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微合金化钢生产技术要点

时间: 2011-07-08 06:12 来源: 作者: 东涛 孟繁茂 傅俊岩点击:
1 管线用钢的生产技术

1. 管线用钢

制造石油、天然气集输和长输管或煤炭、建材浆体输送管等用的中厚板和带卷,称为管线用钢(steel for pipeline)。一般采用中厚板制成厚壁直缝焊管,而板卷用于生产直缝电阻焊管或埋弧螺旋焊管。国内拥有60万吨/年口径在1800mm以内的螺旋焊管的生产能力,近年已建立了口径在1600mm以内的直缝厚壁焊管的生产线。国内能生产符合AP15L标准的管线工程设计要求的管线钢仅有10多年的历史,首推宝钢,还有鞍钢、武钢、攀钢、酒钢、舞钢等,稳定生产X60—X65级管线钢并在国际市场上占有一定的地位,试生产的X70级管线钢质量也达到了国际先进水平。

2. 国内外油气管线建设现状

近50年欧洲共辅设输气管线241条,消费钢材达503万吨,采用X65和X70级管线钢占89%;输油管线33条,用钢量26万吨,X65—X70级管材为40%。涝1969—1998年间新建油气管线中X70级钢材占到55.25%。迄今为止,全球已建成X80级输气管线8条,总长462Km,管径f1118—f1219,壁厚在12.0—13.6mm。并已研制成功X90和X100级管线用钢。

我国油气管线建设进入第二个高峰期,今后10年内油气开发的规模将超过以往50年。将铺设输油管7540Km,输气管线14570Km,约需X42—X65级管线钢508万吨,中俄输油管线工程及另外4条国际输气管的境内部分长度在12385Km。西气东输工程管材选X70级,设计输气压力为10Mpa,按管径f1016、壁厚14.7mm估算,需管线钢175万吨左右。

3. 管线钢的技术要求

现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢,是高技术含量和高附加值的产品,管线钢生产几乎应用了冶金领域近20多年来的一切工艺技术新成就。目前管线工程的发展趋势是大管径、高压富气输送、高寒和腐蚀的服役环境、海底管线的厚壁化。因此现代管线钢应当具有高强度、低包申格效应、高韧性和抗脆断、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蚀。优化的生产策略是提高钢的洁净度和组织均匀性。C≤0.09%、S≤0.005%、P≤0.01%、O≤0.002%,并采取微合金化,真空脱气+CaSi、连铸过程的轻压下,多阶段的热机械轧制以及多功能间歇加速冷却等工艺。管线钢的性能十分稳定,X70级屈服强度和抗拉强度的波动值小于70Mpa,抗HIC钢的冲击功波动值在70J左右。国内外管线规范中没有对管线用钢材的韧性指标,仅对管材有具体要求:

① 最低使有温度下(-5℃)DWTT≥85%SA;
② 最低使用温度下(-5℃)夏比冲击吸收功≥145J。

2 造船用钢的生产技术

1. 造船用钢

建造民用或军用船舶的钢铁材料,都称之为造船用钢。有钢板、型材、管材、铸锻件等等。但习惯上造船用钢仅指船舶壳体用的钢板,有一般强度造船钢板、高强度造船钢板和海军舰艇壳体用钢板三大类别。

2. 造船用钢的技术要求

① 对强度的要求。较高的强度可以减少船体的重量,减少焊接工作量,增大承载能力。高强度钢的采用又受到船体刚性和耐蚀性的制约。

② 船体线形较为复杂,有多类型的单曲线或双曲面,要采用冷、热弯及矫正等多种成形操作,要求钢材对造船工艺的适应性,还包括在焊接和修补。

③ 对塑性和韧性的要求足以补偿由于建造过程中各种操作的加工硬化和热循环对材质的影响。对于艏柱、船体纵弯应力最大的部位、船底及舷部止裂板等重要部位,要求高的抗裂性,要求在低温条件下具有较低的延一脆性转变温度和足够的冲击吸收功。

