CN101497969A

CN101497969A - 一种高性能耐候抗震建筑用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN101497969A
Application number: CNA2009100611095A
Authority: CN
Inventors: 童明伟; 卜勇; 段东明; 张开广; 黄成红; 杜明; 习天辉; 董汉雄
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2009-08-05

Abstract

本发明涉及建筑用的低合金钢及生产方法。其解决目前存在的建筑用钢有耐大气腐蚀性能而没考虑钢的抗震问题的不足。措施：本发明的组分及重量百分比为：C 0.05～0.16、Si 0.10～0.50、Mn 0.60～1.50、P≤0.015、S≤0.010、Cu 0.15～0.60、Cr 0.25～0.80、Ni 0.10～0.50、V 0.01～0.10、Ti 0.005～0.030及Nb 0.010～0.040、Als 0.010～0.050、Ca0.0010～0.0060、RE 0.0010～0.020中的至少一种，其余为Fe及不可避免的杂质；步骤：铁水脱硫及RH脱气；加热至1150～1310℃；粗轧，其温度控制在1100～1200℃；精轧：精轧开轧温度在880～980℃；每道次的压下率在15～30％；精轧终轧温度在800～900℃，最后三道次累计压下率在35～50％。

Description

一种高性能耐候抗震建筑用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及建筑用钢及生产方法，具体属于一种适用于建筑的具有高性能耐候及抗震的低合金钢及其生产方法。

背景技术

在本发明以前，有关用于建筑方面的耐候钢种多有报道，有如欧洲专利(EP 0841 409 A1)、前苏联专利(SU1822446A3)、日本专利(特开平9-277083)、伯利恒钢铁公司和浦项综合制铁株式会社申请的一种含有C、Mn、Nb、V、N和Ti的改进的耐候钢板的制造方法的专利(US6187117)等，其主要是为耐大气腐蚀的钢种，其主要通过添加P与Cu、Cr等元素来提高钢的耐大气腐蚀性能，且还有添加As、Co等元素的，其不仅增加了成本，且生产工艺流程较为复杂，更主要的问题是没考虑钢的抗震问题。如我国去年的四川汶川大地震，建筑中就未能考虑建筑结构用钢在强级别地震中的抗震即屈强比的问题，为此，我们开发了既具有高耐候性也具备抗拒强级别地震即屈强比≤0.80的耐候及抗震的低合金建筑用钢及其生产方法。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种高性能耐候且屈强比≤0.80、具有抗层状撕裂能力、焊前不需预热或在不高于50℃进行预热、焊后不需热处理、工艺简单的抗震建筑用钢及其生产方法，

实现上述目的的技术措施：

一种高性能耐候抗震建筑用钢，其在于：钢的化学成分及重量百分比为：C 0.05～0.16、Si 0.10～0.50、Mn 0.60～1.50、P≤0.015、S≤0.010、Cu 0.15～0.60、Cr 0.25～0.80、Ni 0.10～0.50、V 0.01～0.10、Ti 0.005～0.030及Nb 0.010～0.040、Als 0.010～0.050、Ca 0.0010～0.0060、RE 0.0010～0.020中的至少一种，其余为Fe及不可避免的杂质。

其在于：钢中铁素体面积百分比为50～75％。

生产一种权利要求1所述的高性能耐候抗震建筑用钢的方法，其步骤：

1)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

2)将板坯加热至1150～1310℃，使板坯充分奥氏体化；

3)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1100～1200℃；

4)对板坯进行精轧：精轧开轧温度控制在880～980℃；每道次的压下率控制在15～30％；

精轧终轧温度控制在800～900℃，最后三道次的累计压下率控制在35～50％。

其在于：精轧开轧温度控制在920～960℃；精轧终轧温度控制在820～880℃。

本发明钢的化学成分的限定理由如下：

本发明的C含量选择在0.05～0.16％。C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，如果溶入基体中，能够起到固溶强化的作用。随着碳含量的增加，钢中Fe₃C量也随之增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服极限会提高而延伸率、缺口冲击韧性则下降。碳含量每增加0.10％抗拉强度大约提高90MPa，屈服极限大约提高40～50MPa。如果C含量超过一定的量时，在焊接此类钢材时，焊接热影响区将会出现淬硬现象，这一现象将加剧钢材焊接时产生冷裂纹的倾向。C是影响碳当量Ceq的主要因素，要控制钢Ceq不大于0.42％，钢中C含量应不大于0.16％，同时添加适量的其他微合金元素来达到钢板强韧性良好的匹配，这样，既能确保钢的焊接性和强度，又方便了生产操作，从而提高其在大生产中的适用性和可行性。

