阅读说明：本技术 一种含稀土的铌微合金化高强耐候角钢及生产工艺 (Rare earth-containing niobium microalloyed high-strength weather-resistant angle steel and production process thereof ) 是由 周成 贾阳光 王厚昕 郭爱民 高玉含 张乐 刘峻松 玄东坡 周游 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及钢铁生产技术领域,提供了一种含稀土的铌微合金化高强耐候角钢及生产工艺,其化学成分以质量百分数计：C：0.05-0.12％,Si：0.20-0.65％,Mn≤1.10％,Cu：0.20-0.55％,Cr：0.30-1.25％,Ni：0.12-0.65％,Nb：0.015-0.060％,P≤0.020％,S≤0.020％,RE：0.01-0.04％,Ceq≤0.44,I≥6,余为Fe和杂质,生产工艺包括连铸坯生产、角钢轧制、角钢矫直。本发明添加RE以减少或替代Cr以降低成本,以Nb代V来细化组织增加强韧性,并严控S含量,获得强度级别高、低温韧性好、焊接性能和耐腐蚀性能优良的角钢。(The invention relates to the technical field of steel production, and provides a rare earth-containing niobium microalloyed high-strength weather-resistant angle steel and a production process thereof, wherein the niobium microalloyed high-strength weather-resistant angle steel comprises the following chemical components in percentage by mass: c: 0.05 to 0.12%, Si: 0.20-0.65%, Mn is less than or equal to 1.10%, Cu: 0.20-0.55%, Cr: 0.30-1.25%, Ni: 0.12-0.65%, Nb: 0.015-0.060%, P is less than or equal to 0.020%, S is less than or equal to 0.020%, RE: 0.01-0.04%, Ceq is less than or equal to 0.44, I is more than or equal to 6, and the balance is Fe and impurities. According to the invention, RE is added to reduce or replace Cr to reduce the cost, Nb is used for replacing V to refine the structure and increase the toughness, the S content is strictly controlled, and the angle steel with high strength level, good low-temperature toughness, excellent welding performance and excellent corrosion resistance is obtained.)

一种含稀土的铌微合金化高强耐候角钢及生产工艺

技术领域

本发明涉及钢铁生产技术领域，特别涉及一种含稀土的铌微合金化高强耐候 角钢及生产工艺。

背景技术

输电线路长期暴露在大气中，塔材腐蚀较为严重，虽然采用镀锌钢能缓解大 气腐蚀危害，但存在镀锌成本高、镀锌工艺污染环境和镀锌铁塔后期需维护等问 题。当前新材料、节能环保已成了时代发展的符号，今后国家将会逐步推行更为 严格的环保政策，钢铁材料的热浸镀锌工艺将会逐步受到限制和禁止。耐候钢在 美国、意大利和日本等发达国家的输电铁塔被成功应用，以及在我国的铁路、船 舶和桥梁等行业中被广泛推广，但至今在国内输电线路实际工程较少。目前，耐 候角钢的应用与推广主要存在以下两个问题：一是成分设计不合理，合金成本较 贵；二是生产工艺不合适，力学性能较差。

伴随着电压等级提高，要求铁塔承载能力不断增强，又要尽量降低塔重和走 廊占地。我国特色的资源稀土元素，可以净化基体、提高保护性锈层的致密度， 减少或替代Cr的使用来降低成本。近年国内轧钢厂对加热装置、精炼和轧制设 备等进行了改造升级，完全具备使Nb发挥最佳强韧化的能力。由于环保政策的 推行，带来钒铁价格的剧烈变动，有利于以Nb代V微合金化的推广。含稀土的 铌微合金化高强耐候角钢的应用可以简化杆塔结构，减轻单根构件的重量，相应 减少运输、安装等费用和降低大气腐蚀损失，延长输电铁塔的寿命。

