CN103361569A

CN103361569A - 一种超低温耐候结构钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN103361569A
Application number: CN2013103151954A
Authority: CN
Inventors: 李生根; 王月香; 周平; 杨娜; 高立福; 李灿明
Original assignee: Laiwu Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2033-07-24
Also published as: CN103361569B

Abstract

本发明提供一种超低温耐候结构钢板及其生产方法，所述钢板的成分按重量计含有C：0.07%～0.10%、Si：≤0.40%、Mn：≤1.00%、P：≤0.020%、S：≤0.005%、Cu：0.25%～0.45%、Cr：0.40%～0.70%、Ni：0.15%～0.25%、Nb：0.015%～0.030%、Ti：0.020%～0.035%、Al：≥0.020%、Ca：0.001%～0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明的钢板，屈服强度≥450MPa、抗拉强度≥560MPa、伸长率≥27%、-60℃冲击功≥155J。

Description

一种超低温耐候结构钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种超低温耐候结构钢板及其生产方法。

背景技术

钢铁材料暴露在空气中，由于空气中的水和氧等的化学与电化学作用而引起的腐蚀称为钢铁的大气腐蚀。它是一种常见的腐蚀现象，由此而造成的经济损失约占总钢铁腐蚀损失的一半以上，因此，耐大气腐蚀（耐候）结构钢板越来越受到人们的关注。作为一种高效钢材，耐候结构钢板可经受风吹雨打、阳光暴晒以及温度变化大等恶劣的服役条件，并且使用时间愈长耐蚀作用愈突出。耐候结构钢板越来越多地被应用到建筑、桥梁、工程机械、车辆制造等行业中，年需求量在几十万吨左右，具有良好的市场前景。

CN1800428A公开了一种经济型耐候钢，其含有C：0.12%～0.21%、Si：0.20%～2.00%、Mn：0.70%～2.00%、P：≤0.034%、S：≤0.036%、Cu：0.10%～0.40%、Al＜0.2%，余量为Fe和不可避免的杂质。通过添加Cu、Mn、Si、Al等合金化，在不需改变Q235钢生产工艺条件下，生产具有耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济耐候钢。该发明钢中C、S含量较高，不利于焊接性能和成型性能的保证，并且没有涉及低温冲击性能。

CN101736204A公开了一种高强度耐大气腐蚀中厚板及其制造方法，其含有C：≤0.12%，Si：0.15%～0.45%，Mn：0.70%～1.40%，P：≤0.020%，S：≤0.008%，Cu：0.25%～0.50%，Cr：0.35%～1.00%，Ni：0.15%～0.55%，Nb+Ti+V：≤0.22%，余量为Fe和不可避免的杂质。通过添加Cu、Ni、Cr提高钢板的耐大气腐蚀性能，通过添加Nb、Ti、V微合金化来提高钢板的强度，该发明添加了较多的耐腐蚀性元素Cu、Ni、Cr以及微合金化元素Nb、Ti、V提高了碳当量，不利于焊接工艺性能，并且没有涉及超低温-60℃冲击性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了低成本地开发具有综合力学性能、耐大气腐蚀性能、焊接性能、成型性能均优异的超低温耐候结构钢板，特别适用极寒地域、无涂装钢结构使用。

本发明提供了一种超低温耐候结构钢板，所述钢板的成分按重量百分比为：C：0.07%～0.10%、Si：≤0.40%、Mn：≤1.00%、P：≤0.020%、S：≤0.005%、Cu：0.25%～0.45%、Cr：0.40%～0.70%、Ni：0.15%～0.25%、Nb：0.015%～0.030%、Ti：0.020%～0.035%、Al：≥0.020%、Ca：0.001%～0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明还提供了一种超低温耐候结构钢板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：KR铁水深度脱硫→转炉冶炼→LF精炼→连铸→板坯下线缓冷与清理→加热→除鳞→粗轧→精轧→水冷→热矫直→钢板标识→缓冷→剪切→标识→成品。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的C钢板的1/4厚度处的显微组织。

