Q420级铁塔用高强度角钢的开发_铁塔用角钢分析

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Q420级铁塔用高强度角钢的开发

黄礼胜1，汪崇青1，陈其伟2（1.马鞍山钢铁股份有限公司 第二钢轧总厂，安徽 马鞍山 243000；2.安徽工业大学，材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002）

摘要：通过合理设计化学成分，采用VN微合金化工艺，优化轧制工艺，开发出输电铁塔用Q420角钢。试制表明：生产的Q420角钢组织细小均匀，力学性能、焊接性能良好，产品完全满足超高压输电线路工程的要求。关键词：Q420；输电铁塔；角钢

中图分类号:TG332

文献标识码：B

doi:10.3969/j.in1671-7872.2011.01.008

Development of Q420 High Strength Angle Steel for Transmiion Tower

HUANG Li-sheng1,WANG Chong-qing1,CHEN Qi-wei2

(1.No.2 Steelmaking and Rolling General Plant,ma’anshan Iron & Steel Co.Ltd.Ma’anshan 243000,China;2.School of Materials Science and Engineering,anhui University of Technology Ma’anshan 243002,China)Abstract: A new Q420 angle steel was developed for electricity transmiion tower by optimized design of chemical compositions, micro-alloying with VN, and optimized rolling proceing.The experimental results show that good mechanical properties could be achieved with homogenous fine grain size in Q420 steel,which could fully meet the requirements of high voltage transmiion line project.Key words:Q420；transmiion tower；anger steel Q420B高强度铁塔用角钢用于输变电铁塔，输变电铁塔是超高压输电线路工程的关键，也是输电线路安全控制的关键，国外发达国家输电铁塔多采用Q400、Q450、Q500级角钢制造。国内长期以来输变电铁塔多采用 Q235、Q345级为主要强度级别角钢的设计、生产。据国家对该产品的统计数据显示，在同样的载荷设计下, 使用Q420级角钢代替Q345级角钢可平均降低用钢量20％左右。根据要求，对于Q420角钢（厚度≤16mm规格）：屈服强度ReL≥430 MPa，抗拉强度Rm530～680 MPa，伸长率A≥18％，纵向冲击功AkV≥34 J（20℃），弯曲性能180°（a=试样厚度，d=弯心直径）d＝2a。为了满足国内对高强度角钢的市场需求，马钢二钢轧总厂在C-Mn钢基础上，开发输电铁塔用Q420角钢。

1化学成份及生产工艺设计

1.1化学成份

根据中国电力科学研究院制订的《输电铁塔用Q420角钢交货技术条件》，结合马钢二钢轧总厂生产的Q345级铁塔用角钢的组织和性能的特点，制订了马钢Q420B 高强度铁塔角钢的产品标准（熔炼成分w%）：C 0.12～0.17, Si0.15～0.35, Mn 1.20～1.50, S、P≤0.035, V 0.06～0.09, Ceq 0.38～0.42。少量钒的加入具有晶粒细化、沉淀强化作用，颗粒越细小,强化作用越大1.2生产工艺

Q420B 高强度铁塔角钢的开发以马钢二钢轧现有的4座40t顶底复吹转炉、炉外吹氩精炼站一座、4机4流小方坯弧形连铸机、蓄热式加热炉1座、8架φ650轧机为设备基础。工艺流程为：转炉冶炼→吹氩精炼→连铸→650轧机轧制。

1.2.1炼钢工艺

（1）为保证Ceq 在0.38%～0.42%，控制成品成份时，应注意碳锰协调，如表1。微量元

[1]，氮在钒钢中起着决定性作用，随钢中氮含量增

[2]加,V(CN)析出相数量增加,颗粒尺寸和间距明显减小。

素碳当量按0.02%计算：

Ceq＝C＋Mn/6＋Si/24＋Ni/40＋Cr/5＋Mo/5＋V/14

表1

碳、锰含量协调表

w（C）% 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17

w（Mn）% 1.44～1.50 1.38～1.50 1.32～1.50 1.26～1.50 1.20～1.44 1.20～1.38（2）因没有铁水预处理，w[S]≤0.035%，同时要求上道工序铁厂控制好铁水带渣量。