④ 耐海水腐蚀性

3. 造船用钢的需求

进入90年代,国际海运量的增长高于运力的增量,船舶市场新船建造和旧船成交活跃,头5年新船交易达3200万排水吨位。我国仅船舶工业总公司系统共造船676万吨,后5年可再造350—400万吨。占世界造船量1/10。

我国造船业已能建造28万吨级油轮、15万吨级散货轮、1200吨钻井平台、4200m3LPG船、3000m3液化气船及全程自控高速水翼船。

国内涉及造船的船舶公司、交通部和农业部的造船能力在600万吨左右。可为冶金、电力、石化、水电、煤炭、城建及轻工等行业建造24大类数千种非船舶产品。但生产能力略低于日本的1400万吨和韩国的1300万吨。

目前造船钢材年需量在200万吨,其中造船钢板在100—120万吨左右。国内基本可以生产四个钢材品种、五个级别的船板。240Mpa级一般强度船板需求仍是主要的,450、600Mpa级高强度船板亦能生产。

4. 造船用钢生产技术要点

① 对于A、D级船板洁净度要求≤0.008s、≤0.015P、E级要求≤0.005%S、≤0.010%P、F级要求≤0.002%S,≤0.005%P。对于海军舰艇用钢板为保证NDT≤-550C,要求≤0.002%S、≤0.005%P,≤40ppmN、≤10ppmO和≤1.0ppmH。精炼工序是必不可少的。

② A、D级可以采用热轧、控轧交货,E和F级允许正火处理或热机械轧制状态使用。

必须要区分控轧和热机械轧制的差距,现标准规定不具备热处理条件就不能生产E级和F级船板。

③ 钢的质量要求,还包括对外形方面和尺寸精度的要求,超声波探伤的要求及性能稳定性的要求。

目前国内几乎所有有轧板条件的钢厂都已通过论证,可以生产一般强度的A、B、D级船板。

但一般船板的E级和高强度级船板仅限于鞍钢、武钢、舞钢、浦钢和重钢生产。

3 桥梁用钢的生产技术

1. 桥梁用钢

这里所说的桥梁用钢单指大型箱梁结构公路桥和铁路桥栓焊结构用的钢板或型材,不包括悬索和吊缆用的钢丝绳、栓焊梁用的高强度螺栓用钢。

2. 桥梁用钢特点

在20世纪50年代,桥梁建造由铆接结构向焊接结构过渡,对桥梁用钢的要求有了很大的变化 ,主要有几个方面:较高强度,良好的焊接性,良好的断口和时效性能,较高的低周疲劳性能,以及较好的耐大气腐蚀性。历史上曾采用3%的铬钢或镍钢来造桥,在使用低合金高强度钢之后,桥梁用钢的屈服强度由230Mpa逐步升级提高到抗拉强度590Mpa级和785Mpa级的调质热处理型的钢材,国外一些大气耐腐蚀钢也有被用于建造桥梁,如日本的SMA570。美国的Corten钢等。

3. 桥梁用钢的需求

在50年代我国采用345Mpa级的CXЛ-1钢建造了武汉长江大桥,60—80年代基本上采用同一强度等级的16Mnq钢建造了南京长江大桥等一批栓焊结构桥梁,直至90年代的京九线上第一次选用了440Mpa级的 15MnVNq钢建造九江长江大桥。微合金化一控轧钢的应用开启了我国现代桥梁用钢新的一页。StE355钢用于上海黄浦江的南浦、杨浦和徐浦大桥,14MnNbq钢用于芜湖长江大桥,武汉长江二桥和南京长江二桥。

我国平均年建一般公路8500Km,高速公路1300Km。单跨400m以上的公路桥梁8座。在铁路建设方面,包括东—西部通道,西—南部通道和国际铁路工程,合计将新建改造线路达10000余Km,仅线路上的桥梁建设,需桥梁用钢15万吨。据预测在2001—2005年期间,对桥梁用钢板的需求在23—25万吨之间。

