CN102021474A

CN102021474A - 抗震h型钢及其生产方法

Info

Publication number: CN102021474A
Application number: CN 201010511129
Authority: CN
Inventors: 吴结才; 盛光敏; 龚庆华; 吴保桥
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明公开了一种抗震H型钢，其化学成分重量百分比为：C 0.16～0.20％、Si 0.4～0.5％、Mn 1.3～1.5％、V 0.06～0.08％、Nb 0.02～0.04％、P：≤0.025、S：≤0.015、[N]≤100ppm、[O]：≤100ppm，其余为Fe和杂质元素。抗震H型钢的生产方法，包括加热、轧制、冷却工序，其特征在于，加热温度为：1210℃～1250℃；轧制工艺为：未再结晶区控轧温度≤950℃，道次累积变形量50％～70％，终轧温度控制在820℃～880℃；轧后在冷床上空冷至室温。

Description

抗震H型钢及其生产方法

技术领域

本发明属于低合金钢领域，尤其涉及一种高抗震性能热轧H型钢用钢及其生产方法

背景技术

近年来，随着城市建设的高速发展，高层、超高层以及大跨度钢结构建筑是一种发展趋势，这样对建筑用钢有了更高的性能要求，除了提高钢材的强度级别外，也提出了一些特殊的要求如抗震性能。高层建筑用钢主要是以钢板和型钢为主，其中热轧H型钢在高层建筑用钢中所占的比例很大。同时，以热轧H型钢为主的钢结构，其结构科学合理，力学性能优越，结构稳定性高，设计灵活等优点，已被广泛应用在大型工业厂房和城市高层建筑领域。目前，普通的Q235、Q345级热轧H型钢已经不能满足钢结构建筑的发展需求，为此有必要开发具有高强度高抗震性的建筑用H型钢。

如今关于抗震钢的研究主要是调整钢中的化学成分，在钢中加入钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)、(铝Al)等一种或多种低合金元素，再结合控制轧制技术，细化奥氏体晶粒，从而得到比较细小的铁素体晶粒，同时，通过控制轧制工艺参数，让合金元素的第二相粒子更加均匀、细小、弥散的析出，从而进一步提高钢的抗震性能。

阪神地震后，日本国内几家大型钢铁公司开发了一系列用于高层建筑的、抗震性能优良的结构钢。川崎制铁开发的具有高韧性的厚壁H型钢，钢的化学成分为(wt％)：C：0.05～0.18、Si：0.60、Mn：1.0～1.8、P：0.020、S≤0.004、Al：0.016～0.05、V：0.04～0.15、N：0.0070～0.0200、Cu：0.02～0.60、Ni：0.02～0.60、Cr：0.02～0.50、Mo：0.01～0.20。为了细化组织，用控制轧制技术，在1100～1150℃范围，凸缘每道次断面缩减5％～10％，总缩减至20％，使其再结晶细化。轧后以0.2～2.0℃/s的速度冷至700～750℃。新日铁开发的用于超高层、大跨距、抗震性能优良的高强度、高韧性的型钢，钢中含有0.04％～0.18％，含合金元素V、N、Al、Mo、Nb、Ni、Cu中的2～7种。轧制时，凸缘部在900℃以下全压下量22％～33％，凸缘部终轧温度780～840℃。NIPPON钢铁公司发明了一种在低温下具有优良的可焊性和韧性、低屈服比的抗震建筑用结构钢。钢中含0.03％～0.15C、Si≤0.40％、1.0％～1.20％Mn、加Nb、Ti、Al微合金化，还有少量的Cr、Ni、Mo、Cu。在奥氏体未再结晶的温度范围变形≥30％，终轧温度≥720℃，在≥680℃以上控制冷却。以上抗震钢均含有Cr、Ni、Mo、Cu等贵重合金元素，生产成本较高，同时添加大量的合金元素，会降低钢的焊接性能和韧性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种抗震H型钢及其生产方法，该抗震H型钢不含Cr、Ni、Mo、Cu等贵重合金元素，即可降低成本，又可使其抗震性能优良。