（3）出钢温度控制≤1680℃；出钢时间控制在1.5～4.5min，圆流出钢；出钢挡渣：出钢前必须清除炉帽浮渣，并堵好出钢口；出钢时严禁冲渣或钢渣混出；出钢3/4时，向炉内出钢口上方加入挡渣球。（4）脱氧合金化。合金及脱氧剂加入顺序：部分硅铝铁→硅锰合金→锰铁→钒氮合金→余下硅铝铁（5）转炉冶炼后，进行炼站处理。吹氩时间≥5分钟，吹氩压力以保证液面微微波动，钢水不裸露或大翻为原则进行控制；出站温度：1570～1585℃。

1.2.2连铸工艺

连铸采用合理的浇铸温度控制（即过热度控制），避免过高的过热度促使柱状晶生长，产生凝固搭桥形成中心疏松加重中心偏析。生产过程中钢水出精炼站至开浇之间的镇静时间控制在8～15分钟；采用LMK型保护渣、高档铝碳锆质浸入式水口浇注，侵入式水口插入深度100～120mm，进行全程保护浇注，防止钢水吸入空气及水分，减少 [O]的污染；结晶器水采用弱冷，二冷水的冷却强度，比水量取＜1L/kg，矫直温度大于900℃，尽量减少铸坯表面横向裂纹。

1.2.3轧制工艺

轧制原料为160mm×200mm的矩形连铸坯，采用平轧闭口蝶式孔型系统，经过12道次轧制。轧制时轧条在成品孔中的压下变形小，成品表面质量好，同时腿部开口位置上下交替布置的闭口蝶式孔，可以达到轧件稳定、腿长波动小、公差容易控制的目的。

温度制度：均热温度1250℃，开轧温度≥1080℃，在设备能力允许的情况下尽量降低终轧温度，控制在950℃以下。

[4]2试制结果与分析

2009-02-03—07,马钢第二钢轧总厂轧制51个批号，规格125mm角钢，投料1733.851t，合格品1595.781t，成材率92.04%。2.1组织和性能

在09020124、09020125两个批号的试样上取样做金相检验，显微组织均为多边铁素体+珠光体（见图1），晶粒大小基本上不超过20μm，且组织均匀。

从合金化路线来看，本次采用钒氮合金作为一种合金添加剂，这可以显著提高钢的强度，而不影响其塑性和焊接性。因此，目前国内许多钢铁企业已采用钒氮合金化技术生产高强度钢。

添加钒氮合金不仅形成钒与碳化合物，还能够形成氮化物和碳氮化物，这些化合物在高温下溶解，在低温下析出；且可以通过不同工艺控制所要求尺寸的质点。其作用主要表现在：加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大；在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后晶粒长大；低温时起到析出强化的作用。

由于尺寸效应，弥散的钒的碳、氮化物小颗粒固溶在奥氏体中一般都偏聚在晶界上，这对奥氏体晶界起钉扎作用，即阻止奥氏体晶粒长大；另一方面，固溶在奥氏体中的钒氮微合金与奥氏体中的缺陷相互作用，使奥氏体更加稳定，再结晶核心形成困难，阻碍奥氏体再结晶，从而使奥氏体状态下的变形缺陷保留。同时高氮钒钢中由于在晶内有V(C,N)的析出，该质点作为铁素体形核的质点。这两个方面都为铁素体转变时铁素体形核率提高提供基础，有利于铁素体晶粒的细化[5]。

添加钒氮合金除了细化晶粒之外还具有沉淀强化作用。钢中增氮后，氮能强烈地提高析出驱动力，钒以富氮的V(C,N)形式析出，通过析出沉淀强化提高钢的强度水平[5]。钒在钢中的沉淀强化和细晶强化作用

加强，显著改善钢的强韧性。

图1 金相显微组织（×100）

力学性能的检验印证了上述分析。51个批号的成品力学性能全部合格，性能统计见表2，工序能力指数Cpk均大于1，各项性能指标均达到技术条件要求。从性能上看，试制完全达到了预期目标。

