CN101994058A

CN101994058A - 抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN101994058A
Application number: CN 201010582378
Authority: CN
Inventors: 童明伟; 郭斌; 卜勇; 王世森; 张开广; 张俊峰; 梅荣利; 董汉雄; 习天辉; 董中波
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: CN101994058B

Abstract

本发明涉及抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢及生产方法。其适用于钢板厚度为20～100毫米，其主要化学组分有C、Si、Mn、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb、Ti、Als，余为Fe；其方法：铁水预处理；进行脱硫处理；冶炼终点目标成分控制：[C]：0.05～0.07％；[P]≤0.015％；进行钢包炉精炼处理，并加喂铝线及吹氩；进行RH真空处理，并在处理前接通氩气；加入SiCa线；连铸并采用全流程保护浇注；将铸坯加热；粗轧；精轧；冷却。本发明钢具备优良的抗震性能(R_eH/R_m≤0.77)；全厚度方向断面收缩率为40～70％，完全满足钢结构工程等重大建筑关键受力点的要求。

Description

抗层状撕裂性能优良的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其生产方法，具体属于抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢及其生产方法。

背景技术

汶川大地震引发了行业对建筑用钢抗震性能的思考，从实际来看，如今国内高层建筑建设不断增多，为确保建筑的安全，中国应完善国内建筑用钢系列，提高高强度用钢的生产比重。除了确保钢板的抗震性能外，建筑用钢板的厚度方向性能也是该类钢材的主要必检项目，特别是随着超高层、超大跨度建筑结构的发展，在梁柱节点处使用的钢板必须具有优良的抗层状撕裂性能，即钢板全厚度方向断面收缩率必须达到Z25、Z35的高要求。因此，从上述角度来看，建筑用钢的发展方向主要体现在以下几个方面：(1)高强度，(2)抗层状撕裂，(3)改善焊接性，(4)抗震(低屈强比)，也就是说钢板必须具有同时具有高强度和优良的抗层状撕裂性能、抗震性能以及焊接性能等特点。

进入21世纪后，随着国内经济的快速增长，钢结构行业得到迅猛发展，逐渐成为了国内外钢铁行业看好的一个巨大市场。我国2015年在建筑钢材方面的目标之一就是可以供应耐火钢、抗震钢，并争取使我国建筑用钢早日达到国际水平。

在本发明以前，在国内有关建筑方面的结构用高强钢多有报道，也申请了专利。如中国专利号为200910061109.5的专利文献，其公开的钢种化学成分及重量百分比为：C 0.16、Si0.10～0.50、Mn 1.50、P≤0.015、S≤0.010、Cu 0.15～0.60、Cr 0.25、Ni 0.10～0.25、V 0.01～0.10、Ti 0.005～0.030及Nb 0.010～0.040、Als 0.010～0.020、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。其存在的不足：加入了较多的贵重合金元素Cu、Cr，增加了生产成本。还有中国专利号为200910063722.0的专利文献，其公开的钢种化学成分及重量百分比为：C：0.05～0.35％，Si：0.01％～0.85％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.15％～0.85％，Ni：0.10％～0.55％，Zr：0.005～0.055％，其余为Fe及不可避免的杂质。其存在的不足：贵重合金元素Cr、Ni含量较高，增加了生产成本。

专利号为200710054569.6的中国专利公开说明了一种大厚度高层建筑结构用高强度钢及其生产方法，该钢化学成分为：C：0.15～0.18％、Si：0.20～0.40％、Mn：1.50～1.62％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni：0.25～0.45％、V：0.075～0.085％、Nb：0.040～0.050％、Al：0.020～0.045％、Cr≤0.30％、Ti≤0.20％，其余为Fe及不可避免的杂质。但该发明钢添加了Ni、Cr合金和较多的Nb、V合金，生产工艺采用了电炉冶炼和扁锭模进行浇注，且钢板必须进行正火热处理工艺，增加了生产成本，产品厚度规格为100～110mm。其化学成分、生产工艺及产品厚度规格与本发明钢不同。

