CN101775541B

CN101775541B - 屈服强度160MPa级抗震建筑钢及其生产方法

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Publication number: CN101775541B
Application number: CN2010101236691A
Authority: CN
Inventors: 张开广; 卜勇; 童明伟; 陈晓; 陈先猛; 习天辉; 董汉雄; 郭斌; 芮晓龙; 刘文斌; 董中波; 邹德辉
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2030-03-09
Also published as: CN101775541A

Abstract

本发明公开了一种屈服强度160MPa级抗震建筑钢及其生产方法。该钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.002～0.005、Si≤0.03、Mn：0.10～0.50、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、Ti：0.020～0.070、Nb：0.010～0.030、N：0.001～0.003、Al≤0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂。其生产方法包括：铁水脱硫、转炉吹炼、真空处理、连铸、热轧、冷却等步骤。在钢产品屈服强度高于180MPa时，所述冷却步骤之后还设有退火处理步骤。实验证明，本发明的屈服强度160MPa级抗震建筑钢具有屈服强度低、延伸率高及冲击韧性优良的特点，并且其生产方法工艺简单，生产成本低。

Description

屈服强度160MPa级抗震建筑钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及建筑用钢，具体地指一种屈服强度160MPa级抗震建筑钢及其生产方法。

背景技术

随着钢结构建筑事业的发展，提高钢结构的抗震性能成为保证建筑安全的必要措施之一。在钢结构建筑耐震设计中，可以通过钢结构塑性变形来吸收地震产生的能量，这就要求建筑用钢材有较低的屈服强度、较好的塑性变形能力和良好的伸长率。

本发明之前，日本NIPPON STEEL CORP申请的专利(JP20060113479)“LOW YIELD POINT STEEL FOR DAMPER ANDITS PRODUCTION METHOD”，公开了一种用于制作抗震消能阻尼器低屈服点钢，屈服强度为150～250MPa，其化学成分的重量百分比为：C：0.001～0.050、Si≤0.80、Mn：0.1～2.0、P≤0.020、S≤0.015、Nb：0.01～0.60且其含量是C含量的8倍、Al≤0.060、N≤0.006，另外根据需要还可以含有Ti/V/B/Ni/Cu/Cr/Mo/Ca/RE中的一种或多种。该专利钢种有效的降低了钢材的屈服强度，能较好适应建筑抗震性能的需要，但是其化学成分较为复杂，合金元素含量高，生产合金化成本偏高。另外，日本KAWASAKI STEEL CO.申请的专利(JP19820200048)“MANUFACTURE OF STEEL SHEET FORWORKING BY CONTINUOUS CASTING AND DIRECT HOTROLLING”，公开了一种具有低屈服强度、高延伸率等优良性能的钢板，其化学成分重量百分比为：C≤0.015、S≤0.030、O≤0.08、RE/Ca/Ti/Mg中的一种或两种以上(元素的重量百分合计含量为0.002～0.040)，余量为铁或其他不可避免的杂质。文中具体给出了添加有Mg的钢板，其化学成分为：C：0.008％、Si：0.20％、Mn：0.31％、P：0.02％、S：0.03％、N：0.0017％、O：0.008％、Al：0.001％、RE：0.020％、Mg：0.010％、B：0.0024％，热轧后屈服强度为140MPa，冷轧后屈服强度为190MPa。该发明的成分、工艺主要针对冷轧薄钢板实施，因而不能满足大型建筑结构的需要，且其Mg元素也仅是以夹杂物变性的目的加入，钢板杂质含量偏高，其耐候性和焊接性能都不高。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种屈服强度160MPa级抗震建筑钢及其生产方法。该钢具有屈服强度低、延伸率高、抗冲击性能优良的特点，并且其生产工艺流程简单、生产成本低。

为实现上述目的，本发明所设计的屈服强度160MPa级抗震建筑钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.002～0.005、Si≤0.03、Mn：0.10～0.50、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、Ti：0.020～0.070、Nb：0.010～0.030、N：0.001～0.003、Al≤0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂。

本发明屈服强度160MPa级抗震建筑钢的生产方法，按通常超纯净钢工艺进行生产，包括铁水脱硫、转炉吹炼、真空处理、连铸、热轧、冷却处理的步骤，其特殊之处在于：

所述真空处理步骤中，添加Mg合金进行合金化处理，使钢中组分满足所述重量百分比的要求；

所述热轧步骤中，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在850～890℃。

进一步地，所述冷却处理步骤之后还设有退火处理步骤，退火温度控制在780～830℃，保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm，退火完毕后再重复冷却处理的步骤。

