论文推荐Q460GJEZ35抗震耐蚀耐火特厚钢板的研发

摘 要

钢结构建筑具有抗震、无污染、节能、可循环利用等诸多优点,符合建筑行业可持续发展方向。随着越来越多超高层、大跨度建筑工程的开工建设，对建筑结构用钢高强、长寿命、服役安全性等方面提出了更高的要求，故发展460 MPa级兼备抗震、耐蚀及耐火特征的高性能建筑钢板有着广阔的市场应用前景。

本文研发的Q460GJEZ35抗震耐火耐候特厚钢板属于一种新型的高层建筑材料，此钢种具有高强韧性、低屈强比、抗层状撕裂和良好的焊接性等性能特点，又兼备耐火性、耐候性等功能，可实现高层建筑用钢厚度减薄，节约钢材用量，同时其600 ℃高温状态下的屈服强度不低于室温中屈服强度标准值的2/3，在不使用防火涂层的情况下能保证高楼大厦在火灾中具备较长时间的承载能力，可广泛用于较高耐火耐候等级的超高层建筑、大型厂房等钢结构建筑。

建筑结构用抗震耐蚀耐火钢Q460GJEZ35多场耦合服役环境下的材料设计理论的核心是耐火与耐蚀的复合(微)合金化设计，兼顾其强化作用、晶粒细化作用、耐腐蚀作用、纳米析出相析出行为，最终实现特厚板高强度、高韧性、低屈强比、耐蚀、耐火、低成本等多项使用要求。具体技术要求如下。

1.1 常规性能指标

建筑结构用抗震耐蚀耐火钢板常规性能指标如表1所示。

表1 常规性能指标

1.2 耐火指标

600 ℃下保温3 h的屈服强度不小于常温标准值的2/3，即不小于307 MPa。

1.3 耐候指标

按耐大气腐蚀性能指数公式计算，且满足:

I =26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.2(%Cr)+17.28(%P)-7.29(%Cu)-9.1(%Ni)(%P)-33.39(%Cu) ² ≥6.0

建筑结构用钢的抗震耐蚀耐火性能指的是抵抗外力破坏、抵抗高温、耐大气腐蚀的能力，其关键技术如下：

1)抗震性能。目的是高层建筑在发生地震或遭遇巨大外力冲击时具有高塑性和低屈强比，保证钢结构构件在完全断裂前有较大的塑性变形，从而实现消化吸收外部力量冲击功，提高钢结构建筑物抵抗外力破坏的能力。

2)较高的强韧性。高强度可减薄钢结构厚度以降低综合成本，高强韧性可提高钢结构建筑在寒冷地区的应用范围。

3)耐火性能。要求钢结构在经600 ℃高温状态下保持3 h后的屈服强度不低于室温标准值的2/3，提高钢结构的安全性，保证人员、重要物资在钢结构建筑遭遇火灾坍塌之前有充裕的时间撤离火灾现场。

4)耐大气腐蚀强度。钢结构建筑长时间服役或在恶劣环璄下服役受蚀减薄严重，导致其使用寿命下降，故要求其耐大气腐蚀性能指数 I ≥6.0。

5)良好的焊接性能。以便于减小焊接难度、减少焊接工作量，同时保障焊后热处理接头性能和焊接结构件的服役性。

3.1 工艺路线

铁水KR脱硫—转炉—钢包白渣精炼(LF)—钢包真空脱气(VD)—模铸浇铸—脱模—钢锭加热—除鳞—3 800 mm轧机成型—缓冷—探伤—表面检验—热处理(QLT)—探伤—性能及组织检测—精整—入库。

3.2 成分设计原理

为保证抗震耐火耐候钢优良的焊接性能，要求钢板碳当量控制在0.56以内，同时又要保证460 MPa高强度、较高的低温冲击韧性、耐火性能、耐腐蚀性能等多项特殊要求，故本方案采用高强韧性、易焊接、耐火、耐蚀合金设计思路。通过对前期研究成果对比分析发现，Cu、Cr、Ni、Mo 元素的合理配比对低合金钢的耐大气腐蚀性能有重要贡献，特别是Mo元素能大幅提高耐沿海大气腐蚀性能，低碳设计有利于提高耐大气腐蚀性能、提高低温冲击韧性，这是开发460 MPa级高强度低合金钢的合金化基础。此外，Nb、V、Ti 等微合金元素对韧性、强度以及可焊性都至关重要，其特征是在热处理工艺中形成各类M(C、N)纳米析出相。

考验耐火钢的关键性能指标是高温强度，结合现有高合金耐热钢的研究结果可以发现，Cr、Mo可显著提高钢材的耐热性能，但Cr、Mo作为贵重合金元素在钢中大量添加会导致生产成本大幅度增加，在大批量结构材料上面推广应用不切实际。此外，大量加入Cr、Mo等合金元素提高钢的淬透性，增加碳当量，对焊接性能不利，因此，抗震耐火耐候钢只能少量应用这类贵重合金元素，特别是要将贵重合金元素Mo控制在0.30%以下。