专利号为200410084699.0的中国发明专利公开说明了一种低屈强比易焊接结构钢厚板及其生产方法，其化学成分为：C：0.01～0.10％、Si：1.00～1.50％、Mn：0.80～1.10％、Ni：0.30～3.20％、Ti：0.010～0.150％；钢板终轧结束后须等待30～150s，待钢板温度降至700～750℃后冷却，终轧结束至冷却开始之间的等待时间过长，会严重影响生产节奏，降低生产效率。另钢中添加了较多的贵重金属Ni，增加了生产成本。

专利号为200810104298.5的中国专利公开说明了一种高层建筑用钢板及其生产方法，其化学成分为C：0.12～0.17％、Si：0.30～0.45％、Mn：1.35～1.55％、P≤0.022％、S≤0.010％、Alt：0.020～0.050％、V：0.03～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。但该发明钢生产工艺不进行真空处理，P、S含量较高，厚度30～60mm钢板V含量按0.05～0.10％控制，且钢板的最大厚度仅为60mm。

专利号为200910241507.5的中国专利公开说明了一种低成本建筑结构用钢板及其生产方法，其化学成分为C：0.14～0.17％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.30～1.50％、P≤0.012％、S≤0.005％、Alt：0.020～0.060％，余量为Fe及不可避免的杂质。该发明钢化学成分及生产工艺与本发明钢不同，且仅能生产厚度为90mm以下的Q345级别产品，强度级别较低。

发明内容

本发明的目的在于克服本技术领域目前存在的不足，提供一种钢板具有优良的抗层状撕裂性能和抗震性能，良好的冷热加工性能及优异的低温韧性和焊接性能，同时生产流程较短，生产成本低的抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢及其生产方法。

实现上述目的的技术措施：

抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：钢板厚度为20～40毫米，其化学组分及重量百分比为：为C：0.10～0.14％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.00～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.010～0.025％、Ti：0.005～0.020％、Als：0.010～0.060％，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：碳当量(CE)＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.42％。

其特征在于：还添加有重量百分比为：Ni≤0.30％，RE：0.001～0.02％，Ca：0.001～0.007％中的一种或一种以上。

抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：钢板厚度为＞40～70毫米，其化学组分及重量百分比为：为C：0.145～0.17％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.20～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.02～0.04％、Ti：0.005～0.020％、Als：0.010～0.060％，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：碳当量(CE)＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.44％。

抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：钢板厚度为＞70～100毫米，其化学组分及重量百分比为：为C：0.145～0.17％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.025～0.05％、Ti：0.005～0.020％、Als：0.01～0.06％，V：0.035～0.06％，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：碳当量(CE)＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.44％。

生产抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢的方法，其步骤：

1)铁水预处理：控制脱硫前铁水温度1250～1400℃，S含量控制在不大于0.030％；

2)对铁水进行脱硫处理，处理后的S含量控制在不大于0.0045％；

3)转炉冶炼终点目标成分控制要求：[C]：0.05～0.07％；[P]≤0.015％。

4)进行钢包炉精炼处理，处理时间为10～20分钟，并对钢水进行常规加喂铝线，喂丝速度控制在4～6m/s；喂铝线结束后进行4～10分钟的吹氩，流量为50～60m³/min；

5)进行RH真空处理，真空处理前接通氩气，RH真空处理时间为12～20分钟；

6)加入SiCa线，对钢水进行夹杂物变性处理，SiCa线加入速度控制在4～6m/s；

7)进行连铸并采用全流程保护浇注，中包温度控制在1530～1550℃，过热度控制在20～30℃；

8)对铸坯加热，加热温度控制在1000～1320℃，均热温度为1200～1260℃；

9)进行粗轧，控制其终轧温度在1000～1050℃，道次压下率在20～30％；

10)进行精轧，轧制工艺根据钢板厚度不同而采取不同的精轧工艺参数：钢板厚度为20～40mm，则开轧温度控制在900～940℃，终轧温度控制在860～900℃；钢板厚度为＞40～70mm，则开轧温度控制为880～920℃，终轧温度控制为840～880℃；钢板厚度为＞70～100mm，开轧温度840～880℃，终轧温度控制在800～860℃，最后3道次的累计压下率控制为30～55％，此阶段轧制前坯料厚度按成品厚度的1.5～4.0倍控制；