发明内容

所解决的技术问题：

长期以来，我国输电铁塔用钢主材使用Q345，斜材以Q235为主，采用VN 合金化或Nb、V和Ti多元微合金化来保证其强度，热镀锌防腐，与国际先进国 家相比，输电铁塔用材强度值偏低，致使我国输电线路铁塔耗钢量比其他国家大， 材质可选择余地较小。同时，由于环保政策的推行，带来钒铁价格的剧烈变动。 而选取别的金属元素代替V，可有效规避钒铁价格的波动。

本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种含稀土的铌微合金化高 强耐候角钢及生产工艺，通过采用低C改善焊接性能、Nb微合金化保证力学性 能，添加RE优化耐腐蚀性能的设计思路，调整两阶段轧制温度制度和压下规程 的生产工艺，生产出规格为16#、18#、20#的Q460级别耐候角钢，以解决现有 的成分设计不合理(取代V)和生产工艺不合适的问题。

本发明所提供的含稀土的铌微合金化高强耐候角钢所采用的技术方案是:低 C、低S、Nb微合金化和添加RE，配合两阶段的控轧生产工艺。

Nb具有显著的晶粒细化和中等强度的沉淀强化，Nb微合金化保证角钢的力 学性能，允许降低的碳含量，从而改善耐候角钢的焊接性能。

RE的添加一方面可以细化微合金元素沉淀相，增加沉淀相析出数量，发挥 了细晶强化和析出强化的作用。另一方面Nb、Ni等微合金元素可以增大稀土在 钢中固溶量，固溶的稀土具有脱硫、脱氧、夹杂物变性等作用，减少点腐蚀的发 生，还可以促进保护性锈层的生成。

耐候角钢中Nb和RE刚柔并济，在提高角钢的力学性能和耐腐蚀性能的同 时，发挥本土资源优势、减少合金成本。

本发明采用如下技术方案：

一种含稀土的铌微合金化高强耐候角钢，化学成分以质量百分数计为：C： 0.05-0.12％，Si：0.20-0.65％，Mn≤1.10％，Cu：0.20-0.55％，Cr：0.30-1.25％， Ni：0.12-0.65％，Nb：0.015-0.060％，P≤0.020％，S≤0.020％，RE：0.01-0.04％， 其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步的，所述角钢的屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度Rm≥570Mpa，延 伸率A≥20％，冲击吸收功Akv(-20℃)≥34J、Akv(-40℃)≥27J。

根据角钢碟式孔型轧制过程变形条件下的相变理论和压下系数规律，制定的 轧制温度制度和压下规程，轧制依次分为粗轧和精轧两阶段：粗轧在再结晶区， 开轧温度在1050-1150℃，多道次大压下量变形，为精轧阶段积累大量位错和储 存能；精轧在未再结晶区，终轧温度为870-920℃，由于应变诱发铁素体和析出 相的钉扎作用，得到细小均匀铁素体和珠光体组织，进一步提高角钢的综合性能。

一种上述含稀土的铌微合金化高强耐候角钢的生产工艺，依次包括：连铸坯 生产、角钢轧制、角钢矫直。

进一步的，连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后 依次进行转炉冶炼、LF精炼、最后进行钢坯连铸；铁水深脱硫后硫元素的质量 百分比控制在0.020％以下，将铁水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸，电 磁搅拌，改善铸坯内部质量。

进一步的，角钢轧制过程中，采用蓄热步进梁式加热炉对待轧制的连铸坯进 行加热，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，轧制结束后进行空冷处理。

进一步的，对待轧制的连铸坯进行加热的温度控制在1180℃-1210℃，轧制 过程的开轧温度为1050℃-1150℃，终轧温度为870-920℃。

进一步的，角钢矫直过程中，上冷床的温度控制在750-800℃，冷却时间控 制在2.5h以内，50℃以下矫直。

进一步的，矫直机采用9辊双支撑变节距式矫直机，弯曲度控制在0.15％以 内。

进一步的，角钢为等边热轧角钢，其规格为16#、18#或20#，总压缩比大于 6。

本发明的有益效果为：通过成分的优化设计和调整生产工艺，添加RE净化 基体减少或替代Cr的使用和以Nb代V保证力学性能，并严格控制S元素含量， 实现该产品的稳定生产，获得机械性能稳定、焊接性能和耐腐蚀性能良好的高强 耐候角钢。本发明所得含稀土的高强耐候角钢的产品的屈服强度Rel≥460MPa， 抗拉强度Rm≥570Mpa，延伸率A≥20％，冲击吸收功Akv(-20℃)≥34J，Akv (-40℃)≥27J。