通过对高强韧性、抗震耐蚀耐火建筑结构钢合金设计原理及低合金钢的复合微合金化耐火机理的对比分析，结合中厚板生产过程中各类基础元素综合作用及各有害元素实际控制水平，提出相应的成分设计见表2。

表2 汉冶特钢Q460GJEZ35设计成分

3.3 冶 炼

基于抗震耐火耐候钢设计低碳、低磷、低硫、低硅等特殊成分要求，为有效控制钢中有害元素及夹杂物含量，提高原始坯料内部质量，冶炼过程中采用纯净钢冶炼技术提升钢水纯净度。

钢中非金属夹杂物含量作为衡量钢水纯净度的重要指标，其形态、组成、类型、尺寸、含量、分布等各种因素都对钢的内部质量和性能产生影响。首先要严格做到精料入炉，采用高品位矿石以减少铁水中有害元素含量，尤其是炼钢过程中无法去除的五害元素Sn、As、Sb、Te、Bi，从源头上提高钢水纯净度；其次严格控制入炉废钢质量，采用原始纯净度相对较高的自产废钢，并合理控制铁水废钢比，确保转炉冶炼终点碳温协调出钢；第三是低硫钢生产技术，采用铁水KR脱硫+ LF炉深脱硫，开发钙铝系合成渣剂,优化渣脱氧制度及钢包底吹氩模式，强化渣钢界面的脱硫反应以提高脱硫效率；第四采用低磷钢生产技术，LF精炼第一阶段控制加热温度并加入渣料造渣，利用低温高碱度有效降低钢中磷含量，随后采取扒渣操作防止回磷；第五采用LF泡沫渣技术+VD真空脱气，促进钢水中小型夹杂物充分上浮，严格控制钢中氮、氢、氧气体元素含量。通过以上纯净钢冶炼生产技术，实现钢中超低P、超低S、超低O、高纯净度，为保证钢的焊接性能、抗层状撕裂性能、低温冲击韧性、抗蚀性能打下坚实基础。

3.4 水冷模浇铸

采用改进型铜板结晶器水冷锭模，此锭模通水强制冷却铜板模壁，具有铸锭模本体冷却强度大、钢锭本体冷却速度快的特点，锭型大小可自由调整，且钢锭帽口有妥善的保温措施，在凝固过程中可使钢锭内部形成上大下小的补缩通道，避免了缩孔的产生，同时由于凝固时间大大缩短，显著减轻了钢锭内部的偏析，使钢锭的疏松缺陷集中于帽口部分，同时大幅降低单炉模铸钢的生产周期，降低生产成本。

浇铸过程中使用48 t铜板结晶器水冷锭模，锭厚1 250 mm，浇铸温度控制在1 538～1545 ℃，浇铸之前将保护渣吊挂在锭模内，吊挂高度距离锭模底部200～280 mm，另外一半保护渣在开浇后2～5 min内加完，凝固初期由于钢水重力和静压力作用实现钢锭与水冷铜壁直接接触，水冷铜壁导热速度快，钢锭迅速凝固，形成较厚的坯壳厚度；凝固中后期，通过跟进挤压技术，铜板内通循环水持续实现快速冷却；浇铸过程要求平稳无飞溅，液面稳定上升无翻腾，若出现液面返红则及时补加保护渣；浇铸结束30 min内，必须对每一支钢锭补加60～70 kg覆盖剂，防止帽口返红。

3.5 轧 制

耐火钢屈服强度随着加热温度的升高而提高，这主要是由于原始坯料加热温度的升高增加了Nb、Mo 合金元素在耐火钢中的固溶量，钢中贝氏体体积分数增多。为了有效发挥 Nb、Mo 合金元素的作用，需要有足够高的加热温度使其充分溶解，但加热温度过高将促使奥氏体晶粒长大，导致铁素体晶粒粗化，粗大的铁素体组织会导致其综合性能降低。因此，结合水冷铜板锭模装置生产钢锭的锭型特点，制定出最优的加热制度，采用缓慢升温、多阶段保温、出钢前翻钢保证钢锭均匀透烧，且表面氧化铁皮易去除。钢锭总加热时间15 min/cm，装钢时，控制炉膛温度不大于750 ℃、焖钢2～4 h来减少炉温与钢锭之间温差，从而降低钢锭内外温差导致的应力差；高温段目标保温温度1 250～1 270 ℃、总保温时间14～15 h。

