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    微合金化鋼生產技術要點和應用范圍


    管線用鋼的生產技術 

    1. 管線用鋼 

          制造石油、天然氣集輸和長輸管或煤炭、建材漿體輸送管等用的中厚板和帶卷,稱為管線用鋼(steel for pipeline)。一般采用中厚板制成厚壁直縫焊管,而板卷用于生產直縫電阻焊管或埋弧螺旋焊管。國內擁有60萬噸/年口徑在1800mm以內的螺旋焊管的生產能力,近年已建立了口徑在1600mm以內的直縫厚壁焊管的生產線。國內能生產符合AP15L標準的管線工程設計要求的管線鋼僅有10多年的歷史,首推寶鋼,還有鞍鋼、武鋼、攀鋼、酒鋼、舞鋼等,穩定生產X60—X65級管線鋼并在國際市場上占有一定的地位,試生產的X70級管線鋼質量也達到了國際先進水平。 

    2. 國內外油氣管線建設現狀 

            近50年歐洲共輔設輸氣管線241條,消費鋼材達503萬噸,采用X65和X70級管線鋼占89%;輸油管線33條,用鋼量26萬噸,X65—X70級管材為40%。北美在1969—1998年間新建油氣管線中X70級鋼材占到55.25%。迄今為止,全球已建成X80級輸氣管線8條,總長462Km,管徑f1118—f1219,壁厚在12.0—13.6mm。并已研制成功X90和X100級管線用鋼。 

           我國油氣管線建設進入第二個高峰期,今后10年內油氣開發的規模將超過以往50年。將鋪設輸油管7540Km,輸氣管線14570Km,約需X42—X65級管線鋼508萬噸,中俄輸油管線工程及另外4條國際輸氣管的境內部分長度在12385Km。西氣東輸工程管材選X70級,設計輸氣壓力為10Mpa,按管徑f1016、壁厚14.7mm估算,需管線鋼175萬噸左右。 

    3. 管線鋼的技術要求 

          現代管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼,是高技術含量和高附加值的產品,管線鋼生產幾乎應用了冶金領域近20多年來的一切工藝技術新成就。目前管線工程的發展趨勢是大管徑、高壓富氣輸送、高寒和腐蝕的服役環境、海底管線的厚壁化。因此現代管線鋼應當具有高強度、低包申格效應、高韌性和抗脆斷、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕。優化的生產策略是提高鋼的潔凈度和組織均勻性。C≤0.09%、S≤0.005%、P≤0.01%、O≤0.002%,并采取微合金化,真空脫氣+CaSi、連鑄過程的輕壓下,多階段的熱機械軋制以及多功能間歇加速冷卻等工藝。管線鋼的性能十分穩定,X70級屈服強度和抗拉強度的波動值小于70Mpa,抗HIC鋼的沖擊功波動值在70J左右。國內外管線規范中沒有對管線用鋼材的韌性指標,僅對管材有具體要求: 

    ① 最低使有溫度下(-5℃)DWTT≥85%SA; 
    ② 最低使用溫度下(-5℃)夏比沖擊吸收功≥145J。 

    2 造船用鋼的生產技術 

    1. 造船用鋼 

           建造民用或軍用船舶的鋼鐵材料,都稱之為造船用鋼。有鋼板、型材、管材、鑄鍛件等等。但習慣上造船用鋼僅指船舶殼體用的鋼板,有一般強度造船鋼板、高強度造船鋼板和海軍艦艇殼體用鋼板三大類別。 

    2. 造船用鋼的技術要求 

    ① 對強度的要求。較高的強度可以減少船體的重量,減少焊接工作量,增大承載能力。高強度鋼的采用又受到船體剛性和耐蝕性的制約。 

    ② 船體線形較為復雜,有多類型的單曲線或雙曲面,要采用冷、熱彎及矯正等多種成形操作,要求鋼材對造船工藝的適應性,還包括在焊接和修補。 

    ③ 對塑性和韌性的要求足以補償由于建造過程中各種操作的加工硬化和熱循環對材質的影響。對于艏柱、船體縱彎應力最大的部位、船底及舷部止裂板等重要部位,要求高的抗裂性,要求在低溫條件下具有較低的延一脆性轉變溫度和足夠的沖擊吸收功。 