图2示出了根据本发明实施例的C钢板的1/2厚度处的显微组织。

具体实施方式

为了解决上述问题，本发明提供了一种超低温耐候结构钢板，所述钢板的成分按照重量百分比为：C：0.07%～0.10%、Si：≤0.40%、Mn：≤1.00%、P：≤0.020%、S：≤0.005%、Cu：0.25%～0.45%、Cr：0.40%～0.70%、Ni：0.15%～0.25%、Nb：0.015%～0.030%、Ti：0.020%～0.035%、Al：≥0.020%、Ca：0.001%～0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明中的术语“超低温”是指温度为-60℃。

优选地，为了确保所述钢板的优良综合性能，所述钢板的成分应同时满足下述条件要求：

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+(Ni+Cu)/15≤0.40%，确保钢板具有良好的焊接性能；

Mn/C≥10，确保钢板晶粒均匀细小，保证良好的超低温韧性；

Ti/N≥3.4，优选地为4.0～4.5，保证形成的TiN粒子均匀细小，提高钢强度的同时改善钢板的焊接性能；

Ca/S≥1.0，降低钢中的夹杂物含量，提高耐大气腐蚀性能与成型性能。

为确保钢板优异的耐大气腐蚀性能，优选地，耐大气腐蚀性指数（I）=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)²≥6.0。

为确保本发明钢板良好的表面质量，避免铜脆的发生，优选地，Ni/Cu≥0.5，基于成本考虑优选Ni/Cu的数值为0.6～0.9。

所述钢板成分中，一种优选的重量百分比：C：0.08%、Si：0.30%、Mn：1.00%、P：0.015%、S：0.003%、Cu：0.30%、Ni：0.20%、Cr：0.50%、Nb：0.020%、Ti：0.025%、Al：0.04%、Ca：0.004%。

本发明钢板成分中各合金元素含量的确定基于以下原理：

C是提高钢板强度最经济有效的元素，但C含量过高会显著恶化钢板的焊接性能，并且会促进珠光体转变，降低钢板耐大气腐蚀性能。采用低C设计可提高钢板焊接性能，减少碳化物组织形成，以保证组织的单一性，提高钢板耐大气腐蚀性能、低温冲击韧性和成型性。但C含量不宜过低，过低C含量不仅导致奥氏体晶界迁移率高，易形成混晶组织，同时还易造成晶界结合力下降，导致低温冲击韧性低下，综上所述，C含量在0.07%～0.10%。

Si促使钢水脱氧并能够提高钢板强度，也可提高钢板耐大气腐蚀性能。但采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si还会损害钢板的低温韧性和焊接性能，因此Si含量应尽可能低些，基于成本考虑，Si含量≤0.40%，优选地，Si含量为0.25%～0.35%。

Mn是弱碳化物形成元素，Mn可以改善钢板耐大气腐蚀性能，原因在于(FeMn)₃C中的Mn提高了碳化物的稳定性。Mn能提高钢板强度，可以通过增加Mn来弥补因C含量降低导致的钢板强度不足。但较高的Mn含量会加剧铸坯的中心偏析，从而造成钢板带状组织严重，影响钢板耐大气腐蚀性能。从焊接角度出发，Mn的碳当量只是C的1/6，在C含量低的情况下加入适当的Mn既可保证较高的强韧性能，又能获得良好的焊接性能。综上所述，Mn含量控制为≤1.00%，优选地为0.80～1.00%。

P虽然具有改善钢板耐大气腐蚀性能的作用，但P在钢板中易析出并形成Fe₃P，增加钢板的脆性，特别是降低钢板的低温冲击韧性。P还会恶化钢板的焊接性能，此外P在γ-Fe铁和α-Fe中的扩散速度小，易形成偏析，从而对钢板成型性能造成不利影响。但考虑到实际生产控制及成本，P含量控制在≤0.020%。

S作为钢板中有害元素，对钢板的低温冲击韧性以及耐大气腐蚀性能损害作用很大，同时S还是热轧过程中产生热脆的主要元素，希望S含量越低越好，但考虑到成本等因素，S含量控制在≤0.005%。

Cu作为奥氏体稳定化元素，可以提高钢板强度，且对钢板的低温冲击韧性影响小。对耐候结构钢板而言添加一定量的Cu是必不可少的，但Cu含量过多会在热轧时产生细小弥散的Cu沉淀（Cu在铁素体中的固溶度约为0.45%左右），损害钢板的低温冲击韧性，同时还易造成铜脆。但Cu含量过少，则达不到无涂装耐大气腐蚀性要求。因此，Cu含量控制在0.25～0.45%，优选地为0.25%～0.40%。