基于耐热钢的原理可知,钢的化学成分、碳化物颗粒大小和弥散度、显微组织等因素对钢的热强性产生重要影响。一般而言,高温下晶界为薄弱环节,其强度比晶内低,存在大量的缺陷和空穴,容易产生蠕变空洞和萌生裂纹,因而强化晶界对增加钢的热强性具有重要意义。由于粗晶粒的晶界总面积比细晶粒少,因此粗晶粒的热强性比细晶粒高，所以在轧制过程中应重点做好晶粒度及晶粒均匀性控制。生产上采用的两阶段控制,即再结晶区控轧和未再结晶区控轧。第一阶段在奥氏体再结晶区内的大变形量轧制可以保证原始铸态晶粒被充分破碎，通过完全的再结晶细化晶粒，开轧温度1 150～1 050 ℃之间，终轧温度960 ℃，道次压下量45～50 mm，并采用硬壳法轧制，即通过多打高压水降低表面温度，促进表面硬化以使轧制时轧制力渗透内部，保证内部质量，保证成品钢板显微组织均匀的同时，沿厚度方向尤其成品钢板中心部位的显微组织细小均匀；第二阶段在奥氏体未再结晶区内轧制，为了避免在混晶区和低塑性区轧制，开轧温度880～900 ℃，终轧温度800 ℃，最后三道次压下率大于15%，轧后层流冷却返红温度650 ℃。轧制后进行钢板下线堆冷。

3.6 两相区热处理工艺

热处理方法对Q460GJEZ35钢板组织调控和性能有显著影响，需综合考虑高强度、低温冲击韧性、低屈强比等多项性能要求。高强钢通过单相奥氏体淬火获得单一组织，对于提升强度改善韧性效果明显，但屈服强度、抗拉强度检测结果差值小，导致屈强比较高。因此，为有效控制屈服比、提高强度、保证低温冲击韧性，抗震耐蚀耐火钢Q460GJEZ35采用双相区热处理工艺，即高温淬火、淬火、回火工艺的结合。

在两相区淬火之前要进行一次高温淬火，即预备淬火，目的是细化奥氏体晶粒，其原理是轧态试样的原始组织较淬火态试样的粗大，且轧态试样组织中存在部分退化珠光体和铁素体。总体来说，碳元素分布不如淬火态试样组织均匀，碳含量较高的部分容易形成奥氏体晶核，提前进入奥氏体化状态，而经高温淬火后形成的贝氏体在重新加热过程中会优先在贝氏体晶界处形核，生成沿晶界独立分布的细小奥氏体，之后奥氏体在沿晶界生长过程中合并成网状，温度继续升高，晶内也开始生成细小的奥氏体。随着奥氏体形核质点变多，奥氏体向贝氏体中推进的速度较慢,晶粒生长速度随之变慢。

两相区淬火工艺在常规调质工艺基础上增加了亚温淬火。研宄结果表明，若组织中存在两种或多种不同强度的相，在塑性变形过程中由软相先发生屈服，在进一步的形变过程中由硬相来提供抗拉强度，从而造成钢的屈服强度较低而抗拉强度较高，使得总体屈强比下降，同时两相区淬火细化晶粒效果明显。其细化晶粒可以概括为四个方面：第一，两相区淬火加热温度相对较低，原子扩散系数较小，晶界迁移速度较慢；第二，两相区淬火存在的部分未溶铁素体会阻碍奥氏体晶界迁移，抑制其晶粒长大，由于杂质在铁素体中的溶解度大于在奥氏体中的溶解度，减少了杂质在奥氏体晶界富集的几率，从而达到用一定比例的韧性相铁素体提高低温韧性的目的；第三，在两相区淬火前增加高温淬火工序，高温淬火组织属于非平衡的贝氏体组织，其中存在很多亚结构，包括贝氏体铁素体的亚片条、亚单元、超细亚单元等且有相当数量的位错，两相区加热时，保留了部分亚结构和位错作为奥氏体晶核形核中心，提高了奥氏体形核率。淬火后回火处理则能消除淬火钢中的残余应力，进一步提高其韧性。

使用JMatPro软件模拟Q460GJEZ35的过冷奥氏体连续冷却转变曲线(CCT曲线)如图1所示，从两相区以不同速度冷却时存在奥氏体向铁素体的转变、珠光体的转变、贝氏体转变。采用不同的冷却速度对试样连续冷却后，观察与分析其金相显微组织，如图2所示。可知：当冷却速度为0.1 ℃/s时，相变组织为铁素体、珠光体；当冷却速度为1 ℃/s时，相变组织为铁素体、贝氏体；当冷却速度为10 ℃/s时，相变组织为全贝氏体组织。

