摘要日本JFE公司應(yīng)用先進(jìn)的TMCP工藝開發(fā)出高性能H型鋼。
日本鋼鐵工程控股公司（以下簡(jiǎn)稱JFE）應(yīng)用先進(jìn)的熱機(jī)械控制工藝（TMCP）開發(fā)出高性能H型鋼。為了生產(chǎn)高強(qiáng)度高韌性H型鋼，通過合理的合金設(shè)計(jì)、理想的熱軋條件和熱軋后加速冷卻來獲得細(xì)化的貝氏體顯微組織至關(guān)重要。JFE近期開發(fā)了高性能H型鋼，如具有優(yōu)良韌性、焊接性能和抗震性能，用于高層建筑物的520MPa級(jí)（抗拉強(qiáng)度）H型鋼，以及低溫韌性優(yōu)良的490MPa級(jí)H型鋼。在特定的熱軋條件下實(shí)現(xiàn)顯微組織細(xì)化的合金設(shè)計(jì)和型鋼加速快冷設(shè)施，是開發(fā)高性能H型鋼的關(guān)鍵因素。
市場(chǎng)需要H型鋼專用的TMCP
TMCP就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的基礎(chǔ)上，再實(shí)施空冷、控制冷卻和加速冷卻的技術(shù)總稱。
一方面，近年來鋼結(jié)構(gòu)向高層、大型和更大跨度發(fā)展，因此要求H型鋼向更大規(guī)格尺寸發(fā)展。為適應(yīng)這一市場(chǎng)需求，JFE開發(fā)并生產(chǎn)了大型的定外形尺寸的H型鋼（以下簡(jiǎn)稱SHH型鋼），其腹板高度達(dá)到1000毫米。另一方面，為了使建筑物的設(shè)計(jì)更加高效節(jié)能，須要盡量減輕鋼結(jié)構(gòu)的厚度和重量，這對(duì)鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)強(qiáng)度提出了更高的要求。
強(qiáng)烈地震會(huì)嚴(yán)重破壞鋼結(jié)構(gòu)的梁端連接部。因此，需要具有低屈強(qiáng)比、高韌性（包括焊接部分）和優(yōu)良焊接性能的高品質(zhì)鋼。
厚鋼板用于箱形柱、其他柱體以及作為結(jié)構(gòu)性柱體的鋼管，這類鋼板可采用TMCP生產(chǎn)，利用熱軋工藝和加速冷卻技術(shù)的進(jìn)步開發(fā)出高強(qiáng)度、高性能鋼板。TMCP也是實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度H型鋼生產(chǎn)的有效技術(shù)。但是，由于H型鋼的復(fù)雜形狀和各種規(guī)格是在熱軋過程中成型的，必須設(shè)計(jì)出不同于鋼板TMCP技術(shù)的專用于H型鋼軋制的TMCP技術(shù)。
TMCP技術(shù)在H型鋼的創(chuàng)新
H型鋼軋制特點(diǎn)和奧氏體再結(jié)晶行為。在H型鋼軋制工藝中，為了保證孔型軋制和萬能軋制過程中的成型性，材料被加熱到1250℃或更高的溫度，高于板材軋制的加熱溫度。在這一高溫下，奧氏體晶粒會(huì)快速長(zhǎng)大。而且，在H型鋼熱軋工藝中，每個(gè)道次的壓下量和總壓縮比均小于鋼板軋制。因此，為了保證延性和韌性，熱軋過程中初期奧氏體晶粒尺寸的充分細(xì)化變得尤為重要。
含鈮鋼則表現(xiàn)為由奧氏體細(xì)晶和粗晶共同組成的混合顯微組織，這是因?yàn)閵W氏體的再結(jié)晶行為受到鈮的抑制。如果此時(shí)進(jìn)行加速冷卻，將形成貝氏體粗晶，會(huì)降低材料的延性和韌性。通過分散于鋼中穩(wěn)定的精細(xì)析出物來抑制奧氏體晶粒生長(zhǎng)，是促使奧氏體進(jìn)一步細(xì)化的有效途徑。
適用于H型鋼軋制的TMCP技術(shù)。為了促進(jìn)初始奧氏體晶粒的細(xì)化和熱軋過程中奧氏體相的再結(jié)晶，有必要設(shè)計(jì)合適的化學(xué)成分。雖然鈮是TMCP鋼中有用的元素，但生產(chǎn)H型鋼時(shí)必須審慎地選擇鈮的添加量和軋制程序。在熱軋中，首先要保證高溫區(qū)的壓縮量，以確保初始奧氏體粗晶的充分再結(jié)晶，隨后進(jìn)行快速冷卻，可生產(chǎn)出高強(qiáng)度、高延性和高韌性的優(yōu)質(zhì)H型鋼。
為了研究傳統(tǒng)控制軋制鋼和TMCP鋼的強(qiáng)度和韌性，JFE在實(shí)驗(yàn)室中模擬了H型鋼軋制過程。TMCP鋼的顯微組織與傳統(tǒng)控制軋制鋼的比較顯示：傳統(tǒng)控制軋制鋼的顯微組織是鐵素體+珠光體組織，而TMCP鋼的顯微組織是精細(xì)的貝氏體組織。雖然在強(qiáng)度方面TMCP鋼與傳統(tǒng)控制軋制鋼處于同一水平，但TMCP鋼具有更好的韌性。
低屈強(qiáng)比H型鋼綜合性能良好
化學(xué)成分和生產(chǎn)條件。低屈強(qiáng)比SM520級(jí)SHH型鋼的典型化學(xué)成分見表1，它與通用的430MPa級(jí)（抗拉強(qiáng)度）鋼具相同的含碳量和碳當(dāng)量。其生產(chǎn)工藝是：在1250℃以上的溫度保溫后，在高溫下進(jìn)行熱軋（綜合考慮壓下率和軋制溫度），再用型鋼加速冷卻裝置（Super-OLACS）進(jìn)行快速冷卻。JFE所生產(chǎn)的該鋼種為：H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米和H1000毫米×400毫米×16毫米×32毫米定外型尺寸H型鋼。