具体实施方式

下文将详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的 技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从 而达到更好的技术效果。

本发明实施例中，以Nb代V；Nb具有显著的晶粒细化和中等强度的沉淀 强化，Nb微合金化保证角钢的力学性能，允许降低的碳含量，从而改善耐候角 钢的焊接性能(以2019年3月份原料市场价核算，采用本发明设计成分，合金 成本可节约不低于156元/吨，不包含节省后期维护等费用)。本发明通过以Nb 代V，提高其力学性能，达到Q460级别高强角钢要求，可以简化杆塔结构，减 轻单根构件的重量，相应减少运输、安装等费用。

RE作为我国特色的资源稀土元素，固溶的稀土具有脱硫、脱氧、夹杂物变 性等作用，减少点腐蚀的发生，还可以促进保护性锈层的生成，加之我国Cr耐 蚀性合金元素成本较高，RE以减少或替代Cr，从而降低大气腐蚀损失，延长输 电铁塔的寿命(本发明中，实例一中0.02wt％RE元素的添加对耐蚀性的贡献与 0.04wt％Cr的添加相当，实例二中0.026wt％RE元素的添加对耐蚀性的贡献优于 0.04wt％Cr元素的添加)。

角钢工业生产多采用孔型轧制，本发明实施例为发挥Nb在钢中的作用，加 热温度控制在1200℃，固溶Nb以Nb(CN)的形式控制奥氏体晶粒长大的作用。 在设备能力和工艺参数范围内，每道次压下率与轧制温度配合，在再结晶最低温 度附近，因固溶拖曳作用，Nb就开始促进“扁平化”奥氏体组织的生成，在这 种较高温(比如>950℃，甚至>1000℃)下的扁平组织如果后面及就进入空冷， 易造成晶粒的异常长大，形成粗大不均的等轴晶，最终造成相变铁素体晶粒的粗 大。当变形逼近再结晶停止温度及以下时，压扁的奥氏体被应变诱导析出的Nb 会钉扎住，产生使相变组织在整个截面上更细化和均匀的效果，减轻粒状贝氏体 和魏氏体产生的倾向，故采用两阶段控轧制，粗轧过程在再结晶区，开轧温度控 制在1100℃，精轧过程在未再结晶区，开轧温度控制在940℃，终轧温度控制为 880℃，总压缩比大于6。此外，轧后冷却过程的Nb对组织转变的动力学产生的 影响并不大，可以采用空冷替代水冷或风冷，减少生产成本，最终获得细小的铁 素体+珠光体组织保证力学性能。

实施例1：

实施例1提供了规格为20#的含稀土的铌微合金化高强耐候角钢，其化学成 分以质量百分数计为：C：0.11％，Si：0.34％，Mn：0.84％，Cu：0.32％，Ni： 0.25％，Cr：0.37％，Nb：0.042％，P：0.0062％，S：0.01％，RE：0.026％，Ceq： 0.33，I:6.14，其余为Fe和不可避免的杂质。

1.连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后依次进行 转炉冶炼、LF精炼、最后进行钢坯连铸，其中铁水深脱硫后硫元素的质量百分 比控制为0.010％，将钢水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸手段，电磁搅 拌等措施，改善铸坯内部质量。

2.角钢轧制步骤中，采用蓄热步进梁式加热炉，加热温度控制在1200℃，轧 制前高压水除磷，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，开轧温度为1096℃， 终轧温度为880℃，总压缩比为8，轧制结束后进行空冷处理。