4. 桥梁用钢生产的技术要点

桥梁钢有耐候钢和非耐候钢的区分,还是以非耐候钢为主,典型的钢种牌号有16Mnq,15MnVNq,14MnNbq,SM490。SM520,SM590B、C、ASTMA709,STE355、STE380、STE420等。国内应用的发展趋向看、铁路桥主要用14MnNbq,公路的悬索桥和斜拉桥主要选择STE355,这两个牌号都属于含Nb,微合金化钢。

不论转炉或电炉冶炼,都要求炉外精炼,洁净度要求不很高,但要保证≤0.010%S.≤0.02%P。

在性能上要求较小的波动范围。Nb-Ti复合微合金化(14MnNbq)和Nb-V-(Mo)复合微合金化,既能达到120~160J的冲击吸收功和低于-45℃的零塑性转变温度,而且具有较优良的抗时效性能,对于桥梁用钢是十分重要的。

4 高层钢结构建筑用钢的生产技术

1. 高层钢结构建筑用钢

自50年代起,高层建筑已成为国际上城市建筑的发展趋势。我国的建筑规范也在发展,尤其是在改革开放以来,高层建筑成为城市现代化的标志,由钢筋混凝土结构,钢筋混凝土—钢混合结构、向钢结构过渡。钢结构建筑采用专用钢板和型材,由于技术要求和生产工艺的特殊性,形成一个特殊的钢材品种,统称为高层钢结构建筑用钢。

2. 我国高层钢结构建筑现状

我国民用现代高层钢结构建筑,自1985年起步,至今已建成或正在建设的约有30栋,已结构完工的高度294.1m的深圳地王大厦和高365m的上海金茂大厦是目前我国高层钢结构建筑之最,总用钢量分别为1.2万吨和1.4万吨。

我国台湾省76年以前,供住宅使用建筑物高度不超过20m,77年放宽至200m,71年以后,采用抗震钢材和框架斜撑结构,至今已完工16栋。台北市新光人寿大厦1990年建,50层,用钢量2.0万吨,高雄市国际广场1993年峻工,85层、用钢量5.8万吨。

3. 钢结构基本技术要求

① 高层钢结构建筑受力复杂,要求安全可靠,能够抵抗突发灾害(如水、火、地震、风暴等)。因此,除了有足够的屈服强度和抗拉强度外,还要求具有低的屈强比、良好的冷变形能力和高的塑性变形功,在局部超载失稳的情况下不发生瞬间的断裂。
② 具有良好的焊接性
③ 良好的断裂韧性
④ 厚度40mm以上焊接连接梁柱节点用钢要求抗层状撕裂性能

4. 高层钢结构建筑用钢技术要点

我国这一专用钢材品种的生产起步较晚,目前已形成的舞钢和浦钢为主的板材生产基地和以马钢、鞍钢为主的H型材生产基地,主要钢材牌号有Q345B、Q345B—Z8.5、SM400B、SM490B、SM490B—Z25、及ASTMA572/A572M Gr50等。

① 舞钢采用超高功率电炉冶炼—LF/VD炉外精练—连铸或模铸—4200轧机—热处理的流程。产品用于天津云顶大厦、上海信息枢纽大厦、大连云山大厦、厦门国际会展中心。

② 浦钢采用由宝钢TDS铁水预脱硫—转炉冶炼—cas-OB/RH-OB精炼—连铸的钢坯由本厂的4200/3500轧机轧板—双步进梁式热处理炉的工艺流程。产品亦已成功用于建造大连远洋大厦、深圳世贸大厦、天津国贸大厦及长春光大银行。

③ 马钢:H型材生产采用由德国和美国引进的多机架万能H型钢轧机。具有较高自动化程度。马钢、鞍钢和莱钢的总设计能力为140万吨。可以生产100—700mm的产品。目前腹高超过700mm窄翼缘系列和翼缘宽超过400mm的宽翼缘系列还不能生产,而这些规格在铁路桥梁,海上石油平台上使用比例很高。

