2018年第3期
钢铁
总147期
Q420GJD高建钢的开发与研究
刘奉家1，向华2，赵虎1
（1.八一钢铁股份有限公司
摘
要:
2.宝钢集团八钢公司制造管理部）
采用220mm连铸坯生产Q420GJD钢板，通过连铸坯中心偏析控制、有害元素控制以及大变形渗透轧Q420GJD成分设计；中心偏析；控制轧制
文献标识码：A
文章编号：1672—4224（2018）03—009—04
制策略，获得预期的钢板组织结构和力学性能，保证钢板低温韧性和厚度方向抗层装撕裂性能标准要求。关键词:
中图分类号：TG335.5
ResearchandDevelopmentofQ420GJDHighPerformanceBuildingStructuralSteelPlate
LIUFeng-jia1,XIANGHua2,ZHAOHu1（1.XinjiangBayiIron&SteelCo.,Ltd.;2.ManufacturingManagementDepartment,BayiIron&SteelCo.,BaosteelGroup）Abstract:Q420GJDsteelplatewasproducedwith220mmcontinuouscastingslab.Theexpectedstructuralandmechani-calpropertiesofthesteelplatewereachievedthroughcontinuouscastingcentersegregationcontrolandharmfulelementcontrolandlargedeformationpermeationrollingstrategy.Lowtemperaturetoughnessandthicknessdirectionresistanceofsteelplatetomeet.
Keywords:Q420GJDComponentdesign；centersegregation；controlrolling
1前言
的力学性能要求见表1所示。
表1
Q420GJD的性能要求
及随着国家“一带一路”经济圈战略推进，
尤其是超高层中亚邻国对中厚板的需求日益旺盛，
大功率风力发电机组等设施对厚建筑、大型场馆、
钢板的强度等级由Q345提升到Q390、Q420。针对
八钢乌鲁木齐宝能城超高层建筑项目的需求，
公司在4300mm/3500mm中厚板机组开发了
在冶炼过程中通过添加少Q420GJD建筑结构钢板，
析量合金元素，使其在控轧过程中发挥细晶强化、
保证钢板综合性能，满足出强化和固溶强化效果，
高层建筑的使用要求。随着建筑结构朝着大型化、减重化趋势发展，以及为了降低工程焊接量等因素，高强度建筑结构钢Q420GJ的各项优势将会体
市场需求也会越来越旺盛。现的越来越明显，
屈服强度，MPa 420~550
抗拉强度，延伸
MPa 530~680
率，% ≥20
屈强比 ≤0.83
冲击功(-20℃)，J ≥47
对于低合金结构钢，钢的转变温度与强度的关
系[1]见图1。因此，生产过程中通过控制轧制工艺以
控制获得Q420GJD的基本组织-铁素体+珠光体，
好轧后钢板冷却速度，避免出现贝氏体组织。
2化学成分设计
国标GB/T19879-2015中对Q420GJD高建钢
图1
转变温度与强度的关系
联系人：刘奉家，男，49岁，工程硕士，轧钢高级工程师，乌鲁木齐（830022）八一钢铁股份有限公司轧钢厂
E-mail：liufj@bygt.com.cn
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Q420GJD高建钢化学成分根据屈服强度测算公式[2]进行设计：
=O+A+D+P+IN按文献大约为50MPa；O-点阵摩擦阻力，
），i为第A-固溶强化能力，A=∑i（i元素的固溶强化系数(MPa/wt%)，i为第i组元在固溶体中浓度，各元素在固溶体中的含量占总加入量的比例为：Mn,Mo在固溶体中的含量取加入量的90％和70％；小于0.2%的Cu处于固溶状态；Si,P,Ni取100％；
-1/2（dZ），Z为晶粒平D-细晶强化能力，D=20
均直径（μm）；
主要为Nb的作用，取决于P-析出强化能力，
析出质点的直径和析出物间距；
主要是C,N原IN-间隙原子引起的强化能力，
S抗层为满足Q420GJD高建钢的低温冲击韧性、
状撕裂性能以及探伤等要求，通过成分设计和控轧工艺相结合，通过多种强化方式组合来获得细小均匀的组织结构。Q420GJD设计以C、N化合物的析出强化和Mn、Si的固溶强化为主，Nb、V、Ti的碳氮化物在析出强化的同时，对低温韧性有良好的贡献。采用低温大压下使钢板在未再结晶区充分变形