表1 SHH型鋼的典型化學(xué)成分（質(zhì)量%）
元素
C
Si
Mn
P
S
Ti等
碳當(dāng)量
含量
0.17
0.33
1.28
0.020
0.003
—
0.40
材料性能。翼緣厚度為40毫米的該H型鋼在翼緣1/6寬~1/4寬的部位的微觀組織為微細(xì)的貝氏體組織。抗拉試驗(yàn)結(jié)果和夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示：該H型鋼翼緣1/6部、倒角部和腹部都獲得了滿足標(biāo)準(zhǔn)的高強(qiáng)度，屈服比低于80%；夏比沖擊吸收功為200焦以上，說明新開發(fā)的H型鋼的母材具有良好的強(qiáng)度和韌性。
該H型鋼采用CO2氣體保護(hù)焊，在預(yù)熱溫度5℃、濕度60%的環(huán)境下，根據(jù)JIS Z3158標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了y坡形焊接裂紋試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在預(yù)熱溫度5℃的環(huán)境下，沒有焊接裂紋，顯示了良好的焊接性能。根據(jù)JIS Z3101標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的短焊道焊接的熱影響區(qū)最高硬度試驗(yàn)表明：在焊接長(zhǎng)度超過20毫米時(shí)，焊接熱影響區(qū)的最高硬度小于HV350，具有能滿足日本建筑施工標(biāo)準(zhǔn)（JASS6）的良好焊接性能。
JFE采用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)翼緣厚40毫米的該H型鋼進(jìn)行多層堆焊，以檢查了其焊接頭性能。焊接材料采用MG-56級(jí)（直徑1.2毫米），實(shí)驗(yàn)條件為無預(yù)熱、道次間最高溫度小于250℃，進(jìn)行9層16道次的焊接，焊接的輸入熱量為3千焦/毫米。焊接頭的試驗(yàn)結(jié)果顯示：焊接部沒有發(fā)現(xiàn)熔合不良、裂紋等有害焊接缺陷。同時(shí)，斷裂強(qiáng)度大于550兆帕，且斷裂發(fā)生在母材上的現(xiàn)象說明，該H型鋼具有良好的焊接接頭強(qiáng)度。此外，焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果顯示：焊接金屬、熔合線和焊接熱影響區(qū)均有100焦以上的良好夏比吸收能值。
目前，低屈服比SM520級(jí)（抗拉強(qiáng)度）SHH型鋼已經(jīng)應(yīng)用于日本國內(nèi)的高層建筑物。
寒冷環(huán)境使用的低溫韌性H型鋼
化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝。SM490Y級(jí)（抗拉強(qiáng)度）H型鋼的典型化學(xué)成分見表2。為滿足包括焊接部在內(nèi)的低溫韌性，JFE應(yīng)用熱影響區(qū)高韌性化技術(shù)（JFEEWEL）對(duì)其進(jìn)行了成分設(shè)計(jì)。應(yīng)用先進(jìn)型TMCP工藝，JFE制造出最大尺寸為H918毫米×303毫米×19毫米×37毫米和最大翼緣厚度為H900毫米×400毫米×19毫米×40毫米的SHH型鋼，并將之與添加了Nb、V和Ni等微合金元素的傳統(tǒng)H型鋼（翼緣厚為24毫米）進(jìn)行了比較。
表2 SM490Y級(jí)H型鋼的典型化學(xué)成分（質(zhì)量%）
C
Si
Mn
P
S
其他
傳統(tǒng)控軋條件
0.15
0.35
1.45
0.015
0.005
Ni、Nb、V
TMCP條件
0.13
0.27
1.56
0.017
0.003
TiN處理
材料性能。傳統(tǒng)H型鋼和TMCP鋼的強(qiáng)度和韌性試驗(yàn)結(jié)果顯示：盡管TMCP鋼的翼緣厚度大，還是獲得了SM490Y級(jí)（抗拉強(qiáng)度）的高強(qiáng)度，且-40℃下的夏比沖擊功達(dá)到200焦以上，具有低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-50℃的優(yōu)良低溫韌性。
JFE使用YGW-23級(jí)（直徑1.2毫米）焊接材料，采用MAG焊接（熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2）對(duì)該H型鋼進(jìn)行了7層13道次的焊接，最大焊接輸入熱量為3千焦/毫米，道次間溫度低于350℃。最終的焊接頭試驗(yàn)結(jié)果說明：熔合線、焊接熱影響區(qū)在-40℃低溫下均得到大于200焦的高夏比吸收功值，該H型鋼（包括焊接部）具有優(yōu)良的低溫韌性。