5. 建筑用钢特别要求

① 高层钢结构建筑承受风荷的作用,层间位移角为1/400,约为钢筋混凝土结构的一倍。在地震作用下,层间位移角为1/250,约为钢筋混凝土结构的两倍。以上海浦东金融大厦为例,风荷位移角为1/533,北京中国国贸中心的地震位移角为1/266。

② 一般建筑钢材在3000C以下屈服强度基本上稳定,在500℃和600℃时,屈服强度分别为常温下的0.48和0.27%。提高钢的耐火性十分重要,远比采用防火和增加防火层结构要省工、省料、增加了建筑的有效使用面积,又减少了环境污染。日本和美国已设定对耐火钢的指标要求,600℃、1—3小时内,屈服强度大于常温下的2/3.

现有经验表明,针状铁素体和贝氐体组织的钢具有高温强度的稳定性。采取添加Mo、Mo-Nb、降低Mn,可以有效提高耐火性。

③ 广泛采用轻钢建筑彩涂钢板

5 汽车用钢的生产技术

汽车制造工业是一个国家综合国力的标志。大力发展我国的汽车生产,将汔车制造业列为支住产业是我国自“八五”以来的经济发展目标之一。计划在2000年汽车总产量270万辆,汽车保用量达2210—2320万辆,至2010年分别为600万辆和4400—5000万辆。如何实现汽车用钢的国产化,提高汽车用钢的质量就成为一个关键问题。

1. 汽车用钢

汽车制造主要采用钢铁材料,通常所说的汽车用钢指的是三大类别:

① 汽车大梁用钢
② 汽车滚型车轮用钢
③ 冲压薄钢板

各类载重汽车主要采用高强度冲压钢板制造底盘的纵梁、横梁和保险杠;车轮的轮辋和轮辐一般采用热轧板,轿车生产则以冷轧或热轧薄板为主,又以热镀锌薄板占主要部分。目前发展的超轻型轿车需要高强度可深冲的板材,高级轿车要求IF钢及无指纹钢板。而农用汽车系列则需要耐用钢板,强度级别和精度不是主要目标。

2.汽车板的基本要求

除了对于结构材料必需的强度和塑韧比外,还需满足:

① 良好的成形性能,能冲压成形,耐皱不裂,
② 良好的刚性和抗凹陷性,在冲撞情况下最大限度地吸收能量。
③ 良好的耐腐蚀性,对于轿车要求5年不锈、10年不穿孔。
④ 良好的焊接性,保证在线的高效焊接和装配。
⑤ 良好的喷涂性,对涂镀层的极好附属力。
⑥ 较高的尺寸精度和表面质量。是自动生产线的需求,也是高质量汽车的需要。

3.常规车型用钢

汽车通常采用热轧碳素钢板,高强度低合金钢板,热轧薄板,冷轧薄板,热镀锌板,电镀锌板,镀铝板,镀铬板,彩涂板和板等。国内常规车型对这些钢材品种的单车消耗量如表所示。

表 我国八种车型薄钢板单车消耗量(kg/辆)

目前汽车板品种的发展趋势在4个方面:

① 超深冲级和特超深冲级的薄板,第三代冲压用钢的主要是超低碳无间隙原子钢的生产。
② 为满足现有优良冲压成形性,又具有足够刚度、抗凹陷性及耐腐蚀性的全部烘烤硬化钢生产。
③ 合金化处理的镀锌板生产,提高耐蚀性。
④ 高亮度镜面板的生产,改善汽车面板的平坦度,反光性和润滑性。

4.汽车板生产的技术要点

以冲压或成形汽车板为例:

① 通过铁水预处理、精选废钢及钢包精炼的工艺技术保证S、P、N、O、H的总量低于100ppm
② 低碳或超低碳,转炉复吹和真空脱气技术可使钢的碳含量低于10ppm
③ 微合金化元素的含量控制在0.02%以内。
④ 高强度钢板为保证优良的综合性能,有条件的情况下采取多阶段强制冷却工艺。
④ 讲究冷轧板的退火工艺,达到力学性能的最大均匀性。

