輸變電鐵塔用高強(qiáng)角鋼的研制開發(fā)

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陳春生，周研，張海芹，楊樹鵬

(唐山鋼鐵股份有限公司技術(shù)中心，河北唐山063016)

摘要：唐鋼采用V—N微合金化開發(fā)了輸變電鐵塔用高強(qiáng)角鋼Q420。介紹了高強(qiáng)角鋼的成分設(shè)計、生產(chǎn)工藝，并對其高溫?zé)崴苄浴⒑附有阅芗皼_擊性能等進(jìn)行了研究和探討。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)角鋼；Q420；V—N微合金化；產(chǎn)品開發(fā)

中圖分類號：TG335．41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003—9996(2008)增刊2—0026—05

1 前言

長期以來，我國輸變電鐵塔用鋼材采用Q235和Q345兩種強(qiáng)度等級，與發(fā)達(dá)國家相比，品種少，強(qiáng)度值偏低，不僅影響了輸變電及鐵塔制造行業(yè)在國際市場上的競爭力而且造成了工程投資的增加和資源的浪費(fèi)。目前，我國每年用于110～500kV輸變電線路鐵塔制造的鋼材總量為200多萬噸，其中角鋼占84％左右，有關(guān)部門預(yù)計，其需求量每年將遞增10％左右。為了滿足市場需求，進(jìn)一步提升我國輸變電工程競爭力，開發(fā)制造輸變電鐵塔用高強(qiáng)度級別角鋼尤為重要。

2高強(qiáng)角鋼的微合金化

2．1 高強(qiáng)角鋼的微合金化工藝選擇

高強(qiáng)度低合金鋼(HSLA)是通過添加微合金元素，發(fā)生細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化，而使產(chǎn)品獲得較高強(qiáng)度。

晶粒細(xì)化：晶粒細(xì)化可通過控制軋制，即在再結(jié)晶終止溫度以下完成精軋，產(chǎn)生扁平或薄餅狀奧氏體晶粒從而最終可形成細(xì)小的鐵素體晶粒。采用這種控制軋制(CR)工藝的典型鋼種為鈮微合金鋼。CR工藝要求在較高的溫度完成再結(jié)晶軋制后進(jìn)入較低的精軋溫度進(jìn)行非再結(jié)晶軋制，而唐鋼現(xiàn)有工藝裝備不能滿足上述工藝的要求。晶粒細(xì)化還可以通過再結(jié)晶控制軋制(RCR)來實(shí)現(xiàn)，RCR工藝依靠反復(fù)道次間再結(jié)晶來獲得較細(xì)的奧氏體晶粒，從而獲得最終細(xì)小的鐵素體晶粒。另外，鋼中添加V—N合金形成的細(xì)小析出相具有兩個作用達(dá)到了細(xì)化晶粒的目的：一是阻礙γ一α相變期間鐵素體長大；二是在奧氏體晶內(nèi)提供了大量鐵素體形核核心，通過形成晶內(nèi)鐵素體(IGF)細(xì)化晶粒。

沉淀強(qiáng)化：與其他微合金化元素相比，鋼中的V能在較低的溫度下溶人奧氏體，而當(dāng)鋼冷卻至鐵素體區(qū)域時大部分V能夠參與沉淀強(qiáng)化，因此V是沉淀強(qiáng)化最強(qiáng)的元素。大量的實(shí)驗研究表明，V—N微合金化能夠進(jìn)一步促進(jìn)V的沉淀強(qiáng)化。

綜合上述分析，高強(qiáng)角鋼Q420適于采用V—N微合金化工藝生產(chǎn)。

2．2成分設(shè)計和性能分析

為設(shè)計Q420鋼種成分，對唐鋼Q345低合金角鋼力學(xué)性能及化學(xué)成分進(jìn)行回歸分析，得到以下回歸方程：

Rm=164．22＋467．04ω(C)＋176．78ω(Mn)＋112．94ω(Si)＋1205ω(V)

ReL =143．4＋142．46ω(C)＋110．69ω(Mn)＋115．8ω(Si)＋1516．1ω(V)

通過上式計算，角鋼使用V—N合金進(jìn)行微合金化處理，每0．01％釩可提高鋼材屈服強(qiáng)度約15MPa；提高抗拉強(qiáng)度約12MPa。

因此，綜合考慮設(shè)計Q420rrB鋼種化學(xué)成分如表l所示。

2．3金相組織及析出物

選取140mm×140mm×12mm規(guī)格的Q345和Q420角鋼做金相組織對比，其中Q420角鋼V含量為0．075％、N含量為140×10-6，Q345角鋼V含量為0．021％、N含量為83×10-6。對應(yīng)金相組織如圖1、圖2所示。Q420角鋼平均鐵素體晶粒尺寸為14．58μm，而Q345角鋼平均鐵素體晶粒尺寸為13．05μm，可見，Q420角鋼晶粒明顯細(xì)化。

對上述試驗鋼析出物的形態(tài)和分布采用透射電鏡進(jìn)行觀察，對析出相進(jìn)行能譜分析。圖3、圖4為Q420、Q345角鋼電鏡照片。能譜分析表明Q420角鋼析出物為V的碳氮化物，且析出數(shù)量明顯高于Q345角鋼；從粒子分布看，V—N微合金化鋼中析出相數(shù)量多，粒子尺寸更為細(xì)小，這是V—N微合金化鋼提高強(qiáng)韌性的主要原因。

