Q420级低合金高强度角钢研制

Q420级低合金高强度角钢研制

【摘 要】采用微合金化路线，某厂成功开发了7个型号、25个规格的Q420级高强度角钢。产品实物质量稳定，综合性能

优良。该产品现已经多家用户广泛使用，并已应用到国家电网改造及建设中。生产实践表明，在型材轧机上采用微合金化路线，开发Q420级角钢是可行的。

【关键词】微合金化 Q420 高强度角钢 中图分类号：TG335.4

1.前言

随着我国电网建设的快速发展，国家电网公司已广泛采用Q420级高强角钢用于330KV及以上输电线路、220KV同塔双回及多回输电线路铁塔建造。采用Q420高强角钢替代Q235、Q345角钢，通过材质强度的提升，能有效地降低了铁塔设计重量，节省了材料，对我国输电线路建设意义重大。

某厂利用现有角钢孔型系统，在不新增工模具投入的基础上，成功开发出10#～20#等7个型号、25个规格Q420级角钢产品。全年生产Q420B角钢5万余吨，成材率93.69%，性能合格率99.9%。

2.Q420级角钢生产工艺

2.1 微合金化工艺

2.1.1 微合金化方案选择

Q420级角钢属于低合金高强度钢，其强度的提高主要依靠晶粒细化和沉淀强化两个机理实现。目前低合金高强度钢主要采用Nb、V、V-N微合金化，配合合适的轧制工艺实现强度的提升。而角钢属于长材产品，生产速度快，轧制温度高，主要形变阶段轧制温度在奥氏体再结晶以上，其工艺特点决定了更适合采用V或V-N微合金化工艺，通过形成碳化物、氮化物或碳氮化物达到提升强度的目的。

对含钒钢的众多研究表明，氮对于含钒钢是十分有效的元素，在钒氮合金中大约每加入0.01%的钒可

[1]

带入0.0010%的氮，同时钢的屈服强度增加6MPa以上。因此通过充分利用廉价的氮元素，可显著提高含钒钢的强化效果，达到节约合金含量、降低成本的目的。综合分析，采用V-N微合金化工艺更适合Q420角钢生产。

2.1.2 化学成分设计

Q420角钢成分设计采用控制C、Mn元素含量，主要通过加入V-N微合金化，来保证角钢力学性能。在满足国家标准规定前提下，对Q420角钢成分控制提出如下要求，见表1。

牌号 Q420B 元 素 国标要求 控制范围 表1 Q420B角钢化学成分 % C Si Mn P S V N CEV ≤0.20 ≤0.55 1.00~1.70 ≤0.040 ≤0.040 ≤0.20 ≤0.015 ≤0.45 0.14~0.20 0.20~0.50 1.35~1.70 ≤0.030 ≤0.025 ≤0.20 ≤0.015 0.41~0.45 2.2 工艺流程设计

Q420级角钢工艺流程为：脱硫铁水→转炉冶炼→合金化→LF钢包精炼→连铸浇150×210mm、250×250mm、250×280mm断面连铸坯→连铸坯精整→型钢厂→铸坯加热→轧制→定尺锯切（取样）→矫直→产品外形、性能检验→打捆入库。 2.3 炼钢工艺 2.3.1 冶炼

根据Q420角钢成分要求，用Mn-Si、Mn-Fe合金配Mn，用V-Fe合金配V，Si以Mn-Si、 Fe-Si加入，用Si-Ca-Ba-Al终脱氧。冶炼采用80t转炉，严格控制冶炼终点目标温度。 2.3.2 精炼

LF精炼中加Mn-N合金配N，进站喂Al线，保证吹氩时间和出站温度。 2.3.3 连铸

在1#、3#连铸机上浇注150×210mm、250×250mm、250×280mm连铸坯。采用Q420角钢专用结晶器保护渣。结晶器水、二次冷却制度按同断面AM3钢执行，炼成率99.4%。 2.4 轧制工艺

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2.4.1 加热制度

为保证V元素在轧后冷却中充分形成V（C，N）弥散颗粒，充分发挥其强化效果，则必须保证足够的加热温度，即必须使连铸坯具有足够的奥氏体化温度，使合金元素充分溶入奥氏体中并均匀化。据相关资

[2]

料经验公式，钒在碳锰钢中的一般溶解度关系为：Lg[V][N]=-8830/T+3.46，Lg[V][C]=-9500/T+6.72，根据Q420B角钢成分控制范围。通过计算，钒的碳化物溶解固溶温度约为830℃，氮化物溶解固溶温度约为1060℃。为保证合金元素V的作用充分发挥，同时也考虑到合金元素的溶解速度、加热炉煤气质量和压力的波动、铸坯加热的不均匀性、生产节奏、轧机负荷等原因，因此实际生产中，均热温度控制约1200℃，上下均热段温差不大于50℃，出钢温度控制约1100℃。 2.4.2 轧制工艺控制

