CN102168225B

CN102168225B - YP100MPa钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN102168225B
Application number: CN 201010113841
Authority: CN
Inventors: 刘自成; 施青
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: CN102168225A

Abstract

YP100MPa钢板及其制造方法，采用极低C-极低Si-极低Mn-高Als-低N-(Nb+Ti)微合金化-B处理的成分体系，适当提高酸溶Als的含量、(Ti+Nb)微合金化且Ti/Nb在0.50～1.00之间、控制Ti/N≥8.0、Als/N≥10、(0.13Nb+0.25Ti)≥1.05C、(P+S)/B≤95等冶金技术手段，优化轧制工艺；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，钛/铌碳氮化物粒子及AlN粒子粗大且均匀分布，并通过微B处理强化铁素体晶界；获得极低屈服强度(YP：80～120MPa)、优良的室温塑性形变能力(均匀延伸率达到55％以上)和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

YP100MPa钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及低屈服点钢板的制造，特别涉及YP100MPa钢板及其制造方法，其是在极低C-极低Si-极低Mn-高Als-低N-(Nb+Ti)微合金化-B处理的成分体系中获得屈服强度80～120MPa、延伸率δ₅≥55％、具有优良低温冲击韧性及抗循环应变硬化的极低屈服点钢板。

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循环塑性形变能力，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极低、延伸率高，在地震过程中通过先期反复拉压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、住友金属等公司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参见(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)。

中国宝钢于2007年申请中国发明专利“一种极低屈服点钢板及其制造方法”，其是针对屈服强度为205～245MPa钢板及其制造方法；及于2008年申请的“极低屈服点钢板YP160及其制造方法是针对屈服强度为140～180MPa钢板及其制造方法”，并实现批量生产和供货，产品应用于上海世博工程和虹桥交通枢纽工程。

发明内容

本发明的目的是设计YP100MPa钢板及其制造方法，通过钢板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和优良室温循环形变能力的同时，钢板还具有优良的低温冲击韧性，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，本发明的技术方案采用极低C-极低Si-极低Mn-高Als-低N-(Nb+Ti)微合金化-B处理的成分体系，适当提高酸溶Als的含量、(Ti+Nb)微合金化且Ti/Nb在0.50～1.00之间、控制Ti/N≥8.0、Als/N≥10、(0.13Nb+0.25Ti)≥1.05C、(P+S)/B≤95等冶金技术手段，优化轧制工艺；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，钛/铌碳氮化物粒子及AlN粒子粗大且均匀分布，并通过微B处理强化铁素体晶界；获得极低屈服强度(YP：80～120Mpa，yielding point)、优良的室温塑性形变能力(均匀延伸率达到55％以上)和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YP100MPa钢板，其成分重量百分比为：

C：≤0.005％

Si：≤0.10％

Mn：0.05％～0.25％

P：≤0.015％

S：≤0.005％

Nb：0.015～0.035％

Als：0.025％～0.050％

Ti：0.015％～0.030％

N：≤0.0035％

B：0.0002％～0.0008％

其余为铁和不可避免的夹杂；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Ti、Als与N之间的关系：Ti/N≥8.0、Als/N≥10，保证彻底消除钢中固溶N原子；

Nb、Ti及C之间的关系：(0.13Nb+0.25Ti)≥1.05C，保证彻底消除钢中固溶C原子；

Ti与Nb之间的关系：Ti/Nb在0.50～1.00，保证Ti(C，N)、Nb(C，N)之间形成复合粗大的粒子且均匀分布在钢中。

B、S、P之间关系：(P+S)/B≤95，保证固溶B能够充分偏聚在铁素体晶界同时，减少P、S在铁素体晶界上的偏聚，抑制铁素体晶界脆化，提高极低屈服点钢板低温冲击韧性。

在本发明成分设计中：

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，根据本发明钢板对屈服强度的要求，C含量上限控制在0.005％。

为确保钢板屈服强度80～120MPa和低循环应变硬化率，钢中Mn含量上限控制在0.25％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0.05％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0.10％以下。

P作为钢中有害夹杂对钢的力学性能，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≤0.015％。

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、C结合，不仅要生成稳定性很高的Ti(C，N)粒子，消除钢中固溶的N、C原子，而且生成的Ti(C，N)粒子粗大均匀，减少Ti(C，N)对钢板屈服强度的影响，因此Ti含量控制在0.015～0.030％之间。

钢中添加微量的Nb目的是与钢中C结合，生成NbC，消除钢中固溶的C原子且生成的NbC粒子粗大均匀，减少NbC对钢板屈服强度的影响；同时利用Nb元素控制轧制作用和对晶界迁移的托拽作用，控制铁素体晶粒在合适范围内；因此，Nb含量适宜范围为0.015～0.035％。

钢中固溶N原子不仅能够极大地提高钢板的屈服强度和应变硬化率，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≤0.0035％。

钢中的Als能够固定钢中的自由[N]，因此Als下限控制在0.025％，确保钢中不存在固溶N原子；但是钢中加入过量的Als不但会提高钢板屈服强度(固溶Al提高铁素体屈服强度)，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，损害钢板内质健全性及室温形变能力，因此Als上限控制在0.050％。

