CN101845589A - 一种极低屈服点钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种极低屈服点钢板及其制造方法，采用极低C-超低Si-低Mn-高Als-低N-Ti微合金化-微量B处理的成分体系，适当提高酸溶Als的含量、Ti微合金化、控制Ti/N≥10.0、Als/N≥12.0、Ti/C≥13.0等成分设计技术手段，优化控轧工艺；使成品钢板的显微组织为单相铁素体，铁素体晶粒尺寸均匀，平均晶粒尺寸在50～100μm之间；消除钢中固溶的C、N间隙原子，AlN、Ti(C，N)粒子粗大且均匀分布；获得极低屈服强度(YP＝140～180MPa)、优良的室温塑性形变能力(均匀延伸率达到50％以上)和冲击韧性、抗低周疲劳性能及低加工硬化率，特别适用于做大型钢结构的抗震阻尼器。

Description

一种极低屈服点钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及结构钢板及其制造方法，特别涉及一种极低屈服点钢板及其制造方法，其屈服强度140～180MPa、延伸率δ₅≥50％，具有优良抗低周疲劳性能和焊接性。

背景技术

众所周知，碳素结构钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于造船、桥梁结构、压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。碳素结构钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性、延伸率和焊接性是碳素结构钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织和钢板化学成分。

随着钢结构大型化、超高度化及结构设计复杂化，对钢结构整体抗震性能提出了更高的要求，单从降低钢结构主承梁钢板的屈强比(YR≤0.80)已不能满足大型钢结构抵抗里氏7.5级及以上的强烈地震，因此在钢结构主承梁之间使用抗震阻尼器势在必行，通过抗震阻尼器优良的室温塑性形变能力，吸收大部分地震波能量，确保钢结构主承梁在强烈地震状态下不至于坍塌，最大程度减少强烈地震带来的人员财产的损失。

日本作为多地震国家，最早开发低屈服点软钢，这种低屈服点软钢特点是屈服强度低、延伸率高，在地震过程中通过先期反复塑性形变吸收地震波能量，避免主要钢结构构件遭受破坏；新日铁、JFE、住友金属等均开发出具有各自特色的低屈服点软钢。屈服点在245MPa以下的低屈服点软钢，一般采用Si-Mn成分体系；屈服点在130MPa以下的极低屈服点软钢，一般采用纯铁成分体系；铁素体晶粒粗大均匀并且采用Ti、Nb等微合金化技术固定间隙原子N，消除应变时效和不连续屈服方式【制铁研究(日文)，1989，No.334，P17；JSSC，1992，No.6，P15；日本建筑学会大会学术讲演梗概集(北海道)，1995年8月，P399；新日铁技报，1995，No.356，P22；CAMP-ISIJ，1992，No.5，P558；日本建筑学会构造系论文集，1995，No.473，P159；日本建筑学会构造系论文集，1995，No.472，P139】。

发明内容

本发明的目的是提供一种极低屈服点钢板及其制造方法，通过钢板主合金元素、微合金元素的组合设计与控轧工艺相结合，在获得钢板具有极低屈服点、优良冲击韧性、优良室温形变能力的同时，钢板还具有优良的焊接工艺性，能够承受大线能量焊接，焊接接头具有低屈服点和室温形变能力，并且成功地解决了碳素结构钢不连续屈服和抗低周疲劳性能低下的问题。

针对上述要求，本发明采用极低C-超低Si-低Mn-高Als-低N-Ti微合金化-微量B处理的成分体系，适当提高酸溶Als的含量、Ti微合金化、控制Ti/N≥10.0、Als/N≥12.0、Ti/C≥13.0等成分设计技术手段，优化控轧工艺；使成品钢板的显微组织为单相铁素体，铁素体晶粒尺寸均匀，平均晶粒尺寸在50～100μm之间；消除钢中固溶的C、N间隙原子，AlN、Ti(C，N)粒子粗大且均匀分布；获得极低屈服强度(YP＝140～180MPa)、优良的室温塑性形变能力(均匀延伸率达到50％以上)和冲击韧性、抗低周疲劳性能及低加工硬化率，特别适用于做大型钢结构的抗震阻尼器。