目前V-N微合金化钢在长型材产品上已成熟应用于HRB400钢筋和厚截面H型钢产品生产中。其轧制工艺的不同点在于：HRB400钢筋生产速度快，轧制温度高，通常在1000℃以上，主要采取热轧+控制冷却工艺生产；厚截面H型钢，主要采用第三代TMCP工艺，其控制轧制工艺一般由两个阶段组成：第一阶段是在高温的再结晶区轧制，第二阶段在低温奥氏体变形区轧制，通过在VN析出温度范围变形诱导VN在奥氏体中析出，为铁素体相变提供形核核心，达到细化铁素体晶粒的目的,见图1。

图1 第三代TMCP工艺示意图

根据Q420角钢适合的轧制工艺，并考虑到现有装备条件，轧制上采取了控制开轧温度和轧制节奏，将终轧温度控制在950℃以下的工艺方式，这样在设备能力允许的前提下，既保证了VN的充分析出，也有利于控制铁素体晶粒尺寸。从对轧制情况的跟踪来看，当将终轧温度控制在950℃以下范围对Q420B角钢性能是有利的，同时轧机主电机电流来看，该温度区间对轧机负荷无明显影响，见表2。

规格 180×180×16 表2 Q420角钢不同轧制温度下力学性能比较 开轧温度，℃ 终轧温度，℃ Rel，MPa 1080 940 490 1090 920 490 1100 900 505 1085 880 515 1080 950 510 1090 930 510 Rm，MPa 645 640 645 660 660 660 A，% 27.5 27.5 22 25.5 24.5 24 200×200×20 2.4.3 轧后冷却

为比较轧后不同冷却方式对角钢强度的影响，进行了如下的对比试验：将同一炉号的角钢按单支、多支的方式分别在冷床上冷却，以比较不同冷却方式下性能差别，见表3。从表中发现，单支冷却的角钢强度略高于多支冷却。

表3 Q420角钢不同冷却方式下力学性能比较 规格 冷却方式 1 2 1 2 1 Rel，MPa 500 490 490 470 515 Rm，MPa 655 635 650 630 665 A，% 27.5 26.5 27.5 26.5 24.5 517

180×180×16 200×200×20 2 1 2 500 515 500 650 670 645 26 24.5 24 注：冷却方式中“1”为单支冷却，“2”为多支冷却。

3.实物质量情况

3.1 外形尺寸

试制Q420角钢外形尺寸情况见下表4。

表4 Q420级角钢外形尺寸（单位：mm） 边宽 允许偏差 允许偏差 实际尺寸 GB 9787-88 GB 9787-88 ±1.8 -1.4~+0.9 ±0.70 ±1.8 -0.8~+0.9 ±0.70 ±1.8 -1.3~+1.4 ±0.70 ±1.8 -0.6~+1.0 ±0.70 ±2.5 -0.4~+1.7 ±1.00 ±2.5 -2.1~+2.5 ±1.00 ±2.5 -2.2~+2.0 ±1.00 厚度 实际尺寸 -0.30~+0.30 -0.18~+0.30 -0.60~+0.20 -0.40~+0.50 -0.60~+0.30 -1.00~+0.80 -0.50~+0.35 规格 10# 11# 12.5# 14# 16# 18# 20# 从表1中数据来看，Q420角钢10#~20#规格外形尺寸均控制在偏差允许范围内。 3.2 化学成分

试制Q420B角钢主要成分控制水平如下见表5。

表5 Q420B角钢化学成分 % 炉数 特征值 MIN C 0.14 0.17 0.16 Si 0.22 0.44 0.32 Mn 1.41 1.70 1.50 P 0.014 0.030 0.022 S 0.005 0.025 0.014 CEV 0.41 0.45 0.43 828 MAX X 3.3 性能情况

Q420B角钢部分规格力学性能情况见下表6。

Rel，MPa 规格 100×7 110×8 125×10 125×12 140×10 140×14 160×10 160×16 180×12 180×18 200×14 200×24 标准≤16 标准＞16 表6 Q420B角钢力学性能 Rm，MPa Max 535 565 535 515 555 505 530 495 540 525 515 485 A，% Max 650 650 665 650 675 640 655 635 655 650 665 645 X S Min X S Min X S 2.2 4.5 1.5 2.4 2.2 1.1 4.7 1.0 2.3 2.1 3.0 3.2 Min 25.5 26 24.5 24.5 24.5 24.5 23.5 24.5 25 20.5 23.5 20 ≥20 ≥20 Max 30 40 33 34.5 36 28.5 40.5 28.5 35 29.5 35.5 35.5 519 502 491 493 501 478 496 472 490 453 484 454 50 505 26 475 19 455 13 460 23 440 17 445 34 455 15 450 20 465 31 400 27 425 15 410 ≥420 ≥400 643 641 622 628 626 606 622 611 623 603 626 608 39 625 8 630 20 570 16 580 21 580 18 580 33 570 15 585 18 590 22 560 24 575 17 565 520~680 520~680 28 30 28 27 28 26 29 26 27 27 28 26 注：S为样本标准差。

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从表中力学性能分析，设计成分下的 Q420B 角钢强度保证能力较强，且各项力学性能数据的离散度不大，说明Q420角钢稳定性好。 3.4 金相组织