本发明的Si含量选择在0.10～0.50％。Si在钢中不形成碳化物而固溶于铁素体中，主要以固溶强化的形式来提高钢的强度，固溶强化作用很强，同时，也是钢中的脱氧元素。但如果钢中Si含量过高，则会引起面缩率下降，特别是冲击韧性下降较为明显，同时对钢的焊接性也不利，因此钢中Si含量不应过高，本发明钢Si含量上限定为0.50％。

本发明的Mn含量选择在0.50～1.50％。Mn是很重要的合金化元素，是奥氏体稳定化元素，在相同C含量和冷却速度下，随着钢中Mn含量的增加，钢中珠光体的相对含量会增加，珠光体片层细化，从而提高钢的强度，在含Mn量不高的情况下，钢的塑性基本上不降低。此外，由于Mn使A₃温度下降，从而使先共析铁素体在更低的温度下析出且细化，同时，抑制了碳化物在过冷奥氏体晶界上析出，使钢保持在较高的塑性，并降低钢的韧性—脆性转变温度。Mn在钢中还是防止热脆性的主要元素，MnS大约在出钢阶段形成，所以消除了S造成的危害。Mn是与γ-Fe形成连续固溶体的常用元素，是溶入铁素体而引起钢的固溶强化的，并且不恶化钢的变形能力。含1％的Mn约可提高抗拉强度100MPa，随着Mn含量的增加，钢材的强度明显的增加，但Mn含量过高，对钢的韧性不利，一般说来，Mn含量在2％以下对焊缝金属的韧性是有利的，因此，本发明Mn的含量上限为1.50％。

本发明的P含量选择在≤0.015％。P能提高钢的强度，有效改善钢铁材料的抗腐蚀性能，但使韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，即提高钢的冷脆性(低温转变)。P一般固溶于钢的固溶体中，显著降低钢的冷加工性，另外P在钢中的偏析倾向比较严重，造成带状组织，使钢的力学性能不均匀，因此，应严格限制钢中P的含量，其适宜量为≤0.015％。

本发明的S≤0.010％。S是通过形成硫化物夹杂而对钢的力学性能发生影响，硫化物夹杂对钢的强度及韧性都产生不利的影响，同时明显降低钢的Z向性能、焊接性能以及耐候性能，因此，钢中S含量必须控制在较低的范围，其适宜量为≤0.010％。

本发明的Cu含量选择在0.15～0.60％。Cu在钢中主要起固溶及沉淀强化和耐大气腐蚀作用，当与P共存时，其耐腐蚀效果更为明显，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。当Cu含量小于0.10％时，Cu的沉淀强化作用不明显，含量过高时，钢板焊接热影响区韧性会降低，且在钢板轧制过程中易产生网裂，故其上限控制在0.60％。

本发明的Cr含量选择在0.25～0.80％，Cr是缩小奥氏体相区的元素，是中强碳化物形成元素，在钢中可以形成碳化物也可固溶于铁素体。同时，Cr还是提高钢淬透性的有效元素，也因在钢的表面形成致密的氧化铬而提高钢在大气中的抗腐蚀性能，因此，Cr是增强钢材抗大气腐蚀能力的主要元素之一。另外，在Cu-Cr-Ni复合添加的情况下，Cr能显著提高钢的耐腐蚀性能。但是加入Cr会提高钢的淬硬性，从而提高钢材对焊接冷裂纹的敏感性，所以Cr的上限应控制在0.80％。

本发明的Ni含量选择在0.10～0.50％。Ni在钢中只固溶于基体相铁素体或奥氏体中，是奥氏体稳定化很强的元素，可使奥氏体在更低的温度下分解。Ni对钢的各种性能都有利，加入1％的Ni可提高钢材强度约20MPa，另外，Ni既能显著地改善钢材的韧性、尤其是低温韧性，还能大幅度提高基材和模拟焊接热影响区的低温韧性。Ni还能有效阻止Cu的热脆引起的网裂，显著提高钢的抗大气腐蚀性能和耐海水腐蚀性能，尤其是与Cu、Cr复合应用时具有明显提高钢的抗大气腐蚀性能的作用。若钢中Ni含量不足0.10％时，则Ni的上述作用不明显，但Ni含量过高易造成钢板氧化铁皮难以脱落，且生产成本增加。

