CN102851596A - 一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法 - Google Patents

一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法,其化学成分为:C0.03%~0.09%、Si0.10%~0.38%、Mn0.55%~1.50%、Nb0.011%~0.039%、Ti0.012%~0.050%、Als0.007%~0.045%、Cr0.12%~0.49%、Cu0.10%~0.40%,B0.0008%~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≤0.016%,S≤0.006%,[N]≤0.0040%,[O]≤0.0030%。其钢坯加热到温度1150~1270℃,加热时间为钢板厚度60~110秒/厘米;第一阶段轧制钢板表面除磷后开始,终轧温度控制在不小于960℃;第二阶段开始温度960~840℃,再结晶区积累变形量大于55%,终轧温度720~880℃;在终轧和冷却之间需保留20~100秒;开始冷却为680~840℃,终冷为650~420℃;快速堆垛缓冷保温,堆垛温度600~300℃,保温时间8~16小时。

Description

一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法
技术领域
[0001] 本发明属于金属材料领域,尤其涉及一种抗拉強度490MPa级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法。
背景技术
[0002] 耐火钢(FR钢)其耐热温度为600°C以上(一般钢材仅为350°C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。
[0003]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。
[0004] 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。
[0005] 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:
[0006] 专利1,鞍钢申请的专利申请号为CN03111076. 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。
[0007] 专利2,武钢提供一种专利申请号为CN011335629的“耐火钢及其生产方法”,该钢虽然达到了 600°C I〜3小时内屈服強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強比的弊端,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。
[0008] 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“ Lowyield ratio type fire resistant hot rolled steel sheet and its and itsproduction"中所公开的低屈強比带钢,其钢的化学成分按质量百分比为:0. 01〜0. 1C,0.05 〜0. 8Si,0. 5 〜1.5Mn,0. 3 〜1.5Mo,0. 005 〜0. 05Nb,0. 02 〜0. 1V,0. 0003 〜0. 0025B,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(6Qcrc)/Rel(3iS)< 2/3。
[0009] 专利4,新日本制铁株式会社渡部义之、植森龙治等人2008年I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,公开了ー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. 14C,0. 05以下Si,0. 5 〜2. OMn,0. 3 〜0. 7Mo,0. 01 〜0. 05Nb,0. 06 以下 Α1,0· 05 〜I. ONi,0. 05 〜I. OCu,0. 0005〜0. 010REM,钢种加工エ艺为钢坯或铸坯加热到1100〜1300°C的温度,接着在800〜950°C的温度下进行轧制后,以比该轧制结束时的温度低150°C或750°C之中较高的ー个温度以上的温度进行直接淬火,接着在Acl以下的温度进行回火处理,或轧制后再次加热到900〜950°C的温度进行淬火,然后在Acl以下的温度进行回火处理。该钢种应用了Mo、Cu、Ni、REM等贵重合金増加了合金成本,复杂的生产エ艺提高了生产成本,无疑对钢厂生产设备提出了较高的要求。
[0010] 并且从所有专利查新得到,其发明专利低温韧性要求都为O〜-20°c,不能满足北方低温地区用户使用要求。
[0011] 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:
[0012] (I)最重要因素:钢板合金设计中Mo等贵重元素含量较高,増加了合金成本,难以普及应用;
[0013] (2)耐火性差难以满足建筑耐火性能设计要求; [0014] (3)大部分需要配合复杂轧制エ艺或采用淬火、回火等热处理工艺,生产成本较闻;
[0015] (4)普遍采用轧后控冷的生产方式,钢板容易变形;
[0016] (5)屈服強度变化范围较大,部分钢种不控制屈強比,这不利于减震结构的设计和制造;
[0017] (6)低温韧性要求基本为O〜-20°C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
[0018] 为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种低成本490N/mm2级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法,该钢板具有在600°C保温I〜3小时屈服強度下降不低于常温状态的2/3 ;其屈强比Rel (或RpO. 2)/Rm彡O. 8,延伸率A%彡20% ;_20°C〜_40°C冲击韧性KV2 ^ 47J ;板型良好且生产エ艺简単。
[0019] 本发明钢化学成分以低C、无Mo、含B为基本特征,在本发明中,其化学成分范围按重量百分比为:C0. 03%〜O. 09%, SiO. 10%〜O. 38%, MnO. 55%〜I. 50%, NbO. 011%〜O. 039%, TiO. 012%〜O. 050%, AlsO. 007%〜O. 045%, CrO. 12%〜O. 49%, CuO. 10%〜0.40%, B0. 0008%〜O. 0020%,余量为Fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元素控制在P 彡 O. 016%, S 彡 O. 006%, [N] く O. 0040%, [O] く O. 0030%。
[0020] C :为了保证钢的強度需要O. 03%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O. 09%。
[0021] 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O. 38%,但Si小于O. 10%降低了耐火钢强度,因此其下限不低于O. 10%。
[0022] Mn =Mn的主要作用是固溶強化和脱氧,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O. 55 %〜I. 50 %。
[0023] P、S为钢中的有害元素含量控制越低越好,一般控制在P彡0.016 %,
S 彡 O. 006%。
[0024] Nb和Ti、Al主要作用是抑制加热时晶粒长大,同时起固溶和析出強化的作用,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。
[0025] Cu的析出物有提高钢的高温强度和耐大气腐蚀性能,常规添加CuO. 10%〜O. 40%。
[0026] Mo :Mo是钢种提闻耐火性能最有效的合金兀素,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エ艺,在满足性能的前提下完全取消Mo元素。
[0027] Cr :Cr对提高钢的高温性能有明显作用,并且含量超过O. 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CrO. 60%以上无意义,只有增加合金成本,所以CrO. 49%为设计上限。
[0028] 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Υ-