CN102400049A

CN102400049A - 一种490级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法

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Publication number: CN102400049A
Application number: CN2010102765851A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 侯华兴; 敖列哥; 张涛; 黄磊; 张哲�; 杨颖�; 张紫茵; 乔馨; 袁浩
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: CN102400049B

Abstract

本发明公开一种490级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法，钢板化学成分的重量百分比为：C0.02％～0.10％、Si0.05％～0.40％、Mn0.50％～1.40％、Nb0.010％～0.040％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％、Cr0.10％～0.50％、Mo0.05％～0.22％、B0.0005％～0.0020％。其制造方法：钢坯加热温度1100～1280℃，第一阶段终轧温度不小于980℃；第二阶段轧制开始温度970～850℃，再结晶区轧制积累变形量大于60％，终轧温度750～900℃；在终轧和开始冷却之间保留30～120秒；之后进行控制冷却，开冷温度为700～850℃，终冷温度为700～400℃；最后将钢板快速堆垛缓冷，堆垛温度650～300℃，保温时间为10～24小时。可获得良好且均匀的板型和性能，延伸率A％≥20％，屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8；化学成分简单，成本较低。

Description

一种490级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种高性能490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法，属于金属材料领域。

背景技术

耐火钢(FR钢)其耐热温度为600℃以上(一般钢材仅为350℃以下)使用这种钢材对可燃物较少且空间较大的建筑物和体育馆、博物馆等有可能不用防火涂料，节省大量投资。美国“911”事件发生后，世界各国对于建筑物、特别是高层建筑结构的耐火性能提出了迫切而严格的要求。因此建筑用高性能耐火钢板成为近年来研究开发的热点。

日本是建筑钢结构发展最快，新钢材、新技术开发最先进、应用范围最广的国家，其建筑领域所用的钢材约占普通钢的30％左右，是日本钢材用量最大的领域。日本耐火钢的研究开发工作引人处于世界领先地位，主要产品为板材和H型钢。

中国从20世纪90年代末开始从事耐火钢方面的研究。马钢、鞍钢、宝钢和武钢等钢厂先后研发了耐火钢，由于耐火钢中的主要合金元素是高Mo，导致耐火钢的成本较高，影响了耐火钢的大量推广和使用。

国际国内有关490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及制造方法已经形成多项专利，例如以下5个专利：

专利1，鞍钢申请的专利号申请为03111076.2的“耐火钢及其制造方法”，该发明性能已经达到耐火钢的性能要求，但合金设计中存在V、RE、Ni以及较高水平的Mo元素，这样难以控制耐火钢合金成本。

专利2，武钢提供一种专利申请号为01133562.9的“耐火钢及其生产方法”，该钢虽然达到了600℃1～3小时内屈服强度下降不低于其常温的2/3，但是也存在不控制碳当量和屈强比的弊端，且合金含量高，价格昂贵，不能满足国内建筑用钢市场的需求。

专利3，日本新日铁钢铁公司申请的专利号为JP2000256791的发明专利“Low yield ratio type fire resistant hot rolled steel sheet and its and itsproduction”中所公开的低屈强比带钢，其钢的化学成分按质量百分比为：0.01％～0.1％C，0.05％～0.8％Si，0.5％～1.5％Mn，0.3％～1.5％Mo，0.005％～0.05％Nb，0.02％～0.1％V，0.0003％～0.0025％B，该钢种屈强比小于0.8，并且焊接性能良好，但耐火性能较差Rel_(600℃)/Rel_(室温)＜2/3。

专利4，新日本制铁株式会社渡部义之、植森龙治等人2008年1月发明的申请号为JP060601/2005“焊接性和气割性优良的高强度耐火钢及其制造方法”的专利，公开了一种耐火钢及其制造方法，其钢的化学成分按质量百分比为：0.04％～0.14％C，0.05％以下Si，0.5％～2.0％Mn，0.3％～0.7％Mo，0.01％～0.05％Nb，0.06％以下Al，0.05％～1.0％Ni，0.05％～1.0％Cu，0.0005％～0.010％REM，钢种加工工艺为钢坯或铸坯加热到1100～1300℃的温度，接着在800～950℃的温度下进行轧制后，以比该轧制结束时的温度低150℃或750℃之中较高的一个温度以上的温度进行直接淬火，接着在Ac1以下的温度进行回火处理，或轧制后再次加热到900～950℃的温度进行淬火，然后在Ac1以下的温度进行回火处理。该钢种应用了Mo、Cu、Ni、REM等贵重合金增加了合金成本，复杂的生产工艺提高了生产成本，无疑对钢厂生产设备提出了较高的要求。