    ④ 耐海水腐蝕性 

    3. 造船用鋼的需求 

    進入90年代,國際海運量的增長高于運力的增量,船舶市場新船建造和舊船成交活躍,頭5年新船交易達3200萬排水噸位。我國僅船舶工業總公司系統共造船676萬噸,后5年可再造350—400萬噸。占世界造船量1/10。 

    我國造船業已能建造28萬噸級油輪、15萬噸級散貨輪、1200噸鉆井平臺、4200m3LPG船、3000m3液化氣船及全程自控高速水翼船。 

           國內涉及造船的船舶公司、交通部和農業部的造船能力在600萬噸左右?蔀橐苯、電力、石化、水電、煤炭、城建及輕工等行業建造24大類數千種非船舶產品。但生產能力略低于日本的1400萬噸和韓國的1300萬噸。 

           目前造船鋼材年需量在200萬噸,其中造船鋼板在100—120萬噸左右。國內基本可以生產四個鋼材品種、五個級別的船板。240Mpa級一般強度船板需求仍是主要的,450、600Mpa級高強度船板亦能生產。 

    4. 造船用鋼生產技術要點 

    ① 對于A、D級船板潔凈度要求≤0.008s、≤0.015P、E級要求≤0.005%S、≤0.010%P、F級要求≤0.002%S,≤0.005%P。對于海軍艦艇用鋼板為保證NDT≤-550C,要求≤0.002%S、≤0.005%P,≤40ppmN、≤10ppmO和≤1.0ppmH。精煉工序是必不可少的。 

    ② A、D級可以采用熱軋、控軋交貨,E和F級允許正火處理或熱機械軋制狀態使用。 

           必須要區分控軋和熱機械軋制的差距,現標準規定不具備熱處理條件就不能生產E級和F級船板。 

    ③ 鋼的質量要求,還包括對外形方面和尺寸精度的要求,超聲波探傷的要求及性能穩定性的要求。 

           目前國內幾乎所有有軋板條件的鋼廠都已通過論證,可以生產一般強度的A、B、D級船板。 

           但一般船板的E級和高強度級船板僅限于鞍鋼、武鋼、舞鋼、浦鋼和重鋼生產。 

    3 橋梁用鋼的生產技術 

    1. 橋梁用鋼 

           這里所說的橋梁用鋼單指大型箱梁結構公路橋和鐵路橋栓焊結構用的鋼板或型材,不包括懸索和吊纜用的鋼絲繩、栓焊梁用的高強度螺栓用鋼。 

    2. 橋梁用鋼特點 

           在20世紀50年代,橋梁建造由鉚接結構向焊接結構過渡,對橋梁用鋼的要求有了很大的變化 ,主要有幾個方面:較高強度,良好的焊接性,良好的斷口和時效性能,較高的低周疲勞性能,以及較好的耐大氣腐蝕性。歷史上曾采用3%的鉻鋼或鎳鋼來造橋,在使用低合金高強度鋼之后,橋梁用鋼的屈服強度由230Mpa逐步升級提高到抗拉強度590Mpa級和785Mpa級的調質熱處理型的鋼材,國外一些大氣耐腐蝕鋼也有被用于建造橋梁,如日本的SMA570。美國的Corten鋼等。 

    3. 橋梁用鋼的需求 

            在50年代我國采用345Mpa級的CXЛ-1鋼建造了武漢長江大橋,60—80年代基本上采用同一強度等級的16Mnq鋼建造了南京長江大橋等一批栓焊結構橋梁,直至90年代的京九線上第一次選用了440Mpa級的 15MnVNq鋼建造九江長江大橋。微合金化一控軋鋼的應用開啟了我國現代橋梁用鋼新的一頁。StE355鋼用于上海黃浦江的南浦、楊浦和徐浦大橋,14MnNbq鋼用于蕪湖長江大橋,武漢長江二橋和南京長江二橋。 

           我國平均年建一般公路8500Km,高速公路1300Km。單跨400m以上的公路橋梁8座。在鐵路建設方面,包括東—西部通道,西—南部通道和國際鐵路工程,合計將新建改造線路達10000余Km,僅線路上的橋梁建設,需橋梁用鋼15萬噸。據預測在2001—2005年期間,對橋梁用鋼板的需求在23—25萬噸之間。 

