JFE采用TMCP技术开发高性能H型钢(二)

 TMCP技术在H型钢的创新

  H型钢轧制特点和奥氏体再结晶行为。在H型钢轧制工艺中,为了保证孔型轧制和万能轧制过程中的成型性,材料被加热到1250℃或更高的温度,高于板材轧制的加热温度。在这一高温下,奥氏体晶粒会快速长大。而且,在H型钢热轧工艺中,每个道次的压下量和总压缩比均小于钢板轧制。因此,为了保证延性和韧性,热轧过程中初期奥氏体晶粒尺寸的充分细化变得尤为重要。

  含铌钢则表现为由奥氏体细晶和粗晶共同组成的混合显微组织,这是因为奥氏体的再结晶行为受到铌的抑制。如果此时进行加速冷却,将形成贝氏体粗晶,会降低材料的延性和韧性。通过分散于钢中稳定的精细析出物来抑制奥氏体晶粒生长,是促使奥氏体进一步细化的有效途径。

  适用于H型钢轧制的TMCP技术。为了促进初始奥氏体晶粒的细化和热轧过程中奥氏体相的再结晶,有必要设计合适的化学成分。虽然铌是TMCP钢中有用的元素,但生产H型钢时必须审慎地选择铌的添加量和轧制程序。在热轧中,首先要保证高温区的压缩量,以确保初始奥氏体粗晶的充分再结晶,随后进行快速冷却,可生产出高强度、高延性和高韧性的优质H型钢。

  为了研究传统控制轧制钢和TMCP钢的强度和韧性,JFE在实验室中模拟了H型钢轧制过程。TMCP钢的显微组织与传统控制轧制钢的比较显示:传统控制轧制钢的显微组织是铁素体+珠光体组织,而TMCP钢的显微组织是精细的贝氏体组织。虽然在强度方面TMCP钢与传统控制轧制钢处于同一水平,但TMCP钢具有更好的韧性。

  低屈强比H型钢综合性能良好

  化学成分和生产条件。低屈强比SM520级SHH型钢的典型化学成分见表1,它与通用的430MPa级(抗拉强度)钢具相同的含碳量和碳当量。其生产工艺是:在1250℃以上的温度保温后,在高温下进行热轧(综合考虑压下率和轧制温度),再用型钢加速冷却装置(Super-OLACS)进行快速冷却。JFE所生产的该钢种为:H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米和H1000毫米×400毫米×16毫米×32毫米定外型尺寸H型钢。

  材料性能。翼缘厚度为40毫米的该H型钢在翼缘1/6宽~1/4宽的部位的微观组织为微细的贝氏体组织。抗拉试验结果和夏比冲击试验结果显示:该H型钢翼缘1/6部、倒角部和腹部都获得了满足标准的高强度,屈服比低于80%;夏比冲击吸收功为200焦以上,说明新开发的H型钢的母材具有良好的强度和韧性。

  该H型钢采用CO2气体保护焊,在预热温度5℃、湿度60%的环境下,根据JISZ3158标准进行了y坡形焊接裂纹试验,结果显示:在预热温度5℃的环境下,没有焊接裂纹,显示了良好的焊接性能。根据JISZ3101标准进行的短焊道焊接的热影响区最高硬度试验表明:在焊接长度超过20毫米时,焊接热影响区的最高硬度小于HV350,具有能满足日本建筑施工标准(JASS6)的良好焊接性能。

  JFE采用CO2气体保护焊对翼缘厚40毫米的该H型钢进行多层堆焊,以检查了其焊接头性能。焊接材料采用MG-56级(直径1.2毫米),实验条件为无预热、道次间最高温度小于250℃,进行9层16道次的焊接,焊接的输入热量为3千焦/毫米。焊接头的试验结果显示:焊接部没有发现熔合不良、裂纹等有害焊接缺陷。同时,断裂强度大于550兆帕,且断裂发生在母材上的现象说明,该H型钢具有良好的焊接接头强度。此外,焊接接头夏比冲击试验结果显示:焊接金属、熔合线和焊接热影响区均有100焦以上的良好夏比吸收能值。

  目前,低屈服比SM520级(抗拉强度)SHH型钢已经应用于日本国内的高层建筑物。

  寒冷环境使用的低温韧性H型钢

  化学成分和生产工艺。SM490Y级(抗拉强度)H型钢的典型化学成分见表2。为满足包括焊接部在内的低温韧性,JFE应用热影响区高韧性化技术(JFEEWEL)对其进行了成分设计。应用先进型TMCP工艺,JFE制造出最大尺寸为H918毫米×303毫米×19毫米×37毫米和最大翼缘厚度为H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米的SHH型钢,并将之与添加了Nb、V和Ni等微合金元素的传统H型钢(翼缘厚为24毫米)进行了比较。

  材料性能。传统H型钢和TMCP钢的强度和韧性试验结果显示:尽管TMCP钢的翼缘厚度大,还是获得了SM490Y级(抗拉强度)的高强度,且-40℃下的夏比冲击功达到200焦以上,具有低温韧脆转变温度低于-50℃的优良低温韧性。

  JFE使用YGW-23级(直径1.2毫米)焊接材料,采用MAG焊接(熔化极活性气体保护电弧焊,保护气体为80%Ar+20%CO2)对该H型钢进行了7层13道次的焊接,最大焊接输入热量为3千焦/毫米,道次间温度低于350℃。最终的焊接头试验结果说明:熔合线、焊接热影响区在-40℃低温下均得到大于200焦的高夏比吸收功值,该H型钢(包括焊接部)具有优良的低温韧性。