3高強(qiáng)角鋼性能研究

3．1 高強(qiáng)角鋼的高溫?zé)崴苄匝芯?/FONT>

微合金鋼在一定溫度范圍內(nèi)，會顯示出略低的高溫塑性，而連鑄坯在低塑性區(qū)進(jìn)行矯直時會產(chǎn)生裂紋。研究表明[8]，V—N微合金鋼隨著V×N積的升高，鋼的熱塑性變差，其延展槽變得更深、更寬。

研究V—N微合金化鋼的高溫?zé)崴苄宰兓?guī)

律，可以指導(dǎo)連鑄工藝的調(diào)整。該研究在Gleeble－3500試驗機(jī)上進(jìn)行，試驗用鋼化學(xué)成分為ω(C)=0．19％、ω(Mn)=1．20％、ω(Si)=0．42％、ω(S)=0．022％、ω(P)=0．032％、ω(V)=0．062％、ω(N)=0．0113％。

試樣以10℃／s的速率加熱，溫度達(dá)到1250℃后保溫5min，然后以3℃／s的冷速降至不同的溫度，保溫2min后以1×10-3／s的應(yīng)變速率進(jìn)行拉伸。圖5為斷面收縮率(礎(chǔ))隨溫度變化情況，可以看出，在1250～970℃，試樣具有良好的塑性，R4值都在75％以上，只有到了920℃，礎(chǔ)才小于60％，唐鋼供軋角鋼軋制用連鑄坯矯直溫度一般均在950℃以上，因此正常連鑄工藝即可保證不出現(xiàn)由微合金化元素引起的裂紋。

3．2高強(qiáng)角鋼韌脆性轉(zhuǎn)變溫度測定

圖6為部分規(guī)格角鋼不同溫度下的沖擊性能均值，以27J的V型夏比沖擊值作為韌脆性轉(zhuǎn)變溫度，測定Q420角鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度約為一5℃。

3．3高強(qiáng)角鋼焊接性

試驗用鋼為140mm×140mm×14mm規(guī)格Q420角鋼，碳當(dāng)量為0．44％。按照GB4675．5—84《焊接熱影響區(qū)最高硬度試驗方法》進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，在室溫下焊接和預(yù)熱150℃焊接時，熱影響區(qū)維氏硬度最高值分別是HV291和Hv271，平均值分別為HV269和HV254。最高硬度值均未超過HV350，說明角鋼的淬硬性傾向性不大，焊接性較好。

按照GB4975．1—84《斜Y坡口焊接裂紋試驗方法》進(jìn)行試驗試驗，結(jié)果如表2所示。

綜合上述試驗分析：結(jié)合熱影響區(qū)最高硬度試驗結(jié)果，Q420角鋼焊前可不預(yù)熱。但結(jié)合鋼材的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度試驗結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時，應(yīng)進(jìn)行焊前預(yù)熱150℃，以避免產(chǎn)生裂紋。

3．4高強(qiáng)角鋼的沖擊性能

表3為我國鐵塔用角鋼新制定的YB／T4163—2007《鐵塔用熱軋角鋼》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，電力鐵塔角鋼全部要求按B級驗收。B級角鋼要求滿足室溫(20℃)沖擊性能，由于以前國內(nèi)角鋼需求均為A級，大多數(shù)角鋼生產(chǎn)企業(yè)沒有批量生產(chǎn)經(jīng)驗，特別是目前鐵塔角鋼強(qiáng)度升級工作進(jìn)展迅速，強(qiáng)度升高帶來沖擊值降低，所以進(jìn)行高強(qiáng)角鋼沖擊性能研究尤為必要。

唐鋼二鋼軋廠生產(chǎn)電力鐵塔角鋼的現(xiàn)有工藝路線在煉鋼、連鑄、軋制等各工序要滿足潔凈鋼冶煉及控制軋制難度較大，采用結(jié)晶器喂絲技術(shù)很好地解決了潔凈鋼冶煉的問題。在結(jié)晶器喂鋁絲既能解決連鑄堵塞大包及中間包水口問題，又使鋼水保持一定量的鋁含量，保證鋼水夾雜物變性、減少鋼中氧含量、細(xì)化鑄坯晶粒，從而保證鋼材的沖擊性能。

通過試驗分析，喂絲后角鋼的沖擊性能得到提高，且喂絲工藝未對正常生產(chǎn)產(chǎn)生影響，適宜工業(yè)化生產(chǎn)。

取喂絲連鑄坯分析：喂絲后連鑄坯斷面A1分布基本均勻，但Als與Alt相差114×10-6，說明中包鋼水氧位較高，喂絲后氧化較多，見表4。

鋼中含有一定量酸溶鋁后角鋼沖擊值明顯增大，喂絲后含A1s≥0．015％以上的角鋼比A1s＜0．015％的角鋼沖擊功平均值升高10J。

取同規(guī)格(180mm×14mm)典型Q420角鋼做金相對比，圖8為未喂絲產(chǎn)品，其沖擊值為26．67J，A1s為0．0014％，全氧為82×10-6；圖9為同期喂絲產(chǎn)品，其沖擊值為88J，其A1s為0．019％，全氧為60×10-6。綜合分析，鋼中氧及酸溶鋁含量對應(yīng)一定的金相組織，而組織中的晶粒度大小、夾雜物級別最終決定了鋼材的沖擊性能。