表2 力学性能统计

最大值 最小值 平均值 技术条件要求 ReL/MPa 520 440 470.2 ≥430

Rm/MPa 630 565 596.2 530～680

A/% 30.0 23.0 26.7 ≥18

Akv，20℃/J

194 40 90.8 ≥34（20℃）

供国家电网北京富达公司Q420B高强度铁塔角钢，已经用于向家坝至上海特高压直流工程，产品质量获得了用户好评，无一起质量异议，完全满足超高压输电线路工程的要求。2.2焊接性

Q420高强度铁塔角钢的含碳量低，而含Mn量较高，S,P元素含量很低，具有较好的抗热裂性能，正常情况下焊接不会出现热裂纹。含碳量地，不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。但是由于Q420角钢是钒氮合金强化的高强钢，在焊接过程中需要注意焊接热影响区中粗晶区脆化问题。焊接热影响区中被加热至1100℃上的粗晶区，当焊接线能量过大时，粗晶区的晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化。为降低热影响区粗晶脆化造成的不利影响，应合理选择焊接工艺参数，采用较小的焊接线能量。实验证明,实际生产中，采用50级或55级焊条的手工电弧焊和55级焊丝的CO2气体保护焊及埋弧焊方法焊接Q420钢，能获得良好的焊接接头。而且焊接接头抗冷裂性较好，焊后均不需要任何热处理工艺。用户对材料焊接性也没有提出任何负面意见。2.3存在问题及分析

从试制情况来看，个别批次出现的腿端裂纹缺陷。夹杂物评级见表3，09020125批号的C类夹杂物（硅酸盐类）照片见图2。硅酸盐类夹杂跟冶炼过程中脱氧合金化（硅铁作为合金化元素和脱氧剂双重作用）有关，主要是一方面合金料加入不匹配，另一方面净搅拌时间不够或者吹氩力度不够造成夹杂物不能有效上浮。为解决这个问题，下一阶段需要进一步优化合金使用制度，尽可能使用复合脱氧剂；同时采取措施使这类夹杂物在冶炼过程中能够有效上浮。

表3 夹杂物评级

轧制批号

细系

09020124 09020125 0 0 A 粗系 0 0

细系 0 0

B

粗系 0 0

细系 2.0 2.5

C

粗系 2.5 2.5S

细系 0.5 1.0

D

粗系 0 0

0 0 DS

粗系

细系

图2 C类夹杂物

针对厚规格（角钢125mm×125mm×12mm）个别批次出现的腿端裂纹缺陷，取样分析发现此类缺陷在微观上存在两种类型：一种裂纹扩展方向垂直于表面，并且裂纹底部较为圆滑，深度较浅，裂纹内部无其他物质，周围未发现氧化质点，侵蚀后裂纹边缘有轻微脱碳（见图3）。另一种裂纹扩展方向倾斜于表面，裂纹底部较为尖锐，深度较深，裂纹内部有氧化皮，周围有氧化质点，裂纹处脱碳（见图4）。

图3 第一类裂纹形貌及其附近显微组织

图4 第二类裂纹相貌及其附近显微组织

前一种裂纹由于其内部没有氧化皮及夹杂物存在，裂纹附近也未发现氧化物质点以及明显的脱碳现象，说明其应在轧制过程中产生，与连铸坯缺陷无关，而且此类裂纹仅分布在角钢腿端；第二种裂纹则应起源于坯料，由铸坯表面的微裂纹、气泡等缺陷在轧制过程中扩展而形成的。对第一种裂纹，通过轧制压下量的合理分配，使角钢腿端获得加工，基本可以避免；对第二种裂纹，铸坯表面横向裂纹和气泡较严重，通过适当降低二冷比水量，大包至中包采用长水口保护浇铸，可以有效改善铸坯表面质量。

3结

论

（1）在C-Mn钢基础上，通过合理调整化学成分，采用VN微合金化工艺，优化轧制工艺，使生产的Q420角钢组织细小均匀，力学性能、焊接性能良好，产品完全满足超高压输电线路工程的要求。

（2）高强度角钢的规模生产、在电力铁塔上的成功应用，将为我国电力铁塔结构设计、制造与国际接

轨创造条件。

参考文献:

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