｌｉｎ（Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｙａｎｇ Ｈａｎｙｅ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｙａｎｇ ４７４５００，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｓｔｅｅｌ ｗｉｔｈ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｉｎ ８０ｍｍ，１１０ｍｍ ａｎｄ １２０ｍｍ ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ，ｒｏｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｄｅｓｉｇｎ ｂｙｕｓｉｎｇ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ，ｓｏｌｉｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔｍｏｌｄｅｄ Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｉｏｂｉｕｍ，ｖａｎａｄｉｕｍ，ｔｉｔａｎｉｕｍ，ｎｉｃｋｅｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍｉ－ｃｒｏ ａｌｌｏｙｉｎｇ，ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｒｏｌｌｉｎｇ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ａｎｄ ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆａｓｔ ｃｏｏｌｉｎｇ（ＮＡＣ）ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｈａｓ ｓｕｃｈｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｓ ｇｒａｉｎ ｔｉｎｙ，ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｕｎｉｆｏｒｍ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｇｏｏｄ ｍａｔｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｈｉｇｈｅｒ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｑｕａｌｉｔｙ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５ｐｌａｔｅ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ；ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ作者简介：唐郑磊（１９８５—），男，大学本科，助理工程师； Ｅ－ｍａｉｌ：ｔａｎｇｌｅｒｙ＠１６３．ｃｏｍ； 收稿日期：２０１１－０１－１７ 随着建筑结构的高层化和向大跨距发展，需要性能更好的钢材以减轻钢结构自身质量，提高其可靠性。
由于高层建筑受风力、地震等作用承受横向载荷，因而要求钢板不但具备高强度、高韧塑性，而且具备易焊接性、抗层状撕裂性能。
大型结构件在焊接部位因为板厚方向的约束很大，焊接量又多，产生层状撕裂的危险很大。
因此，对这类结构要采用抗层状撕裂的钢板建造，以保证构件的安全性。
抗层状撕裂钢板除应用于北方地区风力发电塔架外，广泛应用于高层和超高层钢结构建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心、桥梁、重型厂房等。
其中标志性建筑有中央电视台新台址、上海国际金融中心、广州歌剧院等［１］。
为满足国内高层建筑、大跨度场馆、高寒地区风力发电塔架建设用钢，把对化学成分的优化设计与热处理工艺的完善作为提高钢的强韧性的有效手段［２］。
本文通过成分设计和轧制、热处理工艺设计，采用晶粒细化、固溶强化、析出强化等手段，得到性能优异的Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５大厚度高强度钢板，满足客户需求，促进了国家高层建筑用钢的发展。
１ 工艺开发重点大断面钢锭的生产难度较大，影响钢板性能的关键因素是钢锭的内在质量。
在厚规格钢板冶炼生产时，相对一般钢种要求有更高的钢水纯净度，以保证钢锭良好的内部质量。
特厚板压缩比偏小。
随着轧制钢板厚度的增加，钢板的压缩比就会越来越小，降低了钢板的综合力学性能。
为确保探伤合格，考虑压缩比至少要大于等于５。
常规模铸锭选择２４、２６、３２、３３ｔ，水冷模锭选择３６～４０ｔ，优选３６ｔ水冷模。
该钢锭厚度７８０ｍｍ，锭模底盘和四周通水冷却，帽口保温，压缩比６．５，可以达到设计要求。
在成分设计时，重点应放在纯净钢质、降低碳当量和微合金化。
碳是钢中的强化元素，但如果钢中碳含量高，残余的固溶碳形成渗碳体，并造成奥氏体晶粒粗化，使钢的延展性受到影响，对钢的韧性、塑性和焊接性能均不利。
作为焊接用钢，碳的质量分数应控制在０．１２％～０．１８％范围内，而不宜超过０．２０％。