Ni可以改善钢板的无涂装耐大气腐蚀性能，向钢板中加入Ni还可以防止铜脆发生，一般Ni/Cu控制在0.5～1.0，降低浇铸、热轧及焊接过程的热裂纹敏感性。此外，Ni是钢板获得优良的低温冲击韧性所不可缺少的合金元素。从理论上讲Ni含量在一定范围内越高越好，但Ni是一种价格昂贵的合金元素，基于成本考虑，Ni含量控制在0.15%～0.25%。

Cr可以在不损害钢板的低温冲击韧性及焊接性能的条件下，提高钢板的耐腐蚀性能。对耐候结构钢板而言添加一定量的Cr是必不可少的，如果加入的Cr含量过少，则Cr对钢板耐腐蚀性能的贡献较小，达不到无涂装耐候使用的要求，但加入Cr含量过多，则损害钢板的焊接性能。因此，Cr含量控制在0.40%～0.70%。

Nb能显著细化晶粒并提高钢板强度，在控轧过程中，通过抑制再结晶和阻止晶粒长大，细化奥氏体晶粒尺寸。在冷却过程中，NbC和NbN以微小质点析出，可起沉淀强化的作用。但当Nb含量低于0.015%时，不能有效发挥在未再结晶区、两相区控轧作用，对钢板强化能力不强，但Nb含量过多对钢板的强度的提高作用较小，并且对焊接热影响区韧性有不利的影响。因此，Nb含量控制在0.015%～0.030%。

Ti是强碳氮化物元素，通过析出强化提高钢板强度，在钢坯重新加热时阻止奥氏体晶粒长大，在高温奥氏体区粗轧时TiN和TiC析出，可有效地钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体长大。另外，钢板在焊接过程中，钢中的TiN和TiC粒子能显著阻止热影响区晶粒长大，从而改善钢板的焊接性能，但Ti加入量过多，部分TiN颗粒在钢液凝固过程中以大尺寸的TiN粒子析出，这种大尺寸TiN不能抑制奥氏体晶粒长大，反而成为裂纹萌生的起点，导致钢板的强度和韧性下降。因此Ti含量控制在0.020%～0.035%。

Al与钢中的N形成AlN细化晶粒，提高钢板强度，Al也能在锈层内形成致密的氧化物，提高钢板的耐大气腐蚀性能。但Al含量过高将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，对钢板的低温冲击韧性及耐腐蚀性能不利。因此Al含量控制在0.020%～0.050%。

Ca的微量加入可以显著提高钢板整体耐大气腐蚀性能，微量Ca可以形成CaO和CaS溶解于钢板表面薄电解液膜中，使腐蚀界面的碱性增大，降低其侵蚀性，促进锈层转化为致密、保护性好的α-FeOOH，还可以有效避免使用时出现的锈液倒挂现象。因此，Ca含量控制在0.001%～0.005%。

根据本发明的另一方面，提供了一种超低温耐候结构钢板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：KR铁水深度脱硫→120t转炉冶炼→LF精炼→连铸→板坯下线缓冷与清理→加热→除鳞→粗轧→精轧→水冷→热矫直→钢板标识→缓冷→剪切→标识→成品。

连铸工艺：采用耐候专用保护渣，配合轻压下工艺，中间包浇注过热度控制在15～30℃之间，拉坯速度控制在1.1m/min～1.3m/min，加强连铸过程一冷、二冷工艺控制。

加热工艺：采用冷装，加热参考时间7～9min/cm，钢坯加热均匀，各点温度差≤20℃，出钢温度为1160℃～1210℃。

轧制工艺：采用双机架两阶段控轧工艺。奥氏体再结晶区纵轧末道次压下率不低于25%，粗轧开轧温度控制在1160℃以上，粗轧终轧温度控制在1000℃以上。奥氏体未再结晶区累计压下率不低于60%，精轧开轧温度为880～930℃，精轧终轧温度820℃～860℃。

水冷工艺：钢板开冷温度785℃～815℃，冷速在3℃～5℃/s，终冷温度685℃～715℃，保证钢板在宽度方向上的冷却均匀性，控制冷却速率、头尾部遮挡、冷却结束温度和钢板的摆动，保证钢板在长度方向上冷却的均匀性。

