一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢及其生产方法与流程

本发明涉及结构钢及其生产方法，尤其涉及一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢及生产方法。技术背景屈强比，是指钢材的屈服强度与抗拉强度的比值。该指标是衡量钢材强度储备的重要系数。通常，钢铁材料的屈强比较高时，表明该种材料的抗变形能力较强，不易在外力作用下发生塑性变形。因此可以在机械结构设计过程中节约材料、减轻结构的重量；但同时，材料抗外力冲击的能力较差，发生脆性破坏的风险也较大，材料的可靠性也较低。钢铁材料的屈强比较低时，表明该种材料的塑性较好，具有较强的抗外力冲击能力，材料的可靠性也较高。因此，为确保钢铁材料的可靠性，避免脆性断裂事情的发生，国家对钢铁材料的屈强比有明确的要求，即：一般碳素钢屈强比为0.6-0.65，低合金结构钢为0.65-0.75。低合金高强结构钢在煤炭行业应用广泛。煤炭行业综采设备主要包括“两机一架”，即：采煤机、刮板运输机和液压支架。其中，液压支架占煤炭综采设备的比重近50％。据统计，一套中高端支架用钢通常在4800～8800吨，其中，钢板约占支架总重的90％。过高的设备重量，不利于现场生产的灵活组织，因此，为满足生产现场灵活组织、调度的需要，很多大型煤炭机械制造企业根据现场实际，迫切要求钢铁企业提供屈服强度在550MPa以上且-20℃冲击功满足GB/T1591-2008要求的Q550D钢种，确保生产出的液压支架在满足安全生产前提下，大幅降低支架用钢量；同时，由于煤炭机械作业环境十分恶劣，要求Q550D钢种兼具良好的抗冲击性能和抗震性能。钢材产品的力学性能主要取决于钢中的组织构成，对于Q550D而言，为确保该钢种的屈服强度和抗拉强度满足GB/T1591-2008要求，就必须要确保钢中的贝氏体和铁素体比例。贝氏体是指过冷奥氏体在中温范围内形成的由铁素体和渗碳体组成的非层状组织，该组织通常具有较高的力学强度，但韧性较差，在较大的外力冲击下，容易发生断裂。铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，该组织具有良好的塑性和韧性，但强度和硬度都很低，同时冷加工硬化缓慢，可以承受较大减面率的拉拔。因此，当钢中的贝氏体含量较多时，钢材主要体现出力学强度较大，但韧性较差的特点，屈强比偏高；反之，当钢中的铁素体含量较多时，钢材主要体现出力学强度较小，但韧性较强的特点，屈强比偏低。钢材产品较低的力学性能或较高的屈强比，都无法满足煤炭机械制造用户对于钢材产品的要求。因此，只有合理控制钢中铁素体和贝氏体含量比例，才能确保Q550D产品的力学性能和屈强比均能够满足GB/T1591-2008和用户的要求。目前，国内许多钢铁企业已成功开发出Q550D低合金高强钢系列产品。其主要做法是在冶炼过程中，向钢中加入一定量的B元素，由于B是一种表面活性元素，能够吸附在奥氏体晶界上，延缓γ→α的转变，其在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核而有利于贝氏体的形成。因此，B元素对铁素体生成的延缓要比对贝氏体延缓大得多，相关钢铁企业正是利用B元素能够有效提高钢淬透性的特点，促进钢中奥氏体向贝氏体的转变，最大限度的提高Q550D内部贝氏体组织含量，确保Q550D的力学强度。现有的Q550D产品虽然在力学性能方面已经能够完全满足煤炭机械企业的要求，但相关产品的屈强比普遍在0.86～0.94范围内，超出国家规定的0.65～0.75的范围，无法满足用户要求。这是由于B元素虽然能够有效提升钢的淬透性能，但其作用机制却十分复杂，对钢板淬透性的作用也较难控制，不利于钢中贝氏体和铁素体含量比例的准确控制。根据试验分析结果，钢中的贝氏体含量往往能够达到90％以上，导致钢材力学强度偏大，韧性偏弱，屈强比较高。