调整碳、硅、锰的成分范围，降低碳当量，以第１期唐郑磊等：高层建筑用Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５大厚度钢板的研制改善钢板的焊接性能，碳当量应控制在０．４２％以下。
２ 生产试验方案２．１ 化学成分设计大厚度高层建筑用钢Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５不仅对温度和冲击韧性有较高要求，而且要求具有良好的抗层状撕裂性。
根据ＧＢ－Ｔ １９８７９—２００５成分及性能要求，采用高的碳当量来增加钢的强度，以适当的合金元素（铌、钒、钛、镍）保证钢强度及塑韧性能，进行了主要成分（质量分数）设计，见表１。
表１ Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５钢的化学成分（液相线温度１ ５１３℃）Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５ｓｔｅｅｌ％规格／ｍｍ技术条件范围Ｃ Ｓｉ Ｍｎ Ｐ Ｓ Ｎｂ Ｖ Ｔｉ Ｎｉ Ａｌｓ８０１１０１２０内控最小０．１５ ０．３０ １．４５最大０．１８ ０．４５ １．５５目标０．１７ ０．３５ １．５０≤０．０１７≤０．００３≤０．０１５≤０．００３０．０２０ ０．０４５ ０．０１０ ０．１０ ０．０３００．０３０ ０．０５５ ０．０２０ ０．１５ ０．０５００．０２５ ０．０５０ ０．０１５ ０．１３ ０．０４０２．１．１ 低碳与低碳当量根据低合金高强度钢板的设计理念，现代焊接结构要求低合金高强度钢有较低的碳当量。
为了保证良好的焊接性能，碳的质量分数控制在０．１８％以下，而且大幅度降低碳当量，能抑制珠光体的形成和消除碳对贝氏体韧性的影响。
２．１．２ 降低硫、磷含量以提高钢的塑韧性磷主要影响钢的塑性，容易形成“冷脆”。
硫主要影响钢的冲击韧性和韧－脆转变温度。
另外，钢中硫化物夹杂影响钢的各向异性。
钢中夹杂物的存在，尤其是非金属夹杂物，使金属基体组织的均匀性和连续性遭到破坏。
金属材料受到外力作用而发生塑性变形时，夹杂处易于形成应力集中而开裂。
硫易形成脆的硫化物，造成钢在热加工过程中产生裂纹，降低钢的强度和韧性，尤其是对钢的塑性很不利。
磷在钢中产生重要的硬化效果，增加钢的脆性［３］。
为纯净钢质，降低钢中的夹杂物和钢板的中心偏析，严格控制磷、硫含量，确定Ｑ４６０ＧＪＥ－Ｚ３５钢板生产控制目标为ｗ（Ｓ）≤０．００５％、ｗ（Ｐ）≤０．０２０％。
２．１．３ 采用铌、钒、钛、镍复合微合金化铌、钛是强碳氮化合物形成元素，能够起到细晶强化和沉淀强化作用，使得大幅度降低钢的碳含量成为可能。
铌可以提高Ｔｎｒ温度，延迟变形奥氏体再结晶，扩大了奥氏体未再结晶区，保证轧制过程的变形累积，促进贝氏体形核，细化晶粒，提高钢板的综合性能。
由于钛与氮的亲和力极强，形成ＴｉＮ颗粒，并且这种颗粒在１ １５０℃以上就开始形成。
因此，在钢锭加热、钢板轧制等一系列过程中，ＴｉＮ颗粒能阻止形变奥氏体动态再结晶的发生及奥氏体再结晶晶粒的长大，细化晶粒，起到细晶强化作用，微量的钛还对改善焊接影响区的韧性十分有效。
综合考虑各项因素，在钢板成分设计时采用铌、钛复合微合金化技术，以达到细化晶粒、提高钢板韧塑性的目的，同时克服钢板的板厚效应，提高强度下限，并保证良好的低温冲击韧性和冷弯成型性能（具体成分见表１）。
２．２ 生产工艺流程铁水（ＫＲ脱硫）→转炉（氩站）→ＬＦ精炼→ＶＤ真空处理→浇铸（３３、４４ｔ模铸锭）→钢锭脱模时间到后再模冷８ｈ→清理（８ｈ内清理完毕）→带温送轧－加热→除鳞→３ ８００ｍｍ轧机→矫直→堆冷→外检→探伤→热处理→精整→入库。
２．２．１ 冶炼、连铸工艺生产过程通过ＫＲ铁水预处理、ＬＦ炉外精炼、ＶＤ真空处理以脱除钢中杂质和气体，获得较纯净的钢质。
为了在脱氧前使钢中的氧含量尽可能低，应控制好冶炼终点的碳含量，确保熔炼成分中碳的稳定、均匀，减少钢中夹杂物。
出钢时加入预脱氧剂ＳｉＡｌＢａ。
为了精确控制脱氧量、达到深脱氧的效果并改善夹杂物形态，精炼过程中通过钢包喂钙线的方式，对夹杂物进行钙处理。
钢中加入一定量的钛元素时，原来与锰结合的硫，必然部分地与钛结合成ＴｉＳ。
浇注时坚持“高温慢注，低温快注”原则，具体工艺见表２。
表２ 模铸浇铸工艺Ｔａｂｌｅ ２ Ｍｏｌｄｅｄ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ本体浇铸时间／ｍｉｎ帽口浇铸时间／ｍｉｎ动车时间／ｈ脱帽时间／ｈ脱锭时间／ｈ每支钢锭所需保护渣／ｋｇ浇注温度／℃１２～１８ ３～８≥３≥８ｈ≥１０≥１００ ｔｌ＋（２５～４０） 注：ｔｌ代表液相线温度。
动车时间、脱帽时间和脱锭时间从浇注完开始计算。
·１０１·钢 铁第４７卷２．２．２ 轧制工艺加热时应保证钢锭均匀奥氏体化，并使铌等微合金化元素充分溶解。
加热工艺是：１ ０００℃以下升温速度小于等于１００℃／ｈ，１ ０００℃以上升温速度不限，最高温度小于等于１ ２８０℃。
轧制采用二阶段控制轧制，钢板在粗轧阶段采用大压下轧制，一是可以增大应力应变向钢板内部的渗透率，使得钢板内部缺陷更容易焊合；二是可使奥氏体晶粒通过不断再结晶而细化，从而获得优良的钢板性能。
粗轧开轧温度１ ０２０～１ １５０℃，粗轧阶段温度大于１ ０００℃，晾钢厚度等于成品厚度加１００ｍｍ。
在辊道待温或水冷到８６０℃以下，开始精轧阶段轧制，压下量控制在８～１５ｍｍ，终轧温度８２０±２０℃。
粗轧选择在再结晶区轧制，通过形变－再结晶使晶粒细化，从而在相变后得到较小的晶粒。