大幅度提而获得。变形奥氏体中产生高的缺陷累积，
高了奥氏体中的位错密度，轧制过程中发生的回复和再结晶细化了原奥氏体晶粒。冷却过程中，Nb、V和Ti等微合金元素以(Nb,V,Ti)x(C,N)y等不同化学计量比的碳氮化物在晶界、亚晶界和位错处析出的
钉扎了晶粒中的位错和亚晶界，稳定了第二相粒子，
如位错墙等亚结构。促使相变时大量的新相晶粒在
原奥氏体晶粒内形核。有利于相变后形成细小均匀的组织结构[3]。
Q420GJD板坯化学成分设计见表2。
wt,%
子强化，用近似公式IN＝9.4×104×，大部分C,N进入析出相，值取10～3。
表2
Q420GJD板坯熔炼成分
化学元素 目标值
C <0.16
Si <0.19
Mn <1.47
P <0.011
S <0.004
Nb <0.03
V <0.06
Al 0.03
Ti 0.01
CEV <0.46
3工艺流程设计
根据八钢低合金结构钢板的生产经验，为保证
探伤性能等要求，关键过程钢板的低温冲击韧性、
控制包括：钢水纯净，P、S元素和气体含量要控制在一定的范围内，S＜0.005%、P＜0.012%，连铸坯中心疏松和中心偏析程度尽可能低，小于曼内斯曼标准3.0级，钢板组织晶粒均匀、尽可能晶粒细小，大于ASTM9级。
全工序生产流程：铁水预处理→120吨转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→全程保护浇铸（电磁搅拌+轻压下）→板坯精整→板坯加热→控制轧制→精整→标识、检验入库。3.1炼钢过程关键控制点
3.1.1氢元素控制
层状撕裂的主要原因在于夹杂物的分布和应
当氢含量达到一定值时，力状态，就会聚集在夹杂
物的间隙处，使该部启裂并扩展，从而使夹杂物与基体金属脱开，氢对层状撕裂起到了诱发作用。控制钢中氢含量的措施：严格控制原辅料和合金中的水分含量；控制好造渣埋弧和采用适当的氩气搅拌强度，避免钢液裸露造成吸氢，出站前的喂线工艺10
要求控制好喂线量和喂线的深度和部位；通过RH
（1.5~2.2）本处理，氢含量控制在×10-6；连铸过程中
防止吸氢和做到全程保护浇注，使用专用的保护渣，
采用铸坯落地下线堆冷措施，氢会钢水的二次氧化；
通过扩散而析出。
3.1.2硫元素控制
MnS是钢中最常见的夹杂物之一，它对钢的塑
极易引起钢板的层状撕裂。性和韧性有显著的影响，
通过铁水脱硫预处理，从源头开始控制铁水硫含量小于0.026%；转炉出钢增加铝铁量加强钢水脱氧，出完钢，渣面采用铝渣球进行渣面扩散脱氧。在LF出站前喂入硅钙线进行钙处理，使已经生成的MnS夹杂转变为加工过程中不易变形的球状硫化物CaS。3.1.3板坯中心偏析控制
铸坯中心偏析对钢板的Z向性能影响非常明
降低钢中易偏析元素P、连显。控制措施：S的含量；
过热度为8~25℃；铸过程中采用低过热度浇注，采
用凝固末端动态轻压下技术来补偿铸坯最后凝固的
稳定收缩，减轻或消除中心偏析。采用弱冷却制度，拉速＜0.75m/min。
3.2轧钢过程控制3.2.1控轧工艺
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采用两阶段控轧工艺，在一阶段再结晶区轧制时，为控制变形奥氏体的再结晶数量,应尽可能达到完全再结晶，在高温区采取15%～20%的道次压下量，轧制温度控制在中下限，终轧温度尽可能接近Ar3，总压下率控制在40%～45%，单道次压下率和
表3
相变后细小、均匀的晶粒组织是轧制速度尽可能高。
确保钢板低温韧性的关键。
开轧温度低于未再结晶温度，终轧温度高于Ar3+30℃，控轧工艺参数见表3。
Q420GJD轧制工艺参数
序号 1 2
3 4
钢板厚度 mm 8 12 20 35
出钢记号 IL6831A1 IL6831A1 IL6831A2 IL6831A2
牌号 Q420GJD Q420GJD Q420GJD Q420GJD
抽钢温度 ℃ 1258 1144~1179 1146~1173 1145~1185
终轧温度 ℃ 769~793 772~820 750~769 754~791
控轧厚度 mm 52 76 80 85
控轧温度 ℃ 1000 880 830 800
经 计算，Nb的固溶温度nb=1144℃，开轧温度不低于1150℃。轧制过程中，需在未结晶温度之上
再进行第二阶段控轧。奥氏发生一定程度的变形，体未再结晶温度
nr=887℃，相变点Ar3=751℃。
4
4.1
工业性试制结果
连续抽检结果：中心偏析小于等于2.6部缺陷评级，