根据数值模拟及现场试验的结果表明：当Q550D钢铁素体和贝氏体含量的比例达到0.10～0.35范围时，能够确保力学强度满足GB/T1591-2008要求的前提下，屈强比有效降低到0.8以下。此外，通过实验室研究还发现：在钢中不含B元素，以及在现有的Q550D成分体系下，如果要确保钢中奥氏体向贝氏体的转变，需要将钢板温度降低到530℃以下的同时，确保淬火冷速达到20℃/s以上。而铁素体的开始转变温度在840℃以下，在700℃左右时将停止转变，并且在不同冷速下，均可以实现奥氏体向该组织的转变。因此，在钢中不含B元素的前提下，如果能够确保合适的钢板温度和足够的淬火冷速，就能够实现对Q550D内部贝氏体和铁素体含量的有效控制，并最终满足用户对于该类产品力学性能和屈强比的双重要求。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是提供一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢及其生产方法，该钢种不加入B元素，通过在线调整开冷温度和冷却速度，实现钢中铁素体和贝氏体的含量比例在0.15～0.45范围内，确保Q550D强度满足要求的同时，屈强比控制在0.8以下，满足用户需求。解决上述技术问题的技术方案为：一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢，钢中各元素质量百分比Wt％分别为：C＝0.04～0.09，Mn＝1.40～1.70，Nb＝0.040～0.065，Ti＝0.010～0.030，Cr＝0.15～0.30，Mo＝0.15～0.30，Als≥0.015，其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质。上述的一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢，所述钢中C元素优选为：0.05～0.09Wt％；Mn元素优选为：1.45～1.70Wt％；Nb元素优选为：0.045～0.060Wt％。一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢的生产方法，包括铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→加热炉加热→控制轧制→(DQ+ACC)冷却工艺步骤；所述DQ+ACC冷却工艺中，钢板的开冷温度为750～770℃，钢板的终冷温度为200～300℃，冷却时间在30s以下。上述的一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢的生产方法，所述加热炉加热工艺中，板坯在加热炉内的加热时间为4～5h，加热终了时刻的表面温度控制在1100～1190℃范围内；所述控制轧制采用CR方式轧制，开轧温度为930～1050℃，一阶段终轧温度＞950℃，二阶段开轧温度≤920℃，二阶段开轧时的待温厚度为钢板成品厚度的3倍以上，精轧累计压下率≥66％，终轧温度控制在800～860℃范围内。上述的一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢的生产方法，所述转炉冶炼工艺中控制钢中的氧含量在600ppm以下，控制出钢下渣量在钢水量的0.01％以下，确保钢水的洁净度；所述LF精炼工艺中精炼时间控制在35min以上，精炼结束前10～15min加入铌铁和钛铁合金进行微合金化，有效控制钢中夹杂物级别总和不超过1.5级；所述连铸工艺中钢水过热温度控制在10～35℃范围内，拉速全程控制在0.8～1.0m/min范围内；铸坯下线堆垛缓冷处理。本发明之所以不向钢中加入硼铁合金，主要基于以下考虑：向Q550D中加入定量的硼铁合金，是为了充分利用B元素能够有效提高钢淬透性的特性，即：B是一种表面活性元素，能够吸附在奥氏体晶界上，延缓γ→α转变的作用，其在奥氏体晶界的偏聚阻碍铁素体的形核而有利于贝氏体的形成；因此，该元素对铁素体生成的延缓要比对贝氏体延缓大得多、相关钢铁企业正是利用B元素的这一特点，最大限度的确保Q550D内部形成足够的贝氏体组织，提升Q550D的强度。