并且从所有专利查新得到，其发明专利低温韧性要求都为0～-20℃，不能满足北方低温地区用户使用要求。

由以上对比专利可知，目前490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板的生产存在以下不足：

(1)耐火性差难以满足建筑耐火性能设计要求；

(2)钢板合金设计中贵重元素含量较高，增加了合金成本；

(3)大部分需要配合复杂轧制工艺或采用淬火、回火等热处理工艺，生产成本较高；

(4)普遍采用轧后控冷的生产方式，钢板容易变形；

(5)屈服强度变化范围较大，部分钢种不控制屈强比，这不利于减震结构的设计和制造；

(6)低温韧性要求基本为0～-20℃难以满足北方低温地区冬季对钢结构的设计和施工需要。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种490级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法，利用B等合金元素部分替代Mo等贵重合金降低合金成本，利用轧后堆垛缓冷工艺替代热处理制度简化生产工艺以达到降低过程成本的目的。

本发明钢板化学成分以低C低Mo含硼为基本特征，其化学成分范围(Wt％)为：C0.02％～0.10％、Si0.05％～0.40％、Mn0.50％～1.40％、Nb0.010％～0.040％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％、Cr0.10％～0.50％、Mo0.05％～0.22％、B0.0005％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元素控制在P≤0.015％，S≤0.005％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％。

C：为了保证钢的强度需要0.02％以上的C含量，同时为了保证钢的焊接性能和低温韧性，C的含量不宜超过0.10％。

Si：为了使钢的延伸性能以及保证可焊性，将Si的含量控制在小于0.40％，但Si小于0.05％降低了耐火钢强度，因此其下限不低于0.05％。

Mn：Mn的主要作用是固溶强化和脱氧，过多时会使强度过高，太低对后部轧制的控制不起作用，所以Mn含量控制在0.50％～1.40％。

P、S为钢中的有害元素含量控制越低越好，一般控制在P≤0.015％，S≤0.005％。

Nb和Ti、Al主要作用是抑制加热时晶粒长大，同时起固溶和析出强化的作用，Ti、Al配合脱氧可以减少强度的增加过多，增强Ti脱氧产物的有益作用。一般控制在Nb0.010％～0.040％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％。

Cr：Cr对提高钢的高温性能有明显作用，并且含量超过0.30％时具有耐大气腐蚀作用，并且与Mo复合作用更易于提高钢的耐火性能，也提高钢的耐盐雾腐蚀能力；过高的Cr0.60％以上无意义，只有增加合金成本，所以Cr0.50％为设计上限，下限为0.10％。

Mo：Mo是钢种提高耐火性能最有效的合金元素，但Mo价格昂贵，导致耐火钢的成本较高。本发明通过合理的轧制及后续辅助工艺，在满足性能的前提下降低Mo的使用量，将Mo元素控制在0.05％～0.22％。优选Mo0.05％～0.15％。

B：B是表面活性元素，容易偏聚于晶界处，对抑制先共析铁素体的形核及长大有较强作用，能抑制γ-α相变，在控制合金成本的基础上有效提高钢材强度。但B含量达到一定范围后易形成B的碳化物和氮化物，并偏聚在原奥氏体晶界，造成晶界位错密度升高，易于此处发生晶界开裂，因此，B含量控制在0.0005％～0.0020％。

本发明钢的具体生产工艺特征如下：

生产工艺流程：炼钢-精炼-连铸-钢坯加热-两阶段控制轧制-控制冷却-保温自回火-成品。

冶炼工艺：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；根据钢水中氧含量，控制Als含量在0.010％～0.050％，加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