更进一步地，所述冷却处理步骤中，采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。

以下就本发明屈服强度160MPa级抗震建筑钢的化学成分及其生产方法进行分析说明：

C是钢中提高强度的主要元素之一，对钢的强度、延伸率和冲击韧性影响较大。本发明的抗震建筑钢屈服强度、抗拉强度低，且屈服强度范围窄，其C的重量百分含量控制在0.002～0.005范围。

Si和Mn在钢中具有固溶强化作用，尤其当C含量在较低范围时，二者对强度的影响就较为明显。对于低屈服点钢来说需进一步控制Si、Mn元素含量，本发明的Si的重量百分含量控制在0.03以下，Mn的重量百分含量控制在0.10～0.50。

P和S在本发明的钢中属于有害杂质，为了减少P、S对超低碳钢韧塑性的不良影响，需严格控制钢中的P、S重量百分含量，所以本发明控制在P≤0.010、S≤0.005较低的比例，从而减小P、S对产品性能的不良影响。

Mg与O、S元素有较高的亲和力，本发明加入重量百分含量为0.002～0.007的Mg元素，会明显提高钢板的脱氧和脱硫能力，达到良好的脱硫、脱氧以及控制夹杂物形态和分布的效果，提高钢的纯净度，并降低了夹杂物对组织性能的影响。

Ti和Nb是两种强烈的碳化物和氮化物形成元素，本发明借鉴超低碳钢IF钢化学成分设计原理，在钢中添加适量的Ti、Nb元素，使钢中的C、N原子被固定成碳化物、氮化物，呈现无间隙原子状态。研究表明，在IF钢中加入的Ti≥4C+3.43N时才可以使C、N原子被完全固定，从而有效减少C、N原子对位错运动的钉扎作用。但在钢中不宜添加过量的Ti元素，较多的Ti会使其碳氮化物颗粒粗化从而失去晶界钉扎作用。此外，一定量的Ti、Nb也能起到提高钢种韧性的作用。本发明将Ti、Nb元素重量百分含量控制为Ti：0.020～0.070、Nb：0.010～0.030。

Al能起到传统的脱氧剂作用，本发明中的Al的含量控制在0.050以下的范围对脱氧起到很好的作用。

N是确保TiN所必需的元素，为了确保所需的最低数量的TiN，必须含有重量百分含量0.001％以上的N；但N含量过多时，钢中固溶的N又会导致焊接热影响区韧性恶化。钢中N含量对钢的力学性能也有很大影响，随着N的下降，钢的延伸率和断面收缩率有明显的提高，其与氮会使钢产生时效效应有关。此外，钢中N和夹杂物同时存在是影响钢力学性能的重要因素。本发明将N重量百分含量限定为0.001～0.003。

本发明屈服强度160MPa级抗震建筑钢在化学成分上采用低C、Si、Mn等合金元素的超低碳系钢设计，冶炼过程中通过添加Mg元素，利用其与O、S元素较高的亲和力，达到良好的脱硫、脱氧以及控制夹杂物形态和分布的效果，提高了钢的纯净度，降低了夹杂物对钢种强度、韧性的影响。此外，采用Ti、Nb合金元素复合加入，利用其沉淀析出作用固定钢中游离的C、N元素，提高了钢板的韧性。

本发明的生产方法采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空处理及连铸工艺，按通常超纯净钢工艺进行生产。依据Hall-Petch关系：σ_y＝σ_i+K_yd^-1/2(式中σ_y为铁素体屈服强度，σ_i相当于单晶的屈服强度，K_y是与晶界结构有关的常数，d为铁素体晶粒的平均直径)可知，增大铁素体晶粒尺寸能够使屈服强度降低，而组织中晶粒尺寸的大小受化学成分、轧制工艺、热处理加热温度和保温时间等因素的影响。因此，本发明采用高温快速轧制的工艺来促使钢板晶粒增大，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，钢的开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在850～890℃。最后采用加防护罩冷却或者堆垛冷却等方式缓慢冷却至室温，以促进晶粒进一步长大，所得钢产品的屈服强度在140～180MPa之间的极低范围。如果此时钢产品的屈服强度高于上述设计范围要求的上限时，则可将钢产品进一步采用退火热处理，退火温度控制为780～830℃，保温时间控制为基本的30～40min，再跟据钢板厚度适当延长(钢板厚度每增加1mm，加热时间延长1min)，即保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm能较好地促进铁素体晶粒增大，获得足够低的屈服强度，然后采用加防护罩冷却或者堆垛冷却等方式缓慢冷却至室温。