但是，研究表明：B元素在钢中的溶解度虽然较低，作用机制却十分复杂，对钢板淬透性的作用也较难控制，不利于Q550D最终稳定比例铁素体和贝氏体复相组织的获得。本发明利用冷速的控制，弥补不添加B造成的钢板淬透性不足的问题，实现精准控制Q550D内部组织的含量比例，进而获得优异的屈强比。本发明为确保钢板力学性能满足GB/T1591-2008的要求，采用了控制轧制+(DQ+ACC)冷却的工艺流程，各工艺流程的参数设定范围主要是在参照相关冶金原理的基础上，通过大量现场试验得到的，分析如下：a、将板坯经加热炉加热之后的表面温度控制在1100～1190℃之间可以降低加热过程中氧化铁皮的产生，便于除鳞箱除鳞；而且在此温度范围内，原始奥氏体晶粒尺寸不会急剧长大，便于细化晶粒；b、第一阶段轧制温度控制在950℃以上是为了保证钢板的变形在奥氏体再结晶温区进行，通过反复再结晶细化晶粒；将二阶段的开轧温度定在920℃以下是为了保证其变形是在未再结晶温区内进行，从而避开部分再结晶温区，减少混晶现象；控制钢板二阶段轧制时的厚度为成品厚度的3倍以上，便可以获得累积压下率≥66％，以此获得足够的相变形核点(位错)和驱动力(变形能)；终轧温度控制在800～860℃可以保证钢板在较低的温度下进行变形，减少高温阶段发生的回复等降低位错密度的现象；而且在此终轧温度条件下钢板进入(DQ+ACC)设备进行控制冷却时的温度可以控制在750℃～770℃(大约为此钢的Ar3点附近)，此时钢板的组织主要仍为奥氏体，并生成含量为15％～30％的铁素体组织，从而为确保Q550D的低屈强比性能创造有利的条件。c、实际生产说明钢板出ACC时的终冷温度控制在200～300℃附近，此时，钢板内部剩余的奥氏体组织转化为贝氏体组织，钢中最终的组织构成为铁素体+贝氏体，铁素体与贝氏体的比值控制在0.2～0.43，可以保证钢板的强度符合国标要求的前提下，屈强比稳定控制在0.8以下。本发明的有益效果为：本发明低屈强比Q550D低合金高强结构钢，通过合理的成分设计，消除了B元素对钢基体的不良影响，在保证强度的前提下，采用纯净钢水、优化控温轧制及(DQ+ACC)控制冷却工艺，得到理想的F+B组织及配比，且晶粒均匀细小，力学性能满足GB/T1591-2008的要求，同时相关产品屈强比稳定控制在0.8以下，满足煤炭机械制造用户要求，在同类企业中具有较强的竞争优势。附图说明图1为实施例1所生产的Q550D的500×显微组织图；图2为实施例2所生产的Q550D的500×显微组织图；图3为实施例3所生产的Q550D的500×显微组织图；图4为实施例4所生产的Q550D的500×显微组织图；图5为实施例5所生产的Q550D的500×显微组织图；图6为实施例6所生产的Q550D的500×显微组织图。具体实施方式本发明一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢，钢中各元素的质量百分含量Wt％分别为：C＝0.04～0.09，优选0.05～0.09；Mn＝1.40～1.70，优选1.45～1.70；Nb＝0.040～0.065，优选0.045～0.060；Ti＝0.010～0.030；Cr＝0.15～0.30；Mo＝0.15～0.30；Als≥0.015；其它为Fe和生产过程中不可避免的残余元素和杂质；本发明一种低屈强比Q550D低合金高强结构钢的生产方法，采用铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热炉加热、控制轧制、(DQ+ACC)冷却工艺步骤，其中：转炉冶炼工艺中控制钢中的O含量在600ppm以下，控制出钢下渣量在钢水量的0.01％以下，确保钢水的洁净度；LF精炼工艺中精炼时间控制在35min以上，精炼结束前10～15min加铌铁和钛铁进行微合金化，有效控制钢中夹杂物级别总和不超过1.5级；连铸工艺