为解决上述技术问题，本发明提供一种抗震H型钢，其化学成分重量百分比为：C0.16～0.20％、Si 0.4～0.5％、Mn 1.3～1.5％、V 0.06～0.08％、Nb 0.02～0.04％、P：≤0.025、S：≤0.015、[N]≤100ppm、[O]：≤100ppm，其余为Fe和杂质元素。

本发明还提供抗震H型钢的生产方法，包括加热、轧制、冷却工序，其特征在于，加热温度为：1210℃～1250℃；轧制工艺为：奥氏体未再结晶区控轧，道次累积变形量50％～70％，终轧温度控制在820℃～880℃；轧后在冷床上空冷至室温。

下面具体说明本发明技术方案的内容：

建筑结构钢的五项抗震性能指标为：(1)强度与塑性的配合；(2)应变时效敏感性；(3)韧脆转变温度；(4)可焊性；(5)高应变低周疲劳性能。此五项指标科学合理，不仅包括了国内外建筑用钢主要抗震性能指标：屈强比、塑性和韧性、碳当量，而且还提出了时效应变敏感性、韧脆转变温度、高应变低周疲劳性能等新的综合抗震性能指标。相关抗震性能性能指标为：强度与塑性的配合：屈强比R_eL(Rp_0.2)/R_m≤0.85；应变时效敏感性：延伸降低率(ΔE≤5％)；韧脆转变温度(0℃纵向KV≥27J)；焊接性能(CEV≤0.44％)；高应变低周疲劳性能(试验参照GB6399-86：金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法进行)：用循环韧度值σ_a·Δε_t表示(σ_a·Δε_t≥30J/cm³)。

本发明钢的合金元素的组合及含量(％)范围是通过大量的实验确定的，(1)对现有的一种含钒热轧H型钢的抗震性能进行检测；(2)调整C、Si、Mn等元素的含量，用V、Nb复合微合金化代替V合金化；(3)进一步优化合金成分，寻找最佳的轧制工艺。这些元素在钢中的作用叙述如下：

C是间隙强化元素，可以提高基体的强度，同时，又可以与钢中的合金元素形成弥散碳化物，对基体进行弥散强化，而不影响材料的塑性，提高了材料的低周疲劳性能。故C含量应高于0.15％，但不宜超过0.2％，过高就会影响基体的韧性，特别重要的是影响材料的焊接性能。

Mn是弱碳化物形成元素，在钢中起到固溶强化的作用，加入的Mn含量在1.3～1.5之间，这样可以进一步保证基体的强度，同时Mn的加入，降低了奥氏体的相变温度，增加了铁素体晶体形核速度并且降低了铁素体晶粒长大速度，从而细化晶粒。

Si是非碳化物形成元素，以原子状态存在于奥氏体和铁素体之间，固溶强化铁素体。但Si含量过高，影响焊接性能，使焊接组织性能恶化，含量控制在0.4～0.5％。

在钢中添加微合金元素V、Nb，主要起晶粒细化和沉淀强化作用。这些微合金元素能与碳、氮结合形成碳氮化物颗粒。这些碳氮化合物颗粒在加热过程中可以阻碍原是奥氏体晶粒长大，在轧制时可以抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大，在冷却过程中时，析出起到弥散强化作用，从而提高的材料的综合抗震性能。

本发明钢采用V、Nb复合微合金化，充分发挥了微合金元素的作用。在钢中添加Nb，主要是阻碍热轧过程中再结晶时晶粒长大，这样可以细化晶粒；添加V主要是在冷却过程中产生析出强化。V和Nb的碳氮化物颗粒在析出过程中相互促进，这样更加有利于发挥微合金的作用。本发明钢按上述成分进行冶炼时，采用常用的脱P、S技术，适当降低P、S含量，同时在加入微合金元素之前进行脱氧，并控制N含量。