从金相观察来看，微合金化的Q420B角钢组织正常，以F+P为主，铁素体晶粒度较细，8.5～9.5级，见图2。

91-0846,160×160×12,8.5级,F+P , X100 91-1301,200×200×24,9.0级,F+P , X100

图2 Q420角钢金相组织

注：金属平均晶粒度按 GB/T 6394-2002标准要求进行评定。

4.分析与讨论

4.1 主要元素对Q420角钢强度的影响

钒是较容易固溶于钢中，又较容易从钢中析出的微合金化元素，除了与钢中的碳元素形成VC之外，更容易与钢中的氮结合形成VN，并以碳、氮化物的形式存在于基体和晶界上，起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用。Q420B角钢的强化机理为少量钒的加入具有细化晶粒的作用，但主要作用在于沉淀强化。沉淀强

[3][4]

化效果取决于钒的加入量和沉淀相的颗粒尺寸，颗粒越细小，强化作用越大。为充分发挥钒的沉淀强化作用，需要在钢中增氮，通过提高细小弥散的V(CN)析出相数量来增加Q420角钢强度。据有关介绍目前最有效的增氮方式是添加V-N中间合金，当V/N含量比达到理想配比时，钒能最大限度地析出。而重钢采取先加V铁、然后再LF精炼中加Mn-N合金方式，在提高角钢的强度和冲击性能的同时，达到了降低合金成本、稳定提高N元素回收率的作用。 4.2 化学成分与强度的回归分析

以200×200×16规格为例，对Q420B角钢化学成分与强度的关系进行回归分析，有关成分及性能见表7。

样本 N 牌号 Q420B X C 0.16 0.14 0.17 表7 Q420B角钢200×200×16规格化学成分与强度表 化学成分，% Mn Si P S V N 1.50 1.41 1.70 0.32 0.22 0.38 0.022 0.014 0.030 0.014 0.005 0.025 ≤0.20 ≤0.015 力学性能 Rel，MPa Rm，MPa 475 430 540 610 540 670 A，% 27 20 33 255 MIN MAX 上表数据按线性回归进行处理，得出多元线性回归方程如下：

Rel=181.11+650.96[C]+96.88[Mn]+494.25[V] Rm=246.47+995.20[C]+112.47[Mn]+434.46[V]

此方程表明：200×200×16规格Q420B角钢使用V-N微合金化处理，每提高0.01%钒可使角钢屈服强度提高约5MPa，抗拉强度提高约4MPa。

分析发现，对Q420角钢强度贡献的主要元素有C、Mn、V三种，而Si相对较小，同时N的加入主要用于提高V的强化效果，其加入量根据V加入量进行调整，故方程只作了三元回归分析。 4.3 角钢规格对Q420角钢性能影响

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根据不同规格Q420B角钢强度情况，作下图进行比较。

68066064062060058056054052050048046044042057911屈服强度抗拉强度线性 (屈服强度)线性 (抗拉强度)强度/MPa 131517压缩比19212325图3 压缩比对Q420角钢强度的影响

图3中数据显示，在设计化学成分范围内，随着角钢规格的降低，轧制压缩比的增加，Q420角钢强度呈上升趋势，当压缩比在7.6～22.6范围变化时，屈服强度变化452～530MPa，抗拉强度变化604～647MPa。 4.4 Q420角钢韧脆转变温度

对Q420角钢200×16～200×24、180×12～180×18、125×10等规格进行系列温度冲击试验，见表8。据最低的冲击值做韧脆转变温度曲线，以27J为V型冲击值对应温度为韧脆性转变温度，Q420角钢韧脆转变温度约为-30℃，见图4。

表8 Q420B角钢系列温度冲击值 规格(mm) 200×16～200×24 180×12～180×18 125×10 9080706050403020100-50-40-30-20-100试验温度，℃102030纵向冲击AKV(J) 20℃ 84～175 78～174 86～146 0℃ 122～152 41～165 58～126 -20℃ 24～134 32～132 44～114 -40℃ 12～131 12～103 26～107 冲击值，J图4 Q420角钢韧脆转变温度 5.用户使用情况

某厂生产的Q420角钢现已经多家用户广泛使用。从用户使用情况来看，Q420级角钢化学成分、机械性能全部达到标准要求，同时产品外形尺寸、表面质量和使用情况良好。目前已应用到国家电网改造及建设中，由于Q420级高强角钢是提高电网安全设计等级的最佳材料，国家电网公司已明确提出铁塔用高强钢推广以Q420 强度级别为主。

6.结论

(1) 采用微合金化路线，在型钢轧机上开发10#～20#型号Q420级角钢工艺上是可行的。

(2) 进行微合金化处理，使Q420级角钢综合性能均有提高，尤其是冲击韧性指标提高显著。达到了既提高角钢强度又改善其韧性指标的目的，同时产品的力学性能稳定。

参考文献

[1] 斯坦尼什洛·扎雅克，含钒钢的沉淀和晶粒细化，钒应用技术国际研讨会论文集，北京，2001：282。 [2] 王有铭，李曼云，韦 光，钢材的控制轧制和控制冷却，冶金工业出版社，2009:50—52。

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