级，中心疏松小于等于1级，其它缺陷未见，铸坯质量达到了预期目标。4.2板坯化学成分
板坯熔炼成分见表4。冶炼板坯的S含量均低于0.003%，达到了良好的控制水平。钢板力学性能分析
钢板拉伸试样采用全板厚，横向拉伸，纵向冲击，性能统计见表5。
wt，%
铸坯质量
连铸坯断面尺寸220mm×1500mm，表面无缺陷，酸洗角样未发现裂纹。铸坯取硫印试样进行内
表4
4.3
Q420GJD化学成分
厚度mm 8 12 20 35
制造命令号 2603262 2603262 2603266 2603267
C 0.144 0.144 0.156 0.153
Si 0.162 0.162 0.205 0.212
Mn ＜1.45 ＜1.45 ＜1.49 ＜1.49
表5
S 0.0024 0.0024 0.0029 0.0029
P 0.0108 0.0108 0.0109 0.0115
Nb ＜0.017 ＜0.017 ＜0.025 ＜0.025
V / / ＜0.06 ＜0.06
Al 0.0218 0.0218 0.0366 0.0299
Ti 0.0099 0.0099 0.0141 0.0108
序号 1 2 3 4
材料号 B14079000 B13245000 B13240000 B13234000
厚度mm 8 12 20 35
Q420GJD钢板力学性能
牌号 Q420GJD Q420GJD Q420GJD Q420GJD
屈服强437 450 462 435
抗拉强560 560 590 580
延伸率% 28 29.5 28 27
度，MPa 度，MPa
屈强比 0.78 0.80 0.78 0.75
冲击功J(-20℃) 196 233 249 258
194 195 199 204 245 234 271 236
Q420GJD的屈服强度＞420MPa、抗拉强度＞530MPa，各项性能指标均符合国家标准要求。钢板延伸率＞25%钢板具有较高塑性，屈强比＜0.8抗震性能较好。-20℃低温冲击吸收功＞180J，具有良好的低温韧性。
对35mm钢板做Z向拉伸性能：断面收缩率分别为57.1%、53.2%、56.8%。具有良好的抗层状撕裂性能。钢板内部质量满足超声波Ⅰ级探伤检测。
钢板金相试验（1）本次试制钢板厚度范围8～35mm，钢板组织均为铁素体+珠光体组织。在钢板宽度1/4处取金相试样抛光经酒精溶液腐蚀后，在金相显微镜下进行组织观察：图2是具有代表性的B1324000钢板的金相组织照片。
（2）对不同钢板的拉伸试样截取金相试样作夹杂物分析，4个规格的钢板夹杂物评级结果见表6。
11
4.4
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图2B1324000钢板不同厚度处的金相照片
表6
钢板夹杂物和组织
厚度 mm 8 12 20 35
细
A 粗
细
B 粗 1.5
细 0.5 1
C
粗
细
D
粗
1.5 0.5 1.0 0.5
Ds
组织 F+P F+P F+P F+P
晶粒度 10.0 10.0 9.5 9.0
带状组金相组织分析结果表明：钢板由表及里，
心部的带状组织中夹杂有少量粒状贝织逐渐加重，
氏体；厚度越小，由于轧后冷速快，带状组织越明显，组织晶粒越细小。
获得了预期的组织结构和钢板力学性能，成功试制出Q420GJD高建钢，性能指标符合国家标准要求，为批量生产奠定了理论和实践基础。
（3）连铸坯的中心偏析及钢板轧后的冷却控制是导致钢板中心出现贝氏体组织的主要原因，它与带状组织共同作用会升高钢板的韧脆转变温度。
（4）八钢开发的Q420GJD高建钢，屈强比低，
符合高层建筑、大型场馆的设计、使低温韧性稳定，
具有广用要求，同时也可应用于桥梁结构钢等领域，
本产品的成功开发，填补了的产泛的推广价值。
品空白，具有显著的经济效益和社会效益。
5结论
（1）炼钢采用恒拉速、低过热度、二段弱冷工
确保了钢板的艺，板坯中心偏析控制在3.0级以下，
对35mm钢板进行Z向拉伸试验，低温韧性。3个面
缩率数值分别为57.1%、53.2%、56.8%，达到Q420GJDZ35的性能要求。
控制轧制工艺设计，（2）通过合理的成分设计、
参考文献
[1]翁宇庆.超细晶钢－钢的组织细化理论与控制技术[M].北京：冶金工业出版社.2003.[2]雍岐龙.钢铁材料中的第二相[M].北京.冶金工业出版社.2006.
[3]杨雄飞，于浩.V-N微合金化Q460GJC钢板的研发[J].钢铁研究学报，2013.
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