根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)进行拉伸性能测试和《金 属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T229-2007)进行V型缺口试样冲击试验以及 《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》(GB/T19292.4-2003)进行周期浸润腐 蚀试验，测试腐蚀速率如表2所示，所得含稀土的高强耐候角钢产品的屈服强度 Rel：460MPa，抗拉强度Rm：564Mpa，延伸率A：33％，冲击吸收功Akv(-20℃)： 79J，Akv(-40℃)：64J，室温组织均为带状铁素体+珠光体。

实施例2：

实施例2提供规格为20#含稀土的铌微合金化高强耐候角钢，化学成分以质 量百分数计为：C：0.12％，Si：0.44％，Mn：0.79％，Cu：0.30％，Ni：0.21％， Cr：0.39％，Nb：0.029％，P：0.0081％，S：0.0080％，RE：0.020％，Ceq:0.36， I:7.48，其余为Fe和不可避免的杂质。

1.连铸坯生产步骤中，先进行铁水预处理，脱除铁水中杂质，然后依次进行 转炉冶炼、LF精炼、最后进行钢坯连铸，其中铁水深脱硫后硫元素的质量百分 比控制为0.008％，将钢水浇注成一定尺寸的铸坯，通过保护浇铸手段，电磁搅 拌等措施，改善铸坯内部质量。

2.角钢轧制步骤中，采用蓄热步进梁式加热炉，加热温度控制在1200℃，轧 制前高压水除磷，轧制过程依次分为粗轧阶段和精轧阶段，开轧温度为1097℃， 终轧温度为879℃，总压缩比为8，轧制结束后进行空冷处理。

根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T228-2002)进行拉伸性能测试和《金 属材料夏比摆锤冲击试验方法》(GB/T229-2007)进行V型缺口试样冲击试验以及 《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》(GB/T19292.4-2003)进行周期浸润腐 蚀试验，测试腐蚀速率如表2所示，所得含稀土的高强耐候角钢产品的屈服强度 Rel：483MPa，抗拉强度Rm：584Mpa，延伸率A：33％，冲击吸收功Akv(-20℃)： 133J，Akv(-40℃)：113J，室温组织均为带状铁素体+珠光体。

从上述实施例中可以看出，本发明一种含稀土的铌微合金化高强耐候角钢的 成分设计及其生产工艺，添加RE和以Nb代V的耐候角钢配合两阶段轧制生产 工艺，使得含稀土元素的铌微合金化高强耐候钢，保证强韧性的同时具备高耐腐 蚀性能，综合性能稳定突出。上述实例中角钢屈服强度Rel≥460MPa，抗拉强度 Rm≥570Mpa，延伸率A≥20％，冲击吸收功Akv(-20℃)≥34J，Akv(-40℃) ≥27J，成功开发出综合性能优良的Q460级别高耐候角钢。

对比样1为与实例钢采用相同的生产工艺的高Cr耐候角钢，对比样2为唐 钢生产普通Q420级别角钢，其化学成分以质量百分数计见表1所示，周期浸润 腐蚀试验数据如表2所示，结果表明RE的添加可以减少Cr含量，提高耐腐蚀 性能。

表1对比样的成分质量分数/wt.％

Steel	C	Si	Mn	Cu	Cr	Ni	Nb	V	P	S
											对比样1	0.10	0.38	0.73	0.30	0.75	0.20	0.037	-	0.0055	0.0093
对比样2	0.16	0.30	1.46	0.18	0.033	0.01	-	0.0662	0.025	0.0090

表2实施例钢和对比样钢的周期浸润腐蚀试验数据

本发明通过成分的优化设计和调整生产工艺，添加RE以减少或替代Cr含 量以降低成本，以Nb代V来细化组织增加强韧性，并严格控制S含量，最终获 得强度级别高、低温韧性好、焊接性能和耐腐蚀性能优良的角钢。通过采用本发 明建造输电铁塔，可以简化杆塔结构，减轻单根构件的重量，相应减少运输、安 装等费用和降低大气腐蚀损失，延长输电铁塔的寿命。

本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理 解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例 只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。