具体地，本发明的一种极低屈服点钢板，其成分重量百分比为：

C：≤0.005％

Si：0.03％～0.10％

Mn：0.20％～0.60％

P≤0.010％

S≤0.005％

Als：0.035％～0.055％

Ti：0.035％～0.065％

N≤0.0040％

B：3～7ppm

其余为铁和不可避免的夹杂；

上述元素含量必须同时满足如下关系：

Ti/N≥10.0

Als/N≥12.0

Ti/C≥13.0。

在本发明中，为了保证钢板显微组织为单相铁素体，钢中C含量必须低于碳在铁素体中的最大固溶度0.020％；考虑到凝固过程中C偏析、极低屈服强度、连续屈服等要求，钢中C含量上限控制在0.005％以下。

为确保钢板屈服强度在140～180MPa之间和低应变硬化率，钢中Mn含量上限控制在0.60％以下，考虑到炼钢精炼、物流时间和成本因素，钢中Mn含量下限控制在0.20％以上。

钢中Si元素提高钢板的屈服强度、应变硬化率，降低钢板的拉伸延伸率，因此钢中Si含量必须0.1％以下；考虑到炼钢精炼、物流时间和成本因素，钢中Si含量下限控制在0.03％以上。

P作为钢中有害夹杂对钢的力学性能损害很大，尤其对无间隙原子的极低屈服点宽厚钢板，P会造成严重的晶界脆化，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，P含量需要控制在≤0.010％。

S在钢中形成有害的硫化物夹杂物，对钢板的拉伸延伸率损害很大，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，S含量需要控制在≤0.005％。

钢中添加微量的Ti目的是与钢中N结合，不仅要生成稳定性很高的TiN粒子，消除钢中固溶的N原子，而且生成的TiN粒子粗大且均匀分布在钢中，减少TiN对钢板屈服强度的影响；因此Ti含量控制在0.035％～0.065％之间。

钢中固溶N原子不仅能够极大地提高钢板的屈服强度、应变硬化率并造成不连续屈服现象，而且能够大幅度地降低钢板室温形变能力；为了确保钢中无间隙原子，N含量越低越好，但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，N含量控制在≤0.0040％。

钢中的Als不仅要与钢中N结合，消除钢中的固溶N，而且形成的AlN粒子要粗大均匀并均匀分布在钢中；因此Als下限不得低于0.035％；但是钢中加入过量的Als不但会造成浇铸困难，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，损害钢板内质健全、室温形变能力及抗疲劳破坏能力，因此Als上限控制在0.055％。

固溶间隙原子C、N具有强化晶界之作用，当钢中不存在固溶间隙原子C、N时，会造成严重的晶界弱化而大幅度地劣化钢板的塑韧性；固溶B与固溶C、N一样具有强化晶界之作用，因此本发明钢采用微量固溶B原子来强化晶界，改善钢板的塑韧性；当钢中固溶B含量超过3ppm时，产生显著的晶界强化；而当钢中固溶B含量超过7ppm时，不仅导致钢板屈服强度、抗拉强度大幅度波动，而且造成钢板的脆化；通过上述分析，钢中添加3～7ppm，以改善钢板的塑韧性。

本发明极低屈服点钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、连铸，连铸工艺重点控制中间包浇铸温度，中间包浇注温度控制在1545～1575℃；

2)钢板加热温度1050℃～1130℃，板坯出炉后采用高压水除鳞；

3)轧制

第一阶段为普通轧制，轧制累计压下率≥50％，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段为控制轧制，开轧温度870～930℃，轧制道次压下率≥8％，终轧温度860～900℃，轧制累计压下率≥67％；

4)轧制后成品钢板厚度≥50mm，钢板堆垛缓冷至室温，堆缓冷工艺为钢板表面温度≥300℃保温24小时以上；轧制后成品钢板厚度＜50mm，钢板自然空冷至室温。

本发明轧制分2个阶段，第一阶段为普通轧制，以轧机最大能力(轧制力和轧制扭矩)，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，第一阶段普通轧制累计压下率≥50％。

