摘要日本JFE公司應用先進的TMCP工藝開發(fā)出高性能H型鋼。
日本鋼鐵工程控股公司（以下簡稱JFE）應用先進的熱機械控制工藝（TMCP）開發(fā)出高性能H型鋼。為了生產(chǎn)高強度高韌性H型鋼，通過合理的合金設計、理想的熱軋條件和熱軋后加速冷卻來獲得細化的貝氏體顯微組織至關重要。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（抗拉強度）H型鋼，以及低溫韌性優(yōu)良的490MPa級H型鋼。在特定的熱軋條件下實現(xiàn)顯微組織細化的合金設計和型鋼加速快冷設施，是開發(fā)高性能H型鋼的關鍵因素。
市場需要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上，再實施空冷、控制冷卻和加速冷卻的技術總稱。
一方面，近年來鋼結構向高層、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。為適應這一市場需求，JFE開發(fā)并生產(chǎn)了大型的定外形尺寸的H型鋼（以下簡稱SHH型鋼），其腹板高度達到1000毫米。另一方面，為了使建筑物的設計更加高效節(jié)能，須要盡量減輕鋼結構的厚度和重量，這對鋼構件的設計強度提出了更高的要求。
強烈地震會嚴重破壞鋼結構的梁端連接部。因此，需要具有低屈強比、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構性柱體的鋼管，這類鋼板可采用TMCP生產(chǎn)，利用熱軋工藝和加速冷卻技術的進步開發(fā)出高強度、高性能鋼板。TMCP也是實現(xiàn)高強度H型鋼生產(chǎn)的有效技術。但是，由于H型鋼的復雜形狀和各種規(guī)格是在熱軋過程中成型的，必須設計出不同于鋼板TMCP技術的專用于H型鋼軋制的TMCP技術。
TMCP技術在H型鋼的創(chuàng)新
H型鋼軋制特點和奧氏體再結晶行為。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，奧氏體晶粒會快速長大。而且，在H型鋼熱軋工藝中，每個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化變得尤為重要。
含鈮鋼則表現(xiàn)為由奧氏體細晶和粗晶共同組成的混合顯微組織，這是因為奧氏體的再結晶行為受到鈮的抑制。如果此時進行加速冷卻，將形成貝氏體粗晶，會降低材料的延性和韌性。通過分散于鋼中穩(wěn)定的精細析出物來抑制奧氏體晶粒生長，是促使奧氏體進一步細化的有效途徑。
適用于H型鋼軋制的TMCP技術。為了促進初始奧氏體晶粒的細化和熱軋過程中奧氏體相的再結晶，有必要設計合適的化學成分。雖然鈮是TMCP鋼中有用的元素，但生產(chǎn)H型鋼時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晶，隨后進行快速冷卻，可生產(chǎn)出高強度、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鋼的強度和韌性，JFE在實驗室中模擬了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的貝氏體組織。雖然在強度方面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。
低屈強比H型鋼綜合性能良好
化學成分和生產(chǎn)條件。低屈強比SM520級SHH型鋼的典型化學成分見表1，它與通用的430MPa級（抗拉強度）鋼具相同的含碳量和碳當量。其生產(chǎn)工藝是：在1250℃以上的溫度保溫后，在高溫下進行熱軋（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型鋼的典型化學成分（質(zhì)量%）
元素
C
Si
Mn
P
S
Ti等
碳當量
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的貝氏體組織。抗拉試驗結果和夏比沖擊試驗結果顯示：該H型鋼翼緣1/6部、倒角部和腹部都獲得了滿足標準的高強度，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度和韌性。
該H型鋼采用CO2氣體保護焊，在預熱溫度5℃、濕度60%的環(huán)境下，根據(jù)JIS Z3158標準進行了y坡形焊接裂紋試驗，結果顯示：在預熱溫度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標準進行的短焊道焊接的熱影響區(qū)最高硬度試驗表明：在焊接長度超過20毫米時，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準（JASS6）的良好焊接性能。
JFE采用CO2氣體保護焊對翼緣厚40毫米的該H型鋼進行多層堆焊，以檢查了其焊接頭性能。焊接材料采用MG-56級（直徑1.2毫米），實驗條件為無預熱、道次間最高溫度小于250℃，進行9層16道次的焊接，焊接的輸入熱量為3千焦/毫米。焊接頭的試驗結果顯示：焊接部沒有發(fā)現(xiàn)熔合不良、裂紋等有害焊接缺陷。同時，斷裂強度大于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度。此外，焊接接頭夏比沖擊試驗結果顯示：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（抗拉強度）SHH型鋼已經(jīng)應用于日本國內(nèi)的高層建筑物。
寒冷環(huán)境使用的低溫韌性H型鋼
化學成分和生產(chǎn)工藝。SM490Y級（抗拉強度）H型鋼的典型化學成分見表2。為滿足包括焊接部在內(nèi)的低溫韌性，JFE應用熱影響區(qū)高韌性化技術（JFEEWEL）對其進行了成分設計。應用先進型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）進行了比較。
表2 SM490Y級H型鋼的典型化學成分（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鋼的強度和韌性試驗結果顯示：盡管TMCP鋼的翼緣厚度大，還是獲得了SM490Y級（抗拉強度）的高強度，且-40℃下的夏比沖擊功達到200焦以上，具有低溫韌脆轉變溫度低于-50℃的優(yōu)良低溫韌性。
JFE使用YGW-23級（直徑1.2毫米）焊接材料，采用MAG焊接（熔化極活性氣體保護電弧焊，保護氣體為80%Ar+20%CO2）對該H型鋼進行了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℃。最終的焊接頭試驗結果說明：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。