6 集装箱用钢的生产技术

1. 集装箱用钢主要特点

集装箱运输是当今世界主要的现代化运输方式,随着国际贸易的活跃,多式联运的发展、大陆桥的沟通,发展集装箱运输愈来愈重要。

我国集装箱制造业起步较晚,但发展很快,拥有制造厂约40家。1993年产量即占世界首位,1997年产量为100万个标准箱。占世界总产量的70%。

集装箱制造主要钢铁材料包括钢板、槽钢、方管、主角铸件。

1997年我国生产集装箱用各类钢材110万吨,国产钢板30万,进口采用钢板40万吨。近年由宝钢和武钢开发一系列集装箱用耐候钢板和非耐候钢板,钢板自给率已达到75%,用于Corten箱和半Corten箱。随着高技术含量,高附加值的冷藏箱、保温箱、罐式箱、可折叠式平架箱等品种的开发,增加了对耐磨蚀钢,耐低温钢的需求。

2. 集装箱用钢生产技术要求

对集装箱用面板主要有三项要求:

① 足够的抗凹陷、抗损伤性。
② 较好的耐腐蚀性、尤其要求耐海洋大气的腐蚀。
③ 良好的加工性能,要求可焊性、可成形。

广泛采用Corten钢的原因就在于屈服强度比碳素钢高40%,能承受较大的撞击力,不出现凹痕和划伤,表面油漆附着性好。裸露Corten钢在海运中在相当长的时间内不会腐蚀。

宝钢自1996年以来已生产集装箱用钢材30万吨以上,开发了普通经济型Cu—p耐候钢、高耐候性钢和高焊接性钢三种类型。武钢开发了集装箱制造专用的耐候钢,具有30万吨/年生产能力。

7 工程机械用钢的生产技术

1. 工程机械用钢

矿山开采和各类工程施工用的设备,如钻机、电炉、电动轮翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重设备及煤矿液压支架等机械装备总称为工程机械。这些机机械的制造,所需的焊接结构部件用材、通常称为工程机械用钢,属于焊接高强度钢范畴。工程机械用钢还可包括型材、履带板、耐磨铸钢、钢绳和钢绞线等。

2000年各类工程机械对高强度钢板的需求量见表22,大致需求的年增长量12—15%,预测2005年和2010年分别消费140万吨和220万吨。

2. 对工程机械用钢的技术要求

工程机械用钢板基本上有两大类,一是焊接高强度钢板,二是高硬度高耐磨损板。

对于焊接高强度钢,用于工程机械的主要结构,承受复杂多变的周期载荷,因此要求钢材具有高的屈服强度和疲劳极限,良好冲击韧性、冷成形性和优良的焊接性能。随着工程机械向大型化和轻型化方向发展,又要求节省能源和延长寿命,所以要求钢材更高的强度级别,板厚由6mm至50mm,甚至达200mm。强度板由400Mpa至1200Mpa,使用状态包括热轧、正火、调质、时效等不同类型。

高硬度高耐磨钢主要用于工程机械的耐磨部件,如装载机的斗板,翻斗车的衬底板、挖掘机的铲齿,要求钢材的表面硬度有HB235—500的不同级别,所以这类钢往往是以淬火+回火调质状态交付使用。并按实际使用硬度和板厚来选择钢种和牌号。

在钢的生产汽车用钢技术方面,前一类在包括强度的同时,要提高韧性、为此要以较低碳含量和焊接碳当量,着眼于钢的合合化和热处理工艺;后一类不讲究高的焊接性。注重钢的固溶强化机制和硬质析出相的晶体结构类型及在钢中的弥散分布。

3. 近年工程机械用钢的发展

① 随着炼钢工艺和装备的更新,新的合金设计和工艺参数得以实现,如深脱氧和钛处理工艺,薄板坯连铸的应用。
② 采用微合金化,Nb微合金钢的热机械处理得以最广泛的推广应用。
③ 含硼钢的轧后直接淬火技术的应用,已生产出980Mpa级焊接高强度钢和1080Mpa级可焊耐磨钢。(end)

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