轧制工艺：轧制过程采用再结晶控轧工艺。轧前将钢坯加热到1100～1280℃范围内，控制加热时间为根据钢板厚度60～110秒/厘米，采用这种加热工艺既能保证钢坯温度均匀性，又能有效的溶解钢中合金元素；采用两阶段控轧，目的在于控制终轧温度，细化组织，第一阶段轧制只需要钢板表面除磷后即可开始，第一阶段终轧温度控制在不小于980℃，目的在于保证钢板回复再结晶过程具有足够的驱动力；第二阶段轧制开始温度控制在970～850℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于60％，终轧温度控制在750～900℃，这一阶段的轧制是在较高温度下进行的，这样对轧制设备的能力要求大大降低，同时也提高了生产效率；在终轧和开始冷却之间需要保留30～120秒的时间，目的在于为钢板提供充分的弛豫时间，让弛豫作用能够进一步促进高温转变组织发生转变，繁杂的组织造成有效晶粒尺寸更加细小；之后进行控制冷却，开始冷却温度为700～850℃，终冷温度为700～400℃，控冷至这一温度相变已经结束，形成了硬相组织，满足强度级别的需要；最后将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度需控制在650～300℃之间，保温时间为10～24小时，利用钢板自回火作用改善钢板板型，并使组织、性能均匀化，同时Nb等合金的析出强化可以一定程度上弥补Mo等贵重合金含量降低的强度缺失。

钢板组织及机理：钢板组织为铁素体+珠光体+一定量粒状贝氏体+MA，通过轧制工艺过程产生的大量亚结构组织很稳定又能起到小晶粒作用，有较高的位错密度，并具有很高的抗回火稳定性，在发生火灾时，钢中会形成各种应变诱导析出相对位错亚结构起到钉扎作用提高其高温稳定性；特别是B提高淬透性增加一定贝氏体组织比例以及Mo、Cr固溶强化作用，加之在高温下MA组织分解形成稳定的合金渗碳体，以及Nb等合金元素的析出强化作用，使该钢获得优异的高温性能。

按上述技术方案生产的建筑结构用耐火钢具有以下有益效果：

(1)具有较好的耐火性能，具有在600℃保温1～3小时屈服强度下降不低于常温状态的2/3；

(2)-20～-40℃纵向低温韧性大于100J，可以满足寒冷地区建筑行业减震设计、施工的需求；

(3)具有良好的塑性，延伸率A％≥20％；并具有较低的屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8；

(4)热轧控冷并配合自回火即可获得良好且均匀的板型和性能；

(5)化学成分简单，除基本元素外，只适量添加B、少量Mo、Cr和Nb，成本较低。

具体实施方式

根据本发明的化学成分及生产工艺，冶炼轧制本发明的钢种实际化学成分如表1，本发明钢实例的实际工艺参数如表2，本发明实物性能检验结果如表3。

表1本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％

实例编号	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Als	Cr	Mo	B
												1#	0.091	0.31	1.34	0.013	0.0035	0.016	0.021	0.035	0.42	0.22	0.0010
2#	0.058	0.32	1.2	0.015	0.0037	0.029	0.034	0.020	0.32	0.20	0.0017
												3#	0.072	0.32	1.18	0.014	0.039	0.028	0.01	0.025	0.45	0.17	0.0015
4#	0.041	0.29	1.08	0.015	0.0045	0.035	0.011	0.015	0.37	0.16	0.0014
												5#	0.10	0.40	1.19	0.015	0.0041	0.031	0.015	0.017	0.29	0.12	0.0019
6#	0.029	0.19	1.00	0.015	0.0035	0.027	0.021	0.021	0.39	0.09	0.0013

表2本发明钢实例的实际工艺参数

表3本发明钢实施例的力学性能

Claims

1.一种490级别建筑结构用耐火钢板，其特征在于，钢板化学成分的重量百分比为：C0.02％～0.10％、Si0.05％～0.40％、Mn0.50％～1.40％、Nb0.010％～0.040％、Ti0.010％～0.040％、Als0.010％～0.050％、Cr0.10％～0.50％、Mo0.05％～0.22％、B0.0005％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质，钢中的杂质元素控制在P≤0.015％，S≤0.005％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0020％。

2.根据权利要求1所述的一种490级别建筑结构用耐火钢板，其特征在于，Ti0.020％～0.040％、Mo0.05％～0.15％。

3.一种用于权利要求1所述的490级别建筑结构用耐火钢板的制造方法，主要包括炼钢、精炼、连铸、钢坯加热、轧制，其特征在于，连铸采用电磁搅拌，钢坯加热温度1100～1280℃，控制加热时间为根据钢板厚度60秒/厘米～110秒/厘米；第一阶段终轧温度控制在不小于980℃；第二阶段轧制开始温度控制在970～850℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于60％，终轧温度控制在750～900℃；在终轧和开始冷却之间需要保留30～120秒的时间；之后进行控制冷却，开始冷却温度为700～850℃，终冷温度为700～400℃；最后将钢板快速堆垛缓冷，堆垛温度控制在650～300℃之间，保温时间为10～24小时。