中钢水过热温度控制在10～35℃范围内，拉速全程控制在0.8～1.0m/min范围内；铸坯下线堆垛缓冷处理；板坯在加热炉内的加热时间为4～5h，加热终了时刻的表面温度(出炉温度)控制在1100～1190℃范围内；控制轧制工艺中采用CR方式轧制，开轧温度为930～1050℃；一阶段终轧温度＞950℃；二阶段开轧温度≤920℃，二阶段开轧时的待温厚度为钢板成品厚度的3倍以上，精轧累计压下率≥66％，终轧温度控制在800～860℃范围内；采用DQ(直接淬火)+ACC(快速冷却)冷却方式控制冷却，钢板的开冷温度为750～770℃，钢板的终冷温度为200～300℃，冷却时间在30s以下。以下通过具体实施例1～6对本发明做进一步说明：实施例1～6选用260mm大断面连铸坯以保证压缩比，生产厚度规格为20～30mm的Q550D成品钢，在炼钢生产过程中LF精炼工艺中精炼时间控制在35min以上，全程微正压操作防止钢水吸氮；采用石灰、铝线、铝粒等造白渣脱硫，快速成渣，脱硫过程合理控制气量，严禁采用大气量搅拌；采用锰铁、硅铁、铝线、钛铁进行成分调整，在LF后期成白渣脱硫后进行Als调整，精炼结束前10～15min加铌铁和钛铁进行微合金化，成分调整完成后取样前软吹时间不低于3min；出站S≤0.010％以下，Ca≥25ppm，有效控制钢种夹杂物级别总和不超过1.5级；连铸工艺中浇注过程中全程保护性浇铸，使用二冷区电磁搅拌和动态轻压下，钢水过热温度稳定控制在10～35℃范围内，拉速全程控制在0.8～1.0m/min范围内；铸坯下线堆垛缓冷，冷却时间大于24h。实施例1：生产厚度规格为30mm的Q550D成品钢，化学组成如表1所示，轧制及冷却工艺如表2所示，力学性能检测结果如表3所示。表1实施例1的化学成分(Wt％，余量为Fe)炉次号CMnNbTiCrMoAls实施例10.041.400.0400.0100.150.150.015表2实施例1的控轧+(DQ+ACC)工艺表3实施例1的力学性能实施例2：生产厚度规格为25mm的Q550D成品钢，化学组成如表4所示，轧制及冷却工艺如表5所示，力学性能检测结果如表6所示。表4实施例2的化学成分(Wt％，余量为Fe)炉次号CMnNbTiCrMoAls实施例20.071.550.0530.0200.230.230.020表5实施例2的控轧+(DQ+ACC)工艺表6实施例2的力学性能实施例3：生产厚度规格为20mm的Q550D成品钢，化学组成如表7所示，轧制及冷却工艺如表8所示，力学性能检测结果如表9所示。表7实施例3的化学成分(Wt％，余量为Fe)炉次号CMnNbTiCrMoAls实施例30.091.700.0650.0300.300.300.025表8实施例3的控轧+(DQ+ACC)工艺表9实施例3的力学性能实施例4：生产厚度规格为30mm的Q550D成品钢，化学组成如表10所示，轧制及冷却工艺如表11所示，力学性能检测结果如表12所示。表10实施例4的化学成分(Wt％，余量为Fe)炉次号CMnNbTiCrMoAls实施例40.071.600.0570.0210.240.250.020表11实施例4的控轧+(DQ+ACC)工艺表12实施例4的力学性能实施例5：生产厚度规格为20mm的Q550D成品钢，化学组成如表13所示，轧制及冷却工艺如表14所示，力学性能检测结果如表15所示。表13实施例5的化学成分(Wt％，余量为Fe)炉次号CMnNbTiCrMoAls实施例50.081.650.0550.0250.260.270.025表14实施例5的控轧+(DQ+ACC)工艺表15实施例5的力学性能实施例6：生产厚度规格为20mm的Q550D成品钢，化学组成如表16所示，轧制及冷却工艺如表17所示，力学性能检测结果如表18所示。表16实施例6的化学成分(Wt％，余量为Fe)炉次号CMnNbTiCrMoAls实施例60.091.700.0600.0300.300.300.028表17实施例6的控轧+(DQ+ACC)工艺表18实施例6的力学性能当前第1页1 2 3