    4. 橋梁用鋼生產的技術要點 

           橋梁鋼有耐候鋼和非耐候鋼的區分,還是以非耐候鋼為主,典型的鋼種牌號有16Mnq,15MnVNq,14MnNbq,SM490。SM520,SM590B、C、ASTMA709,STE355、STE380、STE420等。國內應用的發展趨向看、鐵路橋主要用14MnNbq,公路的懸索橋和斜拉橋主要選擇STE355,這兩個牌號都屬于含Nb,微合金化鋼。 

           不論轉爐或電爐冶煉,都要求爐外精煉,潔凈度要求不很高,但要保證≤0.010%S.≤0.02%P。 

          在性能上要求較小的波動范圍。Nb-Ti復合微合金化(14MnNbq)和Nb-V-(Mo)復合微合金化,既能達到120~160J的沖擊吸收功和低于-45℃的零塑性轉變溫度,而且具有較優良的抗時效性能,對于橋梁用鋼是十分重要的。 

    4 高層鋼結構建筑用鋼的生產技術 

    1. 高層鋼結構建筑用鋼 

           自50年代起,高層建筑已成為國際上城市建筑的發展趨勢。我國的建筑規范也在發展,尤其是在改革開放以來,高層建筑成為城市現代化的標志,由鋼筋混凝土結構,鋼筋混凝土—鋼混合結構、向鋼結構過渡。鋼結構建筑采用專用鋼板和型材,由于技術要求和生產工藝的特殊性,形成一個特殊的鋼材品種,統稱為高層鋼結構建筑用鋼。 

    2. 我國高層鋼結構建筑現狀 

    我國民用現代高層鋼結構建筑,自1985年起步,至今已建成或正在建設的約有30棟,已結構完工的高度294.1m的深圳地王大廈和高365m的上海金茂大廈是目前我國高層鋼結構建筑之最,總用鋼量分別為1.2萬噸和1.4萬噸。 

            我國臺灣省76年以前,供住宅使用建筑物高度不超過20m,77年放寬至200m,71年以后,采用抗震鋼材和框架斜撐結構,至今已完工16棟。臺北市新光人壽大廈1990年建,50層,用鋼量2.0萬噸,高雄市國際廣場1993年峻工,85層、用鋼量5.8萬噸。 

    3. 鋼結構基本技術要求 

    ① 高層鋼結構建筑受力復雜,要求安全可靠,能夠抵抗突發災害(如水、火、地震、風暴等)。因此,除了有足夠的屈服強度和抗拉強度外,還要求具有低的屈強比、良好的冷變形能力和高的塑性變形功,在局部超載失穩的情況下不發生瞬間的斷裂。 
    ② 具有良好的焊接性 
    ③ 良好的斷裂韌性 
    ④ 厚度40mm以上焊接連接梁柱節點用鋼要求抗層狀撕裂性能 

    4. 高層鋼結構建筑用鋼技術要點 

            我國這一專用鋼材品種的生產起步較晚,目前已形成的舞鋼和浦鋼為主的板材生產基地和以馬鋼、鞍鋼為主的H型材生產基地,主要鋼材牌號有Q345B、Q345B—Z8.5、SM400B、SM490B、SM490B—Z25、及ASTMA572/A572M Gr50等。 

    ① 舞鋼采用超高功率電爐冶煉—LF/VD爐外精練—連鑄或模鑄—4200軋機—熱處理的流程。產品用于天津云頂大廈、上海信息樞紐大廈、大連云山大廈、廈門國際會展中心。 

    ② 浦鋼采用由寶鋼TDS鐵水預脫硫—轉爐冶煉—cas-OB/RH-OB精煉—連鑄的鋼坯由本廠的4200/3500軋機軋板—雙步進梁式熱處理爐的工藝流程。產品亦已成功用于建造大連遠洋大廈、深圳世貿大廈、天津國貿大廈及長春光大銀行。 

    ③ 馬鋼:H型材生產采用由德國和美國引進的多機架萬能H型鋼軋機。具有較高自動化程度。馬鋼、鞍鋼和萊鋼的總設計能力為140萬噸?梢陨a100—700mm的產品。目前腹高超過700mm窄翼緣系列和翼緣寬超過400mm的寬翼緣系列還不能生產,而這些規格在鐵路橋梁,海上石油平臺上使用比例很高。 

    5. 建筑用鋼特別要求 

    ① 高層鋼結構建筑承受風荷的作用,層間位移角為1/400,約為鋼筋混凝土結構的一倍。在地震作用下,層間位移角為1/250,約為鋼筋混凝土結構的兩倍。以上海浦東金融大廈為例,風荷位移角為1/533,北京中國國貿中心的地震位移角為1/266。 

    ② 一般建筑鋼材在3000C以下屈服強度基本上穩定,在500℃和600℃時,屈服強度分別為常溫下的0.48和0.27%。提高鋼的耐火性十分重要,遠比采用防火涂料和增加防火層結構要省工、省料、增加了建筑的有效使用面積,又減少了環境污染。日本和美國已設定對耐火鋼的指標要求,600℃、1—3小時內,屈服強度大于常溫下的2/3. 