本发明的抗震建筑钢室温下为单一的铁素体组织，晶粒尺寸大，具有良好的冲击韧性和冷热加工性能以及优良的焊接性能和减震性能，适用于各种钢结构建筑以及其它具备减震性能要求的低合金钢结构及装置。同时，本发明的生产方法工艺简单，合金化成本低，并且利用本发明方法生产的钢产品屈服强度范围控制在40Mpa的较窄区域，较好地保障了生产的钢产品具有稳定的性能。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的屈服强度160MPa级抗震建筑钢及其生产方法作进一步的详细描述。

表1列出了本发明实施例1～5的抗震建筑钢化学成分重量百分含量(余量为Fe及不可避免在杂质)，以及市售普通建筑钢的成分重量百分含量(余量为Fe及不可避免在杂质)。

表1：

成分	C	Si	Mn	P	S	Mg	Nb	Ti	Al	其他
											实施例1	0.002	0.009	0.10	0.009	0.002	0.002	0.030	0.020		N：0.001
实施例2	0.003	0.022	0.22	0.010	0.003	0.004	0.022	0.050	0.030	N：0.002
											实施例3	0.005	0.030	0.50	0.009	0.003	0.007	0.010	0.070	0.050	N：0.003
实施例4	0.004	0.015	0.30	0.006	0.005	0.005	0.010	0.040	0.020	N：0.001
											实施例5	0.002	0.025	0.25	0.008	0.003	0.005	0.020	0.035	0.025	N：0.003
对比钢1	0.009	0.200	0.35	0.013	0.010	-	-	0.040
											对比钢2	0.003	0.020	0.25	0.016	0.007	-	-	-
对比钢3	0.006	0.500	1.00	0.016	0.006	-	-	0.013		Cu：0.18Ni：0.13V：0.02
											对比钢4	0.045	0.340	1.40	0.014	0.010	-	0.36	-		Cr：0.14Mo：0.13

对上述实施例1～5中的钢材按通常超纯净钢工艺进行生产，通过铁水脱硫、转炉顶底吹炼、真空处理时添加Mg合金进行合金化、连铸、热轧、冷却至室温。在热轧时，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，钢的开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在850～890℃；对实施例1～5钢轧制钢板的规格依次为18mm、20mm、35mm、30mm、20mm。最后，采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。对其中屈服强度高于180MPa的钢产品，再采用退火处理，退火温度控制在780～830℃，保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm，再重复采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。

对表1所述实施例1～5的抗震建筑钢产品和对比钢1～4进行屈服强度、冲击韧性、延伸率等力学性能以及夹杂物级别采用国标方法进行测试，测试结果见表2。

表2：

	屈服强度(MPa)	冲击韧性(20℃，A_KV，J)	延伸率(％)	晶粒度	夹杂物级别
						实施例1	150	275	50	5级	B1.5
实施例2	165	285	49	4.5级	B2
						实施例3	140	280	52	4级	B1
实施例4	160	278	55	4.5级	B1.5
						实施例5	180	286	48	5级	B2
对比钢1	185	100	41	5级	A2、B3
						对比钢2	190	70	42	5级	A2、B2
对比钢3	195	85	45	4.5级	A2、B3
						对比钢4	235	81	43	5级	A2、B2

通过表2的数据可以看出，本发明抗震建筑钢产品的屈服强度极低在140～180MPa之间的极低范围，其冲击韧性比普通钢更优异，延伸率表现极好均超过45％，并且本发明抗震建筑钢夹杂物主要为氧化物，夹杂物级别低，钢质纯净，晶粒度集中在4.5级左右，晶粒尺寸容易控制。试验表明，本发明的钢板具有良好的抗震性能、焊接性能及冷热加工性能。

本发明抗震建筑钢可进行手弧焊、埋弧焊或气体保护焊等方法的焊接，用于建造各种钢结构建筑、塔架以及其它具备减震性能要求的低合金钢结构及装置，可在地震时首先屈服，有效地吸收地震波，有效降低地震或其他剧烈振动带来的损坏作用，避免结构主体的破坏。

Claims

1.一种屈服强度160MPa级抗震建筑钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.002～0.005、Si≤0.03、Mn：0.22～0.50、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、Ti：0.035～0.070、Nb：0.010～0.030、N：0.001～0.003、Al：0.020～0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂；

其生产方法包括铁水脱硫、转炉吹炼、真空处理、连铸、热轧、冷却处理的步骤，其特征在于：

所述热轧步骤中，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在850～890℃；

所述冷却处理步骤之后还设有退火处理步骤，退火温度控制在780～830℃，保温时间控制在(30～40)min+板厚mm×1min/mm，退火完毕后再重复冷却处理的步骤。

2.根据权利要求1所述的屈服强度160MPa级抗震建筑钢的生产方法，其特征在于：所述冷却处理步骤中，采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。