缓冷工艺：厚度≥30mm的钢板轧后要尽快进行缓冷，开始缓冷温度不能低于350℃，缓冷时间≥36h。

根据本发明的钢板生产方法，按吨钢喂入200～400米Ca-Fe线，连铸采用专用的耐候钢保护渣，及合理的一冷、二冷工艺。

基于本发明提供的上述生产方法，生产出的超低温耐候结构钢板屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥560MPa，伸长率≥27%，-60℃冲击功≥155J，耐大气腐蚀性指数（I）≥6.34。所述钢板生产成本低廉经济，综合力学性能、耐大气腐蚀性能、焊接性能、成型性能均很优异。

下结合具体示例详细阐述本发明的钢板。

以下示例为根据本发明提供的成分设计和生产工艺所获得的厚度不同的三种钢板A、B和C。其中，表1示出三种钢板的化学成分。表2示出三种钢板的实际生产工艺，表3示出三种钢板的力学性能，表4示出三种钢板的耐大气腐蚀性能检测结果。

本发明提供的示例的耐大气腐蚀性能检测结果以TB/T2375-93周期浸润腐蚀试验结果为判定依据，以目前常用的耐候钢Q345B的相对腐蚀速率为100%参照物。从检测结果可以看出，本发明提供的钢板的耐候性比Q345B有很大提高，具有优良的耐大气腐蚀性能。

从表中数据可以看出，本发明提供的生产工艺简单易于操作，生产出的超低温耐候结构钢板具有良好的综合性能，适合大规模工业生产。

表1：钢板A、B和C的化学成分

表2：钢板A、B和C的生产工艺

表3：钢板力学性能

表4：钢板耐大气腐蚀试验结果

从以上具体实施的结果及附图1、2显微组织可见，本发明的钢板组织是均匀细小铁素体+少量珠光体，从而实现钢板的强韧性、强塑性匹配、耐大气腐蚀性、优良焊接性能及成型性。

本发明与现有技术相比：产品的成分简单，成本低廉，通过合理的合金元素配比与最优轧制工艺相结合，最大限度提高耐腐蚀元素Cu、Cr、Ni改善耐候性能，并保证良好的综合力学性能（尤其是低温冲击韧性）、优良的焊接性能与成型性，特别适合极寒地域、无涂装钢结构使用。

Claims

1.一种超低温耐候结构钢板，其特征在于，所述钢板的成分按重量百分比为：C：0.07%～0.10%、Si：≤0.40%、Mn：≤1.00%、P：≤0.020%、S：≤0.005%、Cu：0.25%～0.45%、Cr：0.40%～0.70%、Ni：0.15%～0.25%、Nb：0.015%～0.030%、Ti：0.020%～0.035%、Al：≥0.020%、Ca：0.001%～0.005%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的超低温耐候结构钢板，其特征在于，所述钢板同时满足以下条件：

CEV=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+(Ni+Cu)/15≤0.40%；

Mn/C≥10；

Ti/N≥3.4；

Ca/S≥1.0。

3.如权利要求1所述的超低温耐候结构钢板，其特征在于，所述钢板的耐大气腐蚀性指数

=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)²≥6.0。

4.如权利要求1所述的超低温耐候结构钢板，其特征在于，Ni/Cu≥0.50。

5.如权利要求1所述的超低温耐候结构钢板，其特征在于，所述钢板的成分按重量百分比为：C：0.08%、Si：0.30%、Mn：1.00%、P：0.015%、S：0.003%、Cu：0.30%、Ni：0.20%、Cr：0.50%、Nb：0.020%、Ti：0.025%、Al：0.04%、Ca：0.004%。

6.一种超低温耐候结构钢板的生产方法，其特征在于所述生产方法包括以下步骤：KR铁水深度脱硫→转炉冶炼→LF精炼→连铸→板坯下线缓冷与清理→加热→除鳞→粗轧→精轧→水冷→热矫直→钢板标识→缓冷→剪切→标识→成品。

7.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，奥氏体未再结晶区累计压下率不低于60%，精轧开轧温度为880～930℃，精轧终轧温度为820℃～860℃。

8.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，开冷温度785℃～815℃，冷速3℃/s～5℃/s，终冷温度685℃～715℃。

9.如权利要求6所述的生产方法，其特征在于，开始缓冷温度不低于350℃，缓冷时间≥36h。