CN101514425B

CN101514425B - 屈服强度160MPa级建筑抗震用低屈服点钢及其生产方法

Info

Publication number: CN101514425B
Application number: CN2008100337664A
Authority: CN
Inventors: 宋凤明; 温东辉; 李自刚; 柏明卓
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2028-02-21
Also published as: CN101514425A

Abstract

本发明提供一种低屈服强度建筑抗震用钢，包括以下化学成分(重量％)：C：0.01-0.05、Si≤0.02、Mn：0.05-0.15、P≤0.01、S≤0.006、Al：0.01-0.05、N≤0.005、Ti：0.01-0.10、其他为Fe和不可避免的杂质元素。本发明还提供这种抗震用钢的生产方法。本发明提供的这种抗震用钢具有优良的综合力学性能，屈服强度在140-180MPa，延伸率超过50％，具有优良的塑性变形能力、良好的0℃冲击韧性、良好的低周疲劳性能及良好的焊接性能，适用于各种建筑的抗震设计，保护主体建筑的安全；且生产工艺简单，成本较低，适用于大规模生产。

Description

屈服强度160MPa级建筑抗震用低屈服点钢及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁制造领域，具体地，本发明涉及超低碳钢制造领域，更具体地，本发明涉及抗震用钢及其生产方法。

背景技术

地球上每年有数百万次的地震发生，我国作为地震多发国家，20世纪发生6级以上地震近400次，造成大量的人员伤亡和财产损失。地震造成的灾害，引起人们对建筑抗震问题的关注。近年来，在工程抗震研究方面取得了很大进展，工程结构用钢的抗震性能也日益得到重视^[1，2]，目前已经研制了系列高性能的结构抗震用钢并应用于高层建筑的建造。但对于低屈服点钢在抗震设计中的应用还鲜有报道。

影响建筑物抗震性能的因素很多，包括场地、地基、平立面布置、结构体系、结构构件和材料性能等。地震时，建筑物承载力不足或者连接强度不够，是导致建筑物倒塌的两个主要原因。同时，建筑物构建的变形能力不够，将使结构丧失整体性，导致建筑物解体。所以抗震结构用钢不仅要具有高的强度，还要注重塑性。另外，还要考虑钢的应变时效敏感性、脆性转变温度、低周疲劳抗力和焊接等性能。

抗震设计主要是通过合理分配地震的惯性力和能量来减少地震对建筑结构的损害，实现抗震的目的。传统的建筑结构设计是依靠柱和梁的塑性变形来吸收地震能的，日本神户大地震后人们发现了这种设计的缺陷，因为地震结束后，严重损坏的柱梁主体结构很难修复。为了解决这一问题，建筑设计领域开始重视依靠消震阻尼装置的主动变形来吸收地震能的抗震设计形式，这种设计方式在日本已经得到越来越广泛的应用。经过近10年的研究，新日铁于1995年开发成功一种新型低屈服点钢用于制造这种抗震效能阻尼装置，且同时开发成功了一种抗震阻尼装置并取得了专利权^[3，4]。

用于制作抗震装置的低屈服点钢(或称软钢)成为抗震用钢的一个新钢种。这些抗震装置利用软钢良好的滞回性能吸收消耗地震能量，保护建筑主体结构。用于制造这些抗震设施的钢具有比其他结构件更低的屈服强度和抗拉强度，并且屈服点波动范围很窄，具有良好的低周疲劳抗力。地震时，这些抗震设施先于其他结构件承受地震载荷作用，并首先发生屈服，通过反复载荷滞后吸收地震能量，保护整个建筑。而此类构件只是抗侧力构件的一个组成部分，其屈服耗能不会影响结构的承重能力。与其他减震材料相比，具有构造简单、经济耐用、震后更换方便和可靠性强等优点，既可用于新建筑物的抗震，也可用于旧建筑抗震能力的提高。

目前采用低屈服点钢提高建筑物的抗震能力在以日本为代表的很多国家得到广泛推广，并开发了一批相关的抗震设计技术^[5-7]。抗震用低屈服点钢通常应用于承载与不承载即斜撑装置，就承载装置而言，有如下专利文献。