本发明的V含量选择在0.010～0.10％。V是强碳化物形成元素，与碳的结合力极强，在钢中形成稳定、高熔点、高弥散的VC，因此，它可以通过细化晶粒与碳化物的形成来提高钢材的强度。

本发明的Ti含量选择在0.005～0.030％。Ti是强氮化物形成元素，Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大，大大改善焊接热影响区的低温韧性。

本发明的Nb含量选择在0.010～0.040％。Nb是强碳化物形成元素，也是细化晶粒的重要元素，尤其对奥氏体晶粒的细化和再结晶组织的细化作用。Nb在钢中主要通过与C、N形成微细的碳氮化物来提高钢材的强度和韧性，即使添加0.010％的Nb也能表现出其效果。

本发明的Als含量选择在0.010～0.050％。Al是钢中的主要脱氧元素，另外，Al的熔点较高，在生产中，钢中Al可与N形成AlN，而AlN有利于阻碍高温奥氏体长大，细化晶粒的作用，从而提高钢的强度。但Al含量较高时，将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，从而显著降低钢的冲击韧性，对钢的耐大气腐蚀性能也有不利影响。

本发明的Ca含量选择在0.0010～0.0060％。钢中Ca可以控制硫化物的形态、提高夏比吸收能、改善低温韧性，但Ca含量低于0.0010％时，效果不明显；而如果超过0.0060％，则会生成许多CaO、CaS的大型夹杂物，从而影响钢的纯净度和低温冲击韧性，也可能对钢的焊接性能和抗层状撕裂性产生不利的影响。

本发明的RE含量选择在0.0010～0.020％。钢中加入RE，可降低锈层的S含量，促进Si、Cu和P在内锈层的富集和Fe₂O₃·H₂O的生成，SiO₃ ^2-和PO₄ ^3-等均有缓蚀作用，有利于形成较致密粘附性好的含硅铜稀土的复合铁锈层，从而大大提高钢板的耐大气腐蚀性能。

本发明具有如下特点：

1.本发明钢具有良好的耐候性能，且钢材使用时间愈长，愈能显示其优越性。

2.本发明钢具备优良的抗震性能，即屈服强度R_eL与抗拉强度R_m之比≤0.80。

3.本发明钢具有良好的强韧性匹配，

本发明钢以控制轧制状态交货，无需进行较为复杂的热处理工序，具有钢材成本较低，生产周期短等优点，适应大生产要求，可广泛用于各类高层、超高层等要求具备耐候性及抗震性的建筑工程结构用钢。其性能指标达到：屈服强度R_eL≥400MPa；抗拉强度R_m≥540MPa；延伸率A≥25％；Z向性能Zz≥35％；-20℃纵向冲击功A_KV≥200J。

具体实施方式

本发明轧制钢板厚度分别为18、36、40、45、50毫米。

实施例1

轧制钢板厚度为50毫米的高性能耐候抗震建筑用钢，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.05、Si 0.15、Mn 1.0、P：0.015、S：0.009、Cu 0.15、Cr 0.40、Ni 0.25、V 0.01、Ti 0.005、Ca 0.006其余为Fe及不可避免的杂质。

钢中铁素体面积百分比为50％。

1)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

2)将板坯加热至1150℃，使板坯充分奥氏体化；

3)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1100℃；

4)对板坯进行精轧：精轧开轧温度控制在880℃；每道次的压下率控制在15％；

精轧终轧温度控制在800℃，最后三道次的累计压下率控制在35％。

实施例2

轧制钢板厚度为45毫米的高性能耐候抗震建筑用钢，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.08、Si 0.10、Mn 0.60、P 0.013、S 0.009、Cu 0.25、Cr 0.25、Ni 0.10、V 0.045、Ti 0.009及Nb 0.010、Als 0.020、RE 0.0015，其余为Fe及不可避免的杂质。