第二阶段为控制轧制，开轧温度870～930℃之间，轧制道次压下率≥8％，终轧温度860～900℃之间，控制轧制累计压下率≥67％；

基于上述的成分体系特点及超低C、低Mn含量，导致γ(奥氏体)→α(铁素体)的相变温度较高，为保证组织均匀，防止混晶出现，采用上述控轧工艺，使成品钢板获得优良的强韧性、强塑性匹配。

轧制后成品钢板厚度≥50mm，钢板堆垛缓冷至室温，堆缓冷工艺为钢板表面温度≥300℃保温24小时以上；轧制后成品钢板厚度＜50mm，钢板自然空冷至室温。

本发明的有益效果

本发明采用极低C-超低Si-低Mn-高Als-低N-Ti微合金化-微量B处理的成分体系，适当提高酸溶Als的含量、Ti微合金化、控制Ti/N≥10.0、Als/N≥12.0、Ti/C≥13.0等成分设计技术手段，优化控轧工艺；使成品钢板的显微组织为单相铁素体，铁素体晶粒尺寸均匀，平均晶粒尺寸在50～100μm之间；消除钢中固溶的C、N间隙原子，AlN、Ti(C，N)粒子粗大且均匀分布；获得极低屈服强度(YP＝140～180Mpa)、优良的室温塑性形变能力(均匀延伸率达到50％以上)和冲击韧性、抗低周疲劳性能及低加工硬化率，特别适用于做大型钢结构的抗震阻尼器。

本发明极低屈服点钢板可经受较大线能量焊接，因而节约了用户构件制造的成本，缩短了用户构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明实施例化学成分参见表1，制造工艺参见表2，性能参见表3。

实施例1，

制造工艺：TDS铁水深度脱硫→转炉冶炼→RH(真空精炼)→连铸→板坯下线精整→板坯定尺火切→加热→控制轧制(CR)→钢板堆缓冷→AUT/MUT(自动/手动探伤检测)→钢板切边、切头尾→取样与性能验测→切定尺钢板→表面质量和外观尺寸、标识及检测→出厂。

本发明通过简单的合金元素的组合设计与特殊的控轧工艺相结合，钢板即可获得优异的综合力学性能，不仅成功地研制出综合性能优异的极低屈服点钢板，而且掌握了极低屈服点钢板制造关键核心技术，为更低屈服点钢板(如YP≤135MPa)研制奠定了基础；它的成功研制必将为提高我国钢结构安全性与抗震性做出贡献，带动我国钢结构设计理念发展，拓展我国钢结构用钢品种；并可以出口日本、欧美等对钢结构抗震性能要求严格的发达国家，因而具有广阔的市场前景。

采用本发明技术生产YP160钢板，无需要添加任何设备，制造工艺简单、生产过程控制容易，因此制造成本低廉，具有很高性价比和市场竞争力。

Claims (2)

1.一种极低屈服点钢板，其成分重量百分比为：

C：≤0.005％

Si：0.03～0.10％

Mn：0.20％～0.60％

P≤0.010％

S≤0.005％

Als：0.035％～0.055％

Ti：0.035％～0.065％

N≤0.0040％

B：3～7ppm

其余为铁和不可避免的夹杂；

上述元素含量必须同时满足如下关系：

Ti/N≥10.0

Als/N≥12.0

Ti/C≥13.0。

2.如权利要求1所述的极低屈服点钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、连铸，中间包浇注温度控制在1545℃～1575℃；

2)钢板加热温度1050℃～1130℃，板坯出炉后采用高压水除鳞；

3)轧制

第一阶段为普通轧制，轧制累计压下率≥50％，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段为控制轧制，开轧温度870～930℃，轧制道次压下率≥8％，终轧温度860～900℃，轧制累计压下率≥67％；

4)轧制后成品钢板厚度≥50mm，钢板堆垛缓冷至室温，堆缓冷工艺为钢板表面温度≥300℃保温24小时以上；轧制后成品钢板厚度＜50mm，钢板自然空冷至室温。