其特征在于：压缩比至少为3.0。

以下详述本发明中化学成分限定量的理由：

本发明的C含量选择在0.10～0.17％，C是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，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。随着碳含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服极限会提高，而塑性和韧性指标会下降，焊接性能变差。在焊接C含量较高的钢材时，在焊接热影响区还会出现淬硬现象，这将加剧焊接时产生冷裂纹的倾向。所以规定C的上限为0.17％，在此范围内，既提高钢的强度又适合生产操作，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0.20～0.50％，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，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1.00～1.60％，在确保钢的强度和韧性方面，Mn是不可缺少的元素。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，在低碳高强度钢中，普遍提高Mn的含量，最高可达2％。

本发明的P≤0.015％、S≤0.005％，这是由于钢中的P、S含量必须控制在较低的范围，只有冶炼纯净钢，才能保证本发明钢的综合性能(尤其是抗层状撕裂性能)。

本发明的Nb含量选择在0.01～0.05％，Nb是强碳化物形成元素，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0.01％的Nb也能表现出其效果。在控轧微合金钢中，Nb元素细化晶粒尺寸的效果和延缓奥氏体再结晶的能力是最突出的，微量Nb对奥氏体再结晶有强烈的抑制作用，使含Nb钢可以在较高的温度下进行控制轧制。

本发明的Als含量选择在0.01～0.06％，Al是钢中的主要脱氧元素，也是细化晶粒元素。当钢中Al含量过高时，容易引起钢中夹杂增多，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性。

本发明中还含有V：0.035～0.060％、Ni≤0.30％、RE：0.0010～0.020％或Ca：0.001～0.007％中的一种或一种以上：

V含量限制：V是一种相当强烈的碳化物形成元素，它通过细化晶粒与碳化物的形成提高钢材的强度，当含Nb钢中加入适量V时，可明显改善横向裂纹现象的发生。但随着钢中V含量的增加，控轧态钢的冲击韧性变差。有研究表明，V的主要作用是产生固溶强化、细晶强化和析出强化，但在铌、钒、钛复合微合金钢中，当V含量低于0.035％时，V的固溶强化、细晶强化和析出强化作用都很小。因此，需对钢中V含量进行限制0.035～0.060％。

Ti含量选择在0.005～0.020％，适量的Ti能提高焊缝金属的韧性，但过量的Ti又会使之降低。在低合金高强钢中从提高焊缝金属的韧性考虑，加入量不超过0.02％的Ti较为合适。利用Ti形成的第二相质点TiN、Ti(CN)等阻止大线能量焊接过程中热影响区中粗晶区的晶粒长大，使晶粒细化，提高钢的低温韧性。

本发明适量添加Ni，并将含量控制在0.30％以下。Ni具有一定的强化作用，加入1％的Ni可提高钢材强度约20MPa。Ni还能显著地改善钢材的韧性，特别是低温韧性。钢中加入Ni，无论是基材，还是模拟焊接热影响区都明显地提高了低温韧性。但含量过高时，除增加生产成本外，还造成钢板氧化铁皮难以脱落，故上限控制在0.30％。

本发明的RE含量选择在0.001～0.02％。RE的主要作用是为使钢中的硫化物夹杂球化，以改善纵横向性能差异，提高钢的抗层状撕裂性能。

本发明的Ca含量选择在0.001～0.006％。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0.001％时，效果不明显；而如果超过0.006％，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能产生不利的影响。

本发明钢具有如下优点：

1.本发明钢碳当量要求不大于0.44％，钢板具有优良的焊接性能，制作过程中可大大简化焊接生产工艺，提高焊接效率；

2.本发明钢具备优良的抗震性能(R_eH/R_m≤0.77)；

3.本发明钢全厚度方向断面收缩率为40～70％，钢板具有优良的抗层状撕裂性能，完全满足钢结构工程等重大建筑关键受力点的技术要求。

具体实施方式

下面对本发明做进一步描述：

表1为本发明实施例及对比例各化学元素的取值列表；

表2为本发明实施例及对比例工艺参数的取值列表；

表3为本发明实施例的力学性能试验结果。

本实施方式的具体方法是：按照本发明钢化学成分及生产工艺要求，冶炼并轧制了九批本发明的钢，分别为发明钢1～发明钢12，轧制钢板厚度分别为20mm、20mm、30mm、40mm、45mm、45mm、60mm、70mm、75mm、75mm、85mm、100mm。

