耐候钢管的开发-安徽天大石油管材股份有限公司技术中心
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。
关键词：Q355GNH耐候钢生产工艺
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/T4171-2008《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CortenA系列钢和以铬、锰、铜合金化为主的CortenB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/T4171-84。该标准历经了2000版换版，同时结合了GB/T4172-2000《焊接结构用耐候钢》、GB/T18982-2003《集装箱用耐腐蚀钢板及钢带》标准，以及参考了EN10025-5：2004《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》、ISO4952：2006《改善耐大气腐蚀性结构钢》、ISO5952：2005《改善耐大气腐蚀性结构用热连轧钢板》、ASTMA588/A588M-05《最小屈服强度为50ksi[345MPa]高强度低合金耐大气腐蚀钢》、ASTMA606-04《耐大气腐蚀的高强度低合金热轧及冷轧钢板和钢带》、ASTMA871/A871M-03《耐大气腐蚀的高强度低合金钢板》、JISG3114：2004《焊接结构用耐候钢》和JISG3125：2004《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/T4171-2008《耐候结构钢》和GB/T8162-2008《结构用无缝钢管》标准交叉执行。即成分、性能按照GB/T4171-2008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/T8162-2008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 |
0．35～0.50 |
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/T4171-2008标准要求；
（2）Q355GNH耐候钢管达到较低的腐蚀速率。
参考文献
[1]丁元法范柜深低合金钢在海洋环境中的腐蚀速率《钢铁》1992.27（11）：33-34
[2]于千耐候钢发展现状及展望《钢铁研究学报》2007.19（11）
[3]马元泰李瑛王福会热带海洋性环境下CortenA（09CuPCrNi）耐候性研究《腐蚀科学与防护技术》2010.22（4）
[4]韩观昌李连诗《小型无缝钢管生产》冶金工艺出版社1990.8
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[查数据、做研究，上钢联数据]