钢中铁素体面积百分比为60％。

a)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

b)将板坯加热至1200℃，使板坯充分奥氏体化；

c)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1130℃；

d)对板坯进行精轧：精轧开轧温度控制在900℃；每道次的压下率控制在20％；

精轧终轧温度控制在820℃，最后三道次的累计压下率控制在38％。

实施例3

轧制钢板厚度为40毫米的高性能耐候抗震建筑用钢，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.12、Si 0.25、Mn 1.50、P 0.009、S 0.005、Cu 0.34、Cr 0.50、Ni 0.32、V 0.10、Ti 0.010及Nb 0.025、Als 0.050、Ca 0.0010、RE 0.0010，其余为Fe及不可避免的杂质。

钢中铁素体面积百分比为63％。

1)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

2)将板坯加热至1250℃，使板坯充分奥氏体化；

3)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1150℃；

4)对板坯进行精轧：精轧开轧温度控制在920℃；每道次的压下率控制在25％；

精轧终轧温度控制在850℃，最后三道次的累计压下率控制在42％。

实施例4

轧制钢板厚度为36毫米的高性能耐候抗震建筑用钢，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.16、Si 0.40、Mn 1.20、P 0.005、S 0.003、Cu 0.46、Cr 0.65、Ni 0.42、V 0.008、Ti 0.02及Als 0.01、Ca 0.001、RE 0.002，其余为Fe及不可避免的杂质。

钢中铁素体面积百分比为75％。

1)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

2)将板坯加热至1280℃，使板坯充分奥氏体化；

3)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1180℃；

4)分精轧开轧及精轧终轧两段进行精轧：精轧开轧温度控制在960℃；每道次的压下率控制在30％；

精轧终轧温度控制在880℃，最后三道次的累计压下率控制在46％。

实施例5

轧制钢板厚度为18毫米的高性能耐候抗震建筑用钢，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.085、Si 0.32、Mn 0.09、P 0.003、S 0.001、Cu 0.60、Cr 0.80、Ni 0.50、V 0.10、Ti 0.026及Als 0.05、Ca 0.001，其余为Fe及不可避免的杂质。

钢中铁素体面积百分比为69％。

1)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

2)将板坯加热至1310℃，使板坯充分奥氏体化；

3)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1200℃；

4)对板坯进行精轧：精轧开轧温度控制在980℃；每道次的压下率控制在20％；

精轧终轧温度控制在900℃，最后三道次的累计压下率控制在50％。

经对本发明钢板进行常温拉伸，其结果：Z向拉伸性能在50～70％、-20℃温度下的冲击功均在200J以上、屈服强度在425～470Mpa、抗拉强度在540～590Mpa、屈强比小于0.79％、周浸试验150小时结果与美国的代号为CortenB耐候钢对比，其腐蚀率优于其对比钢。总之，本发明钢具有优异的综合机械性能。

Claims

1、一种高性能耐候抗震建筑用钢，其特征在于：钢的化学成分及重量百分比为：C 0.05～0.16、Si 0.10～0.50、Mn 0.60～1.50、P≤0.015、S≤0.010、Cu 0.15～0.60、Cr 0.25～0.80、Ni 0.10～0.50、V 0.01～0.10、Ti 0.005～0.030及Nb 0.010～0.040、Als 0.010～0.050、Ca 0.0010～0.0060、RE 0.0010～0.020中的至少一种，其余为Fe及不可避免的杂质。

2、如权利要求1所述的一种高性能耐候抗震建筑用钢，其特征在于：钢中铁素体面积百分比为50～75％。

3、生产一种权利要求1所述的高性能耐候抗震建筑用钢的方法，其步骤：

1)采用铁水脱硫、RH真空脱气处理；

2)将板坯加热至1150～1310℃，使板坯充分奥氏体化；

3)对板坯进行粗轧，将开轧温度控制在1100～1200℃；

4)对板坯进行精轧：精轧开轧温度控制在880～980℃；每道次的压下率控制在15～30％；精轧终轧温度控制在800～900℃，最后三道次的累计压下率控制在35～50％。

4、如权利要求3所述的生产一种高性能耐候抗震建筑用钢的方法，其特征在于：精轧开轧温度控制在920～960℃；精轧终轧温度控制在820～880℃。