图1 Q460GJEZ35的CCT曲线

a—冷却速度0.1 ℃/s；b—冷却速度1 ℃/s；c—冷却速度10 ℃/s。
图2 不同冷却速度下试样的显微组织

综上，结合特厚板淬火水池冷却能力及模拟试验数据可知，冷却过程中,在较高温区域钢板冷却速度较快，随着温度下降，冷却速度逐渐减小，获得贝氏体+铁素体组织的最小冷却速度为1 ℃/s。根据成品钢板强韧性、强塑性匹配和屈强比匹配的关系，确定详细热处理工艺见表3。

表3 Q460GJEZ35热处理工艺

注： T 为保温系数。

4.1 力学性能

Q460GJEZ35力学性能试样取样位置、试样制备按GB/T 2975—2018《钢及钢产品 力学性能试验取样位置及试验制备》要求执行，V型冲击试验执行GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，拉伸性能检测执行GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》，弯曲性能检测执行GB/T 232—2010《金属材料 弯曲试验方法》， Z 向性能检测执行GB/T 5313—2010《厚度方向性能钢板》，高温拉伸性能执行GB/T 228.2—2015《金属材料 拉伸试验 第2部分：高温试验方法》。对钢板调质状态各项力学性能及金相组织进行全方位检验(表4)，可以看出，Q460GJEZ35试板的屈服强度富余45～55 MPa、抗拉强度富余57～77 MPa、伸长率富余4%～7%、屈强比控制在0.78～0.81、厚度方向断面收缩率达60%以上；600 ℃保温3 h的屈服强度达到344 MPa以上,高于室温强度的2/3 (307 MPa)；-50 ℃低温冲击值仍达到180 J以上。所有力学性能指标均保持较高的水平。

表4 Q460GJEZ35性能检测结果

注： R _eL 为屈服强度； R _m 为抗拉强度； A 为伸长率。

4.2 耐蚀性能

评定钢材耐腐蚀性能的关键因素是化学成分、使用环境，按照GB/T 4171—2008《耐候结构钢标准》，通过化学成分测定耐大气腐蚀性能指数 I =7.6～7.9，符合耐腐蚀性指数I≥6.0的相关要求；结合Q460GJEZ35建筑结构用抗震耐蚀耐火钢具体的使用环境，按照GB/T 19746—2018《金属和合金的腐蚀 盐溶液周浸试验》相关要求；将Q460GJEZ35与Q345B加工成腐蚀试样，试样尺寸120 mm×90 mm×2 mm，表面粗糙度0.8 μm。使用0.5%NaCl溶液模拟加速腐蚀试验，60 min为一个试验周期(一个试验周期包含10 min浸渍和取出后50 min的干燥，溶液温度为25±2 ℃)。试验总时间为720 h，分24,120,240,360,720 h五个阶段，腐蚀完毕按GB/T 16545—2015《金属和合金的腐蚀 腐蚀试样上腐蚀产物的清除》要求,测量试样质量变化情况并按照腐蚀速度计算公式测定其腐蚀速率，结果见表5。盐雾腐蚀试验结果表明：两种材料均显示了同样的腐蚀规律,即随着试验时间延长,腐蚀速率逐渐趋于稳定,Q460GJEZ35钢的腐蚀速度低于Q345B的,且腐蚀速度下降比Q345B的快。通过对锈层进行分析,发现Q345B 内外锈层都比较疏松,Q460GJEZ35外锈层较疏松但内锈层致密,检测发现内锈层中富集了Cu、Cr、Mo、Ni元素，能够有效阻碍有害介质的侵入,使Q460GJEZ35具有良好的耐腐蚀性能。

表5 盐溶液周浸试验结果

4.3 显微组织

Q460GJEZ35显微组织如图3所示，夹杂物总级别控制在1.5以内，经两次淬火+回火形成的组织为铁素体+贝氏体+索氏体，晶粒度9～10级。

a—100倍；b—500倍；c—3 000倍。
图3 Q460GJEZ35显微组织

本项目通过对汉冶特钢开发的Q460GJEZ35的现场生产试验，系统研究了抗震耐蚀耐火钢的成分设计、冶炼和浇铸工艺、轧制和热处理工艺，得到钢板成分、组织与性能的关系。结论如下：

1)通过采取高温、低速、大压下及硬壳法轧制工艺，促进原始铸态晶粒被充分破碎，轧制力渗透至钢锭中心部位，起到“压合”钢锭内部浇铸缺陷的作用，保证了内部质量。通过合理的温度控制将晶粒度控制在9～10级，有效改善高温热强性。

2)通过两相区淬火工艺提高强度并产生一定比例的韧性相铁素体可提高低温韧性，同时实现软硬相合理搭配以降低屈强比，最终得到的组织为铁素体+贝氏体+索氏体多相组织。

3)汉冶特钢采用“铁水→KR脱硫→转炉→LF+VD→水冷模模铸→钢锭加热→轧制→ACC控冷→QLT热处理”生产Q460GJEZ35抗震耐蚀耐火钢板的工艺路线合理可行，整板性能均匀稳定。