无间隙原子的单相铁素体厚钢板，铁素体晶界脆化严重；为抑制无间隙原子的单相铁素体晶界脆化，在钢中添加微量的B元素以强化晶界；B添加量低于0.0002％时，抑制晶界脆化作用较小，B添加量0.0008％时，不仅造成钢板强度大幅度提高，而且过多B原子在晶界析出，反而导致晶界脆化；因此合理B合理含量范围为0.0002％～0.0008％。

本发明YP100MPa钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1、冶炼、铸造

铸造工艺推荐采用连铸工艺，连铸工艺重点控制中间包浇铸温度，由于钢中C、Mn、P、S含量极低，钢水凝固时，选分结晶程度小，板坯凝固偏析程度较低，因此采用较高的过热度浇铸，以确保钢水中夹杂物充分上浮去除；为此，中间包浇注温度控轧在1545～1570之间；

2、轧制

钢板加热温度1000℃～1100℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；在完全再结晶温度范围内，大轧制道次压下率进行连续轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，为此轧制道次压下率≥8％，再结晶区(≥950℃)总压下率≥60％；终轧温度≥950℃，以防止出现混晶、异常组织及钢板表面氧化皮缺陷。

第二阶段采用控制轧制，控轧开轧温度≤900℃，轧制道次压下率≥7％，累计压下率≥50％，终轧温度控制在850℃～900℃之间，细化奥氏体晶粒尺寸，保证极低屈服点钢板具有优良的强韧性匹配。

本发明的有益效果

本发明不仅成功地研制出综合性能优异的极低屈服点钢板YP100，解决了无间隙原子铁素体晶界的脆化问题，掌握了极低屈服点钢板制造关键核心技术，并形成批量生产能力，而且打破了日本钢铁企业对极低屈服点钢板制造技术的垄断；随着我国现代化建设的推进，大型重钢结构(如超高层建筑结构、大跨度桥梁结构、隧道结构及海洋结构等)建造越来越普遍，对抗震要求也越来越高，大规模使用抗震阻尼器必将成为趋势，而制作抗震阻尼器关键材料——极低屈服点钢必将具有广阔的市场，它的使用必将提高我国钢结构的安全性与抗震性，而且可以出口日本、欧美等对钢结构抗震性能要求严格的发达国家。

本发明极低屈服点钢板不仅提高桥梁结构、超高层建筑结构及海洋重钢结构等大型钢结构的抗震性能，降低钢结构的用钢量和用钢等级，简化钢结构设计，提高钢结构安全可靠性，而且能够在地震等其它自然灾害后随时更换，方便易行，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。

本发明实施例参见表1，表2为制造工艺，表3为本发明实施例钢的性能。

从表3可以看出，钢板具有极低的屈服点与屈强比、优良的室温形变能力(极高的延伸率)及优良的低温冲击韧性，满足用于制作大型钢结构的抗震阻尼器。

综上所述，本发明钢板技术特点，钢板通过简单的合金元素的组合设计与特殊的轧制相结合，钢板即可获得优异的综合力学性能；极低屈服点钢板不仅提高桥梁结构、超高层建筑结构及海洋重钢结构等大型钢结构的抗震性能，降低钢结构的用钢量和用钢等级，简化钢结构设计，提高钢结构安全可靠性，而且能够在地震等其它自然灾害后随时更换，方便易行，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。

本发明钢板技术适应性强，可以向所有具有热处理设备的中厚板生产厂家推广，具有很强的商业推广性，具有较高的技术贸易价值。

Claims

1.YP100MPa钢板，其成分重量百分比为：

C：≤0.005％

Si：≤0.10％

Mn：0.05％～0.25％

P：≤0.015％

S：≤0.005％

Nb：0.015～0.035％

Als：0.025％～0.050％

Ti：0.015％～0.030％

N：大于≤0.0035％

B：0.0002％～0.0008％

其余为铁和不可避免的夹杂；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Ti、Als与N之间的关系：Ti/N≥8.0、Als/N≥10；

Nb、Ti及C之间的关系：(0.13Nb+0.25Ti)≥1.05C；

Ti与Nb之间的关系：Ti/Nb在0.50～1.00；

B、S、P之间关系：(P+S)/B≤95；

并采用下述制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼，采用连铸工艺，中间包浇注温度控轧在1545～1570℃之间；

2)轧制

钢板加热，加热温度1000℃～1100℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；在完全再结晶温度范围内，大轧制道次压下率进行连续轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，为此轧制道次压下率≥8％，再结晶区即≥950℃总压下率≥60％；终轧温度≥950℃；

第二阶段采用控制轧制，控轧开轧温度≤900℃，轧制道次压下率≥7％，累计压下率≥50％，终轧温度控制在850℃～900℃之间；

最终获得的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；成品钢板屈服强度80～120MPa、延伸率δ₅≥55％、具有优良低温冲击韧性及抗循环应变硬化。