“极低屈服点高强度钢板的生产”(JP55104429A，1980年公开)、“具有优良韧性的225MPa/235MPa级低屈服点钢及其生产方法”(JP2004339548，2004年公开)：两篇专利文献提供的钢均属于屈服强度较低、延伸率较高的低合金结构钢，通过塑性区的屈服变形吸收地震能量实现抗震的目的；在成分设计上以较低的碳(C)-硅(Si)-锰(Mn)为基础添加了铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、硼(B)和铌(Nb)等合金中的一种或多种成分，其屈服强度范围为180-260MPa。

“低屈服强度高延伸率结构钢的生产”(JP05214442A，1993年公开)、“超低屈服点钢”(JP06235042A，1994公开)和“结构用低屈服点钢板的制造”(JP10324918A，1998年公开)：以上专利文献所提供的钢也属于低屈服点抗震用钢，其屈服强度一般在130MPa以下；就成分设计而言，采用在低C-Si-Mn的基础上添加微量合金元素的成分设计，同时还另外分别加入了B、Nb和h-BN等成分中的一种或多种；就生产工艺而言，均较复杂。

“韧性优良的低屈服点钢及其生产方法”(JP2005281806，2005年公开)(化学成分、生产工艺和力学性能详见表1对比钢1)：该专利文献提供了一种具有优良韧性适合用于制作阻尼器等控制摇晃设备的低屈服点钢及其生产方法，其屈服强度分为两个等级，即165MPa级和235MPa级。从该文献提供的实施例来看，其中165MPa级的屈服强度为100MPa-200MPa，覆盖范围较宽泛。但在化学成分设计上，特别添加了0.005～0.10％的锆(Zr)，另外还含有0.005～0.05％Ti、0.005～0.05％Nb、0.005～0.05％钒(V)、0.0003～0.0030％B和0.05～0.30％Cr中的一种或两种以上成分。这些元素的添加不但大大增加了制造难度和制造成本，并且不利于钢板的焊接和低温冲击性能。就生产工艺而言，钢种轧后需高温淬火处理或者较高温度下晶粒粗化处理，增加了生产周期和生产成本。另外，也未提供低温冲击性能。

“低屈服点钢结构用钢板的生产”(JP09227936A，1997年公开)(化学成分、生产工艺和力学性能详见表1对比钢2)、“低屈服点厚钢板”(JP09125198A，1997年公开)(化学成分、生产工艺和力学性能详见表1对比钢3)：这两个专利文献所提供的钢均采用极低的C、Si、Mn和微量合金元素的复合添加成分设计，消除钢中多余的C、氮(N)原子，降低钢板的屈服强度并提高塑性，其屈服强度在150MPa以下。其中前者除了微量的Ti外，还添加了0.005～0.030％的Nb和0.003～0.030％B中的一种或两种，B对钢板的冲击和焊接性能不利；后者则Mn含量较高，且添加了0.01～0.50％Cu、0.01～0.50％Ni、0.10～0.50％Cr、0.01～0.50％Mo、0.005～0.10％V、0.005～0.10％Nb和0.005～0.10％Ti中的一种或两种以上成分，并含有0.001～0.005％钙(Ca)。这些合金元素的加入不仅提高了炼钢难度和制造成本，对钢板的焊接和冲击性能也不利，而且，后者追求高的屈强比(≥60％)，这对于抗震用钢是极为不利的，另一方面未提及该钢种0℃冲击功这项性能，同时也未提供其具体的生产方法。

表1化学成分、生产工艺和力学性能

项目

对比钢1

对比钢2

对比钢3

化学成分(wt％)	CSiMnPSAlTiNNbBVCrZrNiMoCuCa	≤0.05≤0.4≤1.0≤0.030≤0.0200.005-0.05(0.005-0.05)≤0.0070(0.005-0.05)(0.0003-0.030)(0.005-0.05)(0.05-0.30)0.005-0.10--------	≤0.0050≤0.020.01-0.30----0.005-0.O500.005-0.080≤0.005(0.005-0.030)(0.003-0.030)--------------	0.001-0.030.01-0.500.10-1.00----0.02-0.05(0.005-0.10)--(0.005-0.10)--(0.005-0.10)(0.10-0.50)--(0.01-0.50)(0.01-0.50)(0.01-0.50)0.001-0.005
					生产工艺屈服强度/MPa抗拉强度/MPa屈强比/％延伸率/％夏比V型冲击功值/J(0℃)		热轧+淬火或晶粒粗化处理100-270------	热轧+晶粒粗化处理≤150200-280--≥50≥47	--≤150--≥60----