为了更好的反映出本发明钢的各种性能优点，本实施方式中提供了3组比较钢，轧制厚度分别为30mm、60mm和85mm。本发明钢与比较钢的化学成分见表1，各种力学性能实验结果见表2。

表1各实施例及对比例各化学元素的取值

表2本发明实施例及对比例工艺参数的取值列表

表3本发明实施例的力学性能试验结果

经对本发明钢板进行常温拉伸性能、Z向拉伸性能、-20℃钢板纵向冲击韧性试验，并与比较钢进行了对比，其结果：在常温下，拉伸性能与对比钢处于同一水平，但具有优异的低温韧性，-20℃温度下的冲击功均在200J以上，远远高于对比钢种；钢板全厚度方向断面收缩率(Zz)是比较钢的2倍以上，这说明具有优良的抗层状撕裂能力；屈强比(R_eH/R_m)均小于0.77，而比较钢则大于0.80，由于本发明钢采用上屈服强度值，而比较钢采用下屈服强度值，因此，本发明钢具有更优的抗震性能；钢板探伤I级合格，总之，本发明钢具有更优异的综合机械性能。

本发明钢以控轧状态交货，不需经过复杂的热处理工序，钢材制造工序简单，生产成本低，生产周期短，在各冶金企业均可实施。本发明钢用途广泛，可应用于各类高层、超高层、厂矿、塔架、大跨度以及轻钢轻板等钢结构工程建筑。

上述是对于本发明最佳实施例成分组合、工艺步骤的详细描述，本发明技术领域的研究人员可以根据上述的步骤作形式和内容方面非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具体的实施实例。

Claims

1.抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：钢板厚度为20～40毫米，其化学组分及重量百分比为：为C：0.10～0.14％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.00～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.010～0.025％、Ti：0.005～0.020％、Als：0.010～0.060％，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：碳当量＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.42％。

2.如权利要求1所述的抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：还添加有重量百分比为：Ni≤0.30％，RE：0.001～0.02％，Ca：0.001～0.007％中的一种或一种以上。

3.抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：钢板厚度为＞40～70毫米，其化学组分及重量百分比为：为C：0.145～0.17％、Si：0.20～0.50％、Mn：1.20～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.02～0.04％、Ti：0.005～0.020％、Als：0.010～0.060％，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：碳当量＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.44％。

4.如权利要求3所述的抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：还添加有重量百分比为：Ni≤0.30％，RE：0.001～0.02％，Ca：0.001～0.007％中的一种或一种以上。

5.抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：钢板厚度为＞70～100毫米，其化学组分及重量百分比为：为C：0.145～0.17％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.40～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.025～0.05％、Ti：0.005～0.020％、Als：0.01～0.06％，V：0.035～0.06％，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：碳当量＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.44％。

6.如权利要求5所述的抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢，其特征在于：还添加有重量百分比为：Ni≤0.30％，RE：0.001～0.02％，Ca：0.001～0.007％中的一种或一种以上。

7.生产权利要求1或3或5所述的抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢的方法，其步骤：

7)进行连铸并采用全流程保护浇注，中包温度控制在1530～1550℃，过热度控制在20～30℃：

10)进行精轧，轧制工艺根据钢板厚度不同而采取不同的精轧工艺参数：钢板厚度为20～40mm，则开轧温度控制在900～940℃，终轧温度控制在860～890℃；钢板厚度为＞40～70mm，则开轧温度控制为880～920℃，终轧温度控制为840～880℃；钢板厚度为＞70～100mm，开轧温度840～880℃，终轧温度控制在800～860℃，最后3道次的累计压下率控制为30～55％，此阶段轧制前坯料厚度按成品厚度的1.5～4.0倍控制；

11)进行冷却：钢板厚度为20～40mm，钢板返红温度控制范围为700～800℃；钢板厚度＞40～70mm钢板返红温度控制范围为650～750℃；钢板厚度＞70～100mm钢板返红温度控制范围为600～700℃。

8.如权利要求7所述的抗层状撕裂性能优良的抗震建筑用钢的生产方法，其特征在于：压缩比至少为3.0。