CN101775542A - 屈服强度100MPa级抗震建筑钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种屈服强度100MPa级抗震建筑钢及其生产方法。该钢的化学成分按重量百分数计为：C≤0.002、Si≤0.01、Mn≤0.10、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、Ti：0.020～0.070、Nb：0.010～0.020、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。在钢产品屈服强度超出120MPa时，所述冷却步骤之后还设有退火处理步骤。实验证明，本发明屈服强度100MPa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流程简单、生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及建筑用钢，具体地指一种屈服强度100MPa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，尤其是高层、超高层钢结构建筑的迅速增加，使得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，可以通过钢结构的塑性变形吸收地震产生的能量，这就要求钢材有较好的塑性变形能力以及较低的屈服强度和良好的伸长率。国内外建筑界已开始考虑将建筑用钢抗震性能纳入建筑规范。
在本发明以前，国内外已公开的关于低屈服强度钢的专利报道较少。在2008年第37卷第6期《热加工工艺》中，《低屈服点钢的发展及应用》一文介绍了目前低屈服点钢发展及应用概况。在2008年第37卷第22期《热加工工艺》中，《抗震用极低屈服点钢组织和性能研究》一文介绍了宝钢实验室研制的屈服强度100MPa级的极低屈服点钢的组织及性能。该钢采用500kg真空炉冶炼，化学成分的重量百分比为：C≤0.01、Si≤0.02、Mn：0.05～0.10、P≤0.010、S≤0.006、Al：0.01～0.05、N≤0.005、Ti≤0.10，钢板轧后采用700℃模拟卷取处理。但是由于该钢的C含量偏高，造成钢产品的韧性和焊接性能不好，同时该钢的Si、S、N等杂质含量偏高，对钢的强度和韧性以及耐候性能都产生影响。
在日本KOBE STEEL LTD申请的专利(JP19950283309)“LOWYIELD POINT THICK STEEL PLATE”中，公开了一种低屈服点厚钢板，其化学成分的重量百分比为：C：0.001～0.030、Si：0.01～0.50、Mn：0.10～1.00、Al：0.02～0.05，另外还可以含有Cu/Ni/Cr/Mo/V/Nb/Ti中的一种、两种或以上，以及0.001～0.005的Ca，余量为Fe及不可避免的杂质。该钢屈服强度低于150MPa，且对钢板晶粒直径和碳当量(Ceq)之间的关系做了严格限定。但是，该钢是通过加入大量合金元素来调节钢材的性能，其化学成分复杂，生产合金化成本高。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种屈服强度100MPa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100MPa级抗震建筑钢，其化学成分按重量百分数计为：C≤0.002、Si≤0.01、Mn≤0.10、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、Ti：0.020～0.070、Nb：0.010～0.020、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100MPa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830～880℃，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100MPa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为不高于0.002。
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。对于低屈服强度钢来说需进一步控制Si、Mn元素含量，本发明的Si、Mn的重量百分含量分别控制在0.01、0.10以下。
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含量，所以本发明控制在P≤0.010、S≤0.005较低的比例，从而减轻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。
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：0.010～0.020。
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，必须含有含有重量百分含量0.001％以上的N；但同时N含量过多，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100MPa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：σy＝σi+Kyd-1/2(式中σy为铁素体屈服强度，σi相当于单晶的屈服强度，Ky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80～120MPa之间的极低范围。如果此时钢产品的屈服强度超出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处理，退火温度控制为830～880℃，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屈服强度100MPa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中抗震建筑钢的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化学成分重量百分含量(余量为Fe及不可避免在杂质)。
表1：
| C | Si | Mn | P | S | Mg | Ti | Nb | Al | 其他 | |
| 实施例1 | 0.001 | 0.007 | 0.08 | 0.009 | 0.002 | 0.002 | 0.020 | 0.020 | N：0.001 | |
| 实施例2 | 0.0015 | 0.009 | 0.09 | 0.010 | 0.004 | 0.003 | 0.050 | 0.016 | 0.020 | N：0.002 |
| 实施例3 | 0.0018 | 0.010 | 0.10 | 0.010 | 0.003 | 0.007 | 0.070 | 0.010 | 0.050 | N：0.003 |
| C | Si | Mn | P | S | Mg | Ti | Nb | Al | 其他 | |
| 实施例4 | 0.0015 | 0.008 | 0.10 | 0.008 | 0.005 | 0.005 | 0.070 | 0.015 | 0.030 | N：0.002 |
| 实施例5 | 0.002 | 0.01 | 0.08 | 0.009 | 0.004 | 0.005 | 0.050 | 0.020 | 0.010 | N：0.003 |
| 对比钢1 | 0.002 | 0.01 | 0.21 | 0.013 | 0.008 | 0.040 | 0.030 | |||
| 对比钢2 | 0.003 | 0.010 | 0.10 | 0.015 | 0.007 | - | 0.040 | |||
| 对比钢3 | 0.004 | 0.500 | 1.00 | 0.016 | 0.006 | - | 0.020 | Cu：0.15Ni：0.13V：0.02 | ||
| 对比钢4 | 0.002 | 0.110 | 0.12 | 0.014 | 0.009 | - | 0.020 | Cr：0.14Mo：0.12 |
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中轧制钢板的规格依次为16mm、20mm、30mm、25mm、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120MPa的钢产品，再采用退火处理，退火温度控制在830～880，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℃，AKV，J) | 延伸率(％) | 晶粒度 | 夹杂物级别 | |
| 实施例1 | 112 | 236 | 55 | 4级 | B1.5 |
| 实施例2 | 120 | 256 | 61 | 4.5级 | B2 |
| 实施例3 | 86 | 200 | 59 | 3.5级 | B1 |
| 屈服强度(MPa) | 冲击韧性(20℃，AKV，J) | 延伸率(％) | 晶粒度 | 夹杂物级别 | |
| 实施例4 | 100 | 230 | 58 | 4级 | B1 |
| 实施例5 | 80 | 215 | 60 | 3.5级 | B1.5 |
| 对比钢1 | 124 | 89 | 40 | 5级 | A2、B3 |
| 对比钢2 | 146 | 54 | 31 | 5级 | A2、B2 |
| 对比钢3 | 139 | 63 | 39 | 3级 | A1、B3 |
| 对比钢4 | 132 | 71 | 40 | 2.5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在80～120MPa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50％，并且本发明抗震建筑钢的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 (4)
1.一种屈服强度100MPa级抗震建筑钢，其化学成分按重量百分数计为：C≤0.002、Si≤0.01、Mn≤0.10、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、Ti：0.020～0.070、Nb：0.010～0.020、N：0.001～0.003、Al≤0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂。
2.一种权利要求1所述屈服强度100MPa级抗震建筑钢的生产方法，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℃。
3.根据权利要求2所述屈服强度100MPa级抗震建筑钢的生产方法，其特征在于：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830～880℃，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。
4.根据权利要求2或3所述屈服强度100MPa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。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120530 Termination date: 20170309 |