          現有經驗表明,針狀鐵素體和貝氐體組織的鋼具有高溫強度的穩定性。采取添加Mo、Mo-Nb、降低Mn,可以有效提高耐火性。 

    ③ 廣泛采用輕鋼建筑彩涂鋼板 

    5 汽車用鋼的生產技術 

          汽車制造工業是一個國家綜合國力的標志。大力發展我國的汽車生產,將汔車制造業列為支住產業是我國自“八五”以來的經濟發展目標之一。計劃在2000年汽車總產量270萬輛,汽車保用量達2210—2320萬輛,至2010年分別為600萬輛和4400—5000萬輛。如何實現汽車用鋼的國產化,提高汽車用鋼的質量就成為一個關鍵問題。 

    1. 汽車用鋼 

           汽車制造主要采用鋼鐵材料,通常所說的汽車用鋼指的是三大類別: 

    ① 汽車大梁用鋼 
    ② 汽車滾型車輪用鋼 
    ③ 沖壓薄鋼板 

           各類載重汽車主要采用高強度沖壓鋼板制造底盤的縱梁、橫梁和保險杠;車輪的輪輞和輪輻一般采用熱軋板,轎車生產則以冷軋或熱軋薄板為主,又以熱鍍鋅薄板占主要部分。目前發展的超輕型轎車需要高強度可深沖的板材,高級轎車要求IF鋼及無指紋鋼板。而農用汽車系列則需要耐用鋼板,強度級別和精度不是主要目標。 

    2.汽車板的基本要求 

    除了對于結構材料必需的強度和塑韌比外,還需滿足: 

    ① 良好的成形性能,能沖壓成形,耐皺不裂, 
    ② 良好的剛性和抗凹陷性,在沖撞情況下最大限度地吸收能量。 
    ③ 良好的耐腐蝕性,對于轎車要求5年不銹、10年不穿孔。 
    ④ 良好的焊接性,保證在線的高效焊接和裝配。 
    ⑤ 良好的噴涂性,對涂鍍層的極好附屬力。 
    ⑥ 較高的尺寸精度和表面質量。是自動生產線的需求,也是高質量汽車的需要。 

    3.常規車型用鋼 

           汽車通常采用熱軋碳素鋼板,高強度低合金鋼板,熱軋薄板,冷軋薄板,熱鍍鋅板,電鍍鋅板,鍍鋁板,鍍鉻板,彩涂板和不銹鋼板等。國內常規車型對這些鋼材品種的單車消耗量如表所示。

    表 我國八種車型薄鋼板單車消耗量(kg/輛)
         目前汽車板品種的發展趨勢在4個方面: 

    ① 超深沖級和特超深沖級的薄板,第三代沖壓用鋼的主要是超低碳無間隙原子鋼的生產。 
    ② 為滿足現有優良沖壓成形性,又具有足夠剛度、抗凹陷性及耐腐蝕性的全部烘烤硬化鋼生產。 
    ③ 合金化處理的鍍鋅板生產,提高耐蝕性。 
    ④ 高亮度鏡面板的生產,改善汽車面板的平坦度,反光性和潤滑性。 

    4.汽車板生產的技術要點 

    以沖壓或成形汽車板為例: 

    ① 通過鐵水預處理、精選廢鋼及鋼包精煉的工藝技術保證S、P、N、O、H的總量低于100ppm 
    ② 低碳或超低碳,轉爐復吹和真空脫氣技術可使鋼的碳含量低于10ppm 
    ③ 微合金化元素的含量控制在0.02%以內。 
    ④ 高強度鋼板為保證優良的綜合性能,有條件的情況下采取多階段強制冷卻工藝。 
    ④ 講究冷軋板的退火工藝,達到力學性能的最大均勻性。 