从表1可以看出，所述钢化学分成及生产工艺均较复杂，且没有对屈强比有明确要求。

本发明者通过不断尝试，减少了钢中合金元素的添加，并通过简便的生产工艺解决了低屈服点钢的难点问题——有效地降低屈服强度的同时保证韧性等性能，从而完成了本发明。

因此，本发明第一个目的在于提供一种低屈服强度抗震用钢。

本发明第二个目的在于提供这种低屈服强度抗震用钢的生产方法。

发明内容

本发明的第一个方面提供一种低屈服强度建筑抗震用钢，所述抗震用钢包括以下化学成分(重量％)：C：0.01-0.05、Si≤0.02、Mn：0.05-0.15、P≤0.01、S≤0.006、Al：0.01-0.05、N≤0.005、Ti：0.01-0.10、其他为Fe和不可避免的杂质元素。

钢板一般通过固溶强化，析出强化、位错强化和晶界强化等手段提高强度。本发明所述的160MPa级建筑抗震用钢，其屈服强度很低，为了有效降低屈服强度、提高延伸率，需降低合金元素的添加量、减少强化因素。具体化学成分的限定理由如下：

C通过固溶强化会使屈服强度升高，延伸率降低；控制其含量在0.01-0.05％。

Si为脱氧元素，也是固溶强化元素，使屈服强度升高，延伸率降低；控制其含量在0.02％以下。

Mn也是钢中常见的强化元素，通过固溶强化提高屈服强度，使延伸率降低；控制其含量在0.15％以下。

P也能提高强度，并使得钢板变脆、影响韧性；控制其含量在0.01％以下。

S能够提高钢的屈服强度，并使得钢板变脆，降低钢的低温韧性；控制其含量在0.006以下。

Al是脱氧必需的元素，但也会提高钢的强度；控制其含量在0.01-0.05％。

N的固溶能够显著提高钢的强度；控制其含量在0.005％以下。

Ti用来固定C、N原子以降低其对位错运动的阻碍作用，Ti在钢中可依次形成TiN、Ti₄C₂S₂、TiS和TiC，消除钢中自由的C、N原子，从而降低屈服强度；同时TiC、TiN等颗粒的粗化使其失去了晶界钉扎效应，增大了晶粒尺寸，降低了晶界强化效果；但较多的Ti会降低钢板的延伸率；控制其含量在0.01-0.10％。

本发明的另一个方面提供这种低屈服强度建筑抗震用钢的生产方法，所述方法包括钢坯加热、热轧、冷却，其中冷却选用空冷或水冷方式。

本发明提供的这种生产方法，一个优选的实施方式为，所述空冷或水冷方式采用空冷或水冷至600-750℃卷取，或空冷或水冷至室温。

本发明提供的这种生产方法，一个优选的实施方式为，所述钢坯加热中钢坯加热温度在1150-1200℃之间。

本发明提供的这种生产方法，一个优选的实施方式为，所述热轧中终轧温度为850-950℃。

有益效果：

1.本发明钢具有优良的综合力学性能，屈服强度在140-180MPa之间，延伸率超过50％，就有优良的塑性变形能力；并且具有优良的0℃冲击韧性。适用于各种建筑的抗震设计。

2.本发明钢具有良好的低周疲劳性能，能够承受地震载荷下的反复变形，通过钢板的塑性变形吸收地震能量，保护主体建筑的安全，用于承载装置中效果颇佳。

3.本发明钢具有良好的焊接性能，其低碳当量成分设计保证了钢板具有良好的焊接性能。

4.本发明钢采用高温热轧，轧后冷却可以空冷，也可以水冷，既可以冷却到室温，也可以冷却至600-750℃卷取。生产工艺简单，成本较低，适用于企业的大规模生产。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

