兰格钢铁
安徽天大耐候钢管的开发成就过程
摘要：本文简单介绍了桥梁、建筑、车辆、集装箱、输电塔等用高强度耐候钢管Q355GNH的生产工艺和试制结果，结果表明，该钢化学成分、力学性能等技术指标均达到了标准要求，能满足结构钢的需要。
1 前言
耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是指含少量合金元素，在大气中具有良好的耐腐蚀性能，相对于不锈钢成本较低的低合金高强度钢。耐候钢自从1930年问世以来，由于其在大气中具有良好的耐腐蚀性能而在桥梁、建筑、车辆、集装箱、输电铁塔等各种行业得到了广泛应用。耐候钢作为一种高效钢材，一直是大气腐蚀用钢品种开发与腐蚀研究的热点。耐候钢一般以Cu-P系为基础，再添加其它的合金元素来提高钢的耐腐蚀性能。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2~8倍，并且使用时间愈长，耐蚀作用愈突出。目前，国内只有GB/T 4171-2008《耐候结构钢》国家标准，还没有耐候结构钢管的标准，本文探讨耐候结构钢管的开发。
2 发展概况
从20世纪初至今，美、德、英、日各国对耐候钢进行了深入的研究，早在1916年，欧美科学家就发现铜可以改善钢在大气中的耐蚀性能。20世纪30年代，美国的U.S.Steel公司首先研制了耐腐蚀含铜低合金钢——Corten钢。在20世纪60年代，不涂漆直接用于建筑和桥梁。其中最普遍应用的是高磷、铜+铬、镍的Corten A系列钢和以铬、锰、铜合金化为主的Corten B系列钢。这种钢在欧洲、日本也得到了广泛应用。20世纪60年代，我国开始进行耐候钢的研究和大气暴露试验，1965年，试制出09MnCuPTi耐候钢，并试制出我国第一辆耐候钢铁路货车。1984年，制定了第一个耐候结构钢的标准，即GB/T 4171-84。该标准历经了2000版换版，同时结合了GB/T 4172-2000《焊接结构用耐候钢》、GB/T 18982-2003《集装箱用耐腐蚀钢板及钢带》标准，以及参考了EN 10025-5：2004《结构钢热轧产品——第5部分：改善耐大气腐蚀性结构钢交货技术条件》、ISO 4952：2006《改善耐大气腐蚀性结构钢》、ISO 5952：2005《改善耐大气腐蚀性结构用热连轧钢板》、ASTM A588/A588M-05《最小屈服强度为50ksi[345MPa]高强度低合金耐大气腐蚀钢》、ASTM A606-04《耐大气腐蚀的高强度低合金热轧及冷轧钢板和钢带》、ASTM A871/A871M-03《耐大气腐蚀的高强度低合金钢板》、JIS G3114：2004《焊接结构用耐候钢》和JIS G 3125：2004《高耐候性轧制钢材》等标准，结合国内耐候钢的发展和应用情况，制定了现行的GB/T4171-2008《耐候结构钢》标准。但至今没有一个相应的耐候钢管的标准。
3 耐候钢管的现实执行
现行耐候钢管的订货，采用GB/T 4171-2008《耐候结构钢》和GB/T 8162-2008《结构用无缝钢管》标准交叉执行。即成分、性能按照GB/T 4171-2008标准执行，其他管材的要求，如尺寸偏差、生产制造、检验要求等均按照GB/T 8162-2008标准执行。或者供需双方签订技术协议，按照技术协议执行。给供需双方都带来了不便，制定耐候钢管的标准势在必行。一些有远见的企业，开始制定企业标准进行推广应用。
4 耐候钢管的开发
4.1 技术条件
Q355GNH与日本SPA-H，及铁道部09CuPCrNi-A相近，其化学成分和力学性能见表1和2
表1 化学成分%
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Ni |
标准 | ≦0.12 | 0.20～0.75 | ≦1.00 | 0.07～0.15 | ≦0.020 | 0.30～1.25 | 0.25～0.55 | ≦0.65 |
内控 | 0.08～0.11 | 0.30～0.50 | 035～0.50 | 0.08～0.11 | ≦0.020 | 0.85～1.05 | 0.25～0.45 | 0.30～0.50 |
表2 力学性能
壁厚(mm) | 下屈服强度 ReL (MPa) | 抗拉强度 Rm (MPa) | 伸长率 A (%) |
≦16 | 355 | 490~630 | ≧22 |
>16 | 345 | 490~630 | ≧22 |
4.2 工艺路线
从Q355GNH钢管的耐候性及强韧性的要求出发，结合本厂的设备和工艺条件，确定了小口径冷拔钢管的生产工艺:
4.3穿孔工艺
由于Q355GNH是低碳高磷，并含有铜、铬、镍元素，需要选择合适的加热制度，保证穿孔毛管表面不出现鱼鳞状龟裂。做到勤检查顶头、导板，发现顶头、导板磨损需要立即修磨或更换。管坯加热制度见表3，管坯加热时间为120±10分钟。
表3 管坯加热制度
预热I | 预热II | 加热I | 加热II | 加热III | 均热区 | 轧制温度 |
660℃ | 760℃ | 1000℃ | 1180℃ | 1220℃ | 1250℃ | 1200-1220℃ |
4.4钢管热处理工艺
根据经验公式，该钢种的Ac3约为858℃，拟采用910℃±10℃正火工艺热处理，控制炉内气氛为还原气氛或弱氧化性，减少氧化铁皮的生成。保温时间不少于30分钟。钢管热处理工艺见表4。
表4 钢管热处理工艺
预热I | 预热II | 加热I | 加热II | 加热III | 保温I |
640℃ | 720℃ | 800℃ | 860℃ | 900℃ | 910℃ |
保温II | 保温III | 急冷区 | 缓冷I | 缓冷II | 出炉温度 |
910℃ | 910℃ | ≦450℃ | 380℃ | 250℃ | ≦200℃ |
5 结果与分析
通过该钢种5种规格，计600多吨的生产实践表明，该钢种的生产工艺参数及各项措施能很好的满足要求。
5.1 钢管的力学性能统计见表5
表5 钢管的力学性能
规格 (mm) | 下屈服强度 ReL (MPa) | 抗拉强度 Rm (MPa) | 伸长率 A (%) |
48*5 | 390～450 | 515～575 | 26～34 |
60*5 | 400～440 | 520～560 | 25～36 |
76*7 | 385～435 | 530～585 | 27～38 |
89*8 | 390～440 | 525～565 | 26～40 |
102*10 | 380～425 | 505～560 | 26～39 |
5.2 金相组织
选取60*5和89*8两种规格进行金相组织分析，其组织为均匀细小的铁素体+珠光体，带状组织在一般在1.0左右，晶粒度在9.0级左右，非金属夹杂含量少。完全能满足用户对夹杂物、带状组织、晶粒度的要求，见表6。
表6 金相组织
规格(mm) | 显微组织 | 带状组织 | 晶粒度 | 非金属夹杂评级 |
60*5 | 铁素体＋珠光体 | 1.0A | 9.0 | A0，B0，C0，D1.5 |
89*8 | 铁素体＋珠光体 | 0.5A | 9.0 | A0，B0，C0，D1.0 |
5.3 腐蚀速率
选取60*5和89*8两种规格在离海岸线375m的曝晒点，曝晒24个月，其腐蚀速率分别为32um/a和30um/a。达到较低的腐蚀速率。
6 结论
(1)Q355GNH耐候钢管力学性能符合GB/T 4171-2008标准要求；
(2)Q355GNH耐候钢管达到较低的腐蚀速率。