    6 集裝箱用鋼的生產技術 

    1. 集裝箱用鋼主要特點 

           集裝箱運輸是當今世界主要的現代化運輸方式,隨著國際貿易的活躍,多式聯運的發展、大陸橋的溝通,發展集裝箱運輸愈來愈重要。 

           我國集裝箱制造業起步較晚,但發展很快,擁有制造廠約40家。1993年產量即占世界首位,1997年產量為100萬個標準箱。占世界總產量的70%。 

           集裝箱制造主要鋼鐵材料包括鋼板、槽鋼、方管、主角鑄件。 

           1997年我國生產集裝箱用各類鋼材110萬噸,國產鋼板30萬,進口采用鋼板40萬噸。近年由寶鋼和武鋼開發一系列集裝箱用耐候鋼板和非耐候鋼板,鋼板自給率已達到75%,用于Corten箱和半Corten箱。隨著高技術含量,高附加值的冷藏箱、保溫箱、罐式箱、可折疊式平架箱等品種的開發,增加了對耐磨蝕鋼,耐低溫鋼的需求。 

    2. 集裝箱用鋼生產技術要求 

          對集裝箱用面板主要有三項要求: 

    ① 足夠的抗凹陷、抗損傷性。 
    ② 較好的耐腐蝕性、尤其要求耐海洋大氣的腐蝕。 
    ③ 良好的加工性能,要求可焊性、可成形。 

            廣泛采用Corten鋼的原因就在于屈服強度比碳素鋼高40%,能承受較大的撞擊力,不出現凹痕和劃傷,表面油漆附著性好。裸露Corten鋼在海運中在相當長的時間內不會腐蝕。 

           寶鋼自1996年以來已生產集裝箱用鋼材30萬噸以上,開發了普通經濟型Cu—p耐候鋼、高耐候性鋼和高焊接性鋼三種類型。武鋼開發了集裝箱制造專用的耐候鋼,具有30萬噸/年生產能力。 

    7 工程機械用鋼的生產技術 

    1. 工程機械用鋼 

          礦山開采和各類工程施工用的設備,如鉆機、電爐、電動輪翻斗車、挖掘機、裝載機、推土機、各類起重設備及煤礦液壓支架等機械裝備總稱為工程機械。這些機機械的制造,所需的焊接結構部件用材、通常稱為工程機械用鋼,屬于焊接高強度鋼范疇。工程機械用鋼還可包括型材、履帶板、耐磨鑄鋼、鋼繩和鋼絞線等。 

           2000年各類工程機械對高強度鋼板的需求量見表22,大致需求的年增長量12—15%,預測2005年和2010年分別消費140萬噸和220萬噸。 

    2. 對工程機械用鋼的技術要求 

           工程機械用鋼板基本上有兩大類,一是焊接高強度鋼板,二是高硬度高耐磨損板。 

          對于焊接高強度鋼,用于工程機械的主要結構,承受復雜多變的周期載荷,因此要求鋼材具有高的屈服強度和疲勞極限,良好沖擊韌性、冷成形性和優良的焊接性能。隨著工程機械向大型化和輕型化方向發展,又要求節省能源和延長壽命,所以要求鋼材更高的強度級別,板厚由6mm至50mm,甚至達200mm。強度板由400Mpa至1200Mpa,使用狀態包括熱軋、正火、調質、時效等不同類型。 

           高硬度高耐磨鋼主要用于工程機械的耐磨部件,如裝載機的斗板,翻斗車的襯底板、挖掘機的鏟齒,要求鋼材的表面硬度有HB235—500的不同級別,所以這類鋼往往是以淬火+回火調質狀態交付使用。并按實際使用硬度和板厚來選擇鋼種和牌號。 

          在鋼的生產汽車用鋼技術方面,前一類在包括強度的同時,要提高韌性、為此要以較低碳含量和焊接碳當量,著眼于鋼的合合化和熱處理工藝;后一類不講究高的焊接性。注重鋼的固溶強化機制和硬質析出相的晶體結構類型及在鋼中的彌散分布。 

    3. 近年工程機械用鋼的發展 

    ① 隨著煉鋼工藝和裝備的更新,新的合金設計和工藝參數得以實現,如深脫氧和鈦處理工藝,薄板坯連鑄的應用。 
    ② 采用微合金化,Nb微合金鋼的熱機械處理得以最廣泛的推廣應用。 
    ③ 含硼鋼的軋后直接淬火技術的應用,已生產出980Mpa級焊接高強度鋼和1080Mpa級可焊耐磨鋼。


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