实施例1

按照如下表2的化学成分在试验室500kg真空感应炉中冶炼。钢坯加热温度为1180℃，终轧温度为920-950℃，轧后空冷至600-750℃卷取或冷却至室温。轧制厚度为12mm。所得钢的力学性能见表3。

表2实施例1钢的化学成分(重量％)

C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ti
								0.0012	0.005	0.09	0.004	0.004	0.029	0.0019	0.041

表3实施例1钢的力学性能

冷却方式	Rp0.2/MPa	Rm/MPa	YR/％	A50/％	0℃横向冲击功Akv/J
						轧后空冷均值	152157154.5	275273274	555856.5	696768	285282286284.3
轧后卷取均值	146155150.5	275275275	565354.5	676767	306300294300

实施例2

按照如下表4的化学成分在试验室500kg真空感应炉中冶炼。钢坯加热温度为1180℃，终轧温度为900-930℃，轧后卷取。轧制厚度为16mm。所得钢的力学性能见表5。

表4实施例2钢的化学成分(重量％)

C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ti
								0.0023	0.007	0.07	0.004	0.007	0.011	0.0028	0.036

表5实施例2钢的力学性能

冷却方式	Rp0.2/MPa	Rm/MPa	YR/％	A50/％	0℃横向冲击功Akv/J
						轧后卷取	162166	270270	6062	5755	296295294
均值	164	270	61	56	295

实施例3

按照如下表6的化学成分在试验室500kg真空感应炉中冶炼。钢坯加热温度为1180℃，终轧温度为870-900℃，轧后空冷。轧制厚度为20mm。所得钢的力学性能见表7。

表6实施例3钢的化学成分(重量％)

C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ti
								0.0041	0.012	0.13	0.006	0.008	0.0435	0.0039	0.025

表7实施例3钢的力学性能

	Rp0.2/MPa	Rm/MPa	YR/％	A50/％	0℃横向冲击功Akv/J
						轧后空冷均值	171175173	270265267.5	636664.5	737373	268291272277

从如上表3、表5及表7所述的力学性能可见，本发明提供的钢具有良好的屈服强度，均在140-180MPa之内，且具有优良的塑性，延伸率均超过50％。另外，从0℃横向冲击功数据来看，其全试样冲击功均在200J以上，可见本发明提供的钢具有优良的冲击性能。

参考文献

[1]辛义德等，重庆大学学报，1986，2：9-19。

[2]龚士弘等，工程抗震，1995，2：37-42。

[3]Mitsuru Sugisawa e.t.c，Nippon Steel Technical Report，1995，66：37-46.

[4]苏晴茂等，建筑钢结构进展，2005，7(1)：13-26。

[5]Tanemi YAMAGUCHI e.t.c，Nippon Steel Technical Report，1998，77：65-72.

[6]Hrioshi NAKAMURA e.t.c，Nippon Steel Technical Report，2000，82：51-57.

[7]Yoshimichi KAWAI e.t.c，Nippon Steel Technical Report，1999，79：6-16.

Claims

1. 一种低屈服强度建筑抗震用钢，其特征在于，包括以下化学成分(重量％)：C：0.01-0.05、Si≤0.02、Mn：0.05-0.15、P≤0.01、S≤0.006、Al：0.01-0.05、N≤0.005、Ti：0.01-0.10、其他为Fe和不可避免的杂质元素。

2. 权利要求1所述低屈服强度建筑抗震用钢的生产方法，包括钢坯加热、热轧、冷却，其特征在于冷却选用空冷或水冷方式。

3. 如权利要求2所述的生产方法，其特征在于，其中所述空冷或水冷方式采用空冷或水冷至600-750℃卷取，或空冷或水冷至室温。

4. 如权利要求2所述的生产方法，其特征在于，其中所述钢坯加热中钢坯加热温度1150-1200℃。

5. 如权利要求2所述的生产方法，其特征在于，其中所述热轧中终轧温度为850-950℃。