控制轧制技术即通过对轧制工艺参数(加热温度、轧制变形量、终轧温度)的控制，充分发挥V、Nb的细晶强化和析出强化的作用，从而提高钢材的综合抗震性能。

本发明的热轧H型钢，只需在现有的生产条件下，优化合金成分，调整工艺参数，通过控制加热温度，保证合金元素完全熔入奥氏体，在轧制时，通过未再结晶区控轧，保证在未再结晶区产生足够的变形量，细化奥氏体晶粒，从而达到细化铁素体晶粒的目的，降低终轧温度，使析出物的颗粒弥散细小，随后在冷床上空冷至室温，得到组织均匀、晶粒细小、析出物颗粒弥散的铁素体珠光体组织，这样产品的性能，强韧性配合良好，综合抗震性能优异，可以大大提高建筑物的抗震性能，满足高层建筑对热轧H型钢的需求。

具体实施方式

下面以4个具体实施例来说明本发明。

按照表1化学成分进行炼钢，在轧制时，控制钢坯的加热温度、未再结晶区的变形量和终轧温度，通过正交表设计进行轧钢试验，试验结果主要以循环韧度为目标为主，即循环能量吸收率σ_a·Δε_t，同时测试材料的其他抗震性能指标，然后通过数理统计的方法，找到最佳的工艺搭配。最终确定采用1210～1250℃的钢坯加热温度，950℃以下的变形量为50％～70％，终轧温度在820℃～880℃范围内，可以得到较高的循环韧度。

实施例1：

抗震H型钢化学成分见表1实施例1，轧制工艺参数为：加热温度1210℃；950℃以下变形量50％；终轧温度850℃。

性能指标是：R_eL为500MPa，R_m为665MPa，R_eL/R_m为0.75，A为24％，ΔE为2.08％，0℃纵向KV为74J，循环韧度值σ_a·Δε_t为34.07J/cm³。以上指标均优于抗震钢的五个性能指标。

实施例2：

抗震H型钢化学成分见表1实施例2，轧制工艺参数为：加热温度1220℃；950℃以下变形量55％；终轧温度880℃。

性能指标是：R_eL为480MPa，R_m为650MPa，R_eL/R_m为0.74，A为20.5％，ΔE为3.2％，0℃纵向KV为115J，循环韧度值σ_a·Δε_t为37.82J/cm³。以上指标均优于抗震钢的五个性能指标。

实施例3：

抗震H型钢化学成分见表1实施例3，轧制工艺参数为：加热温度1230℃；950℃以下变形量60％；终轧温度820℃。

性能指标是：R_eL为530MPa，R_m为695MPa，R_eL/R_m为0.76，A为20.5％，ΔE为2.44％，0℃纵向KV为76J，循环韧度值σ_a·Δε_t为33.06J/cm³。以上指标均优于抗震钢的五个性能指标。

实施例4：

抗震H型钢化学成分见表1实施例4，轧制工艺参数为：加热温度1250℃；950℃以下变形量70％；终轧温度860℃。

性能指标是：R_eL为470MPa，R_m为650MPa，R_eL/R_m为0.72，A为25％，ΔE为4.00％，0℃纵向KV为45J，循环韧度值σ_a·Δε_t为40.2J/cm³。以上指标均优于抗震钢的五个性能指标。

表1：各实施例化学成分

Claims

1.一种抗震H型钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C 0.16～0.20％、Si 0.4～0.5％、Mn 1.3～1.5％、V 0.06～0.08％、Nb 0.02～0.04％、P：≤0.025、S：≤0.015、[N]≤100ppm、[O]：≤100ppm，其余为Fe和杂质元素。

2.一种如权利要求1所述的抗震H型钢的生产方法，包括加热、轧制、冷却工序，其特征在于，加热温度为：1210℃～1250℃；轧制工艺为：未再结晶区控轧温度≤950℃，道次累积变形量50％～70％，终轧温度控制在820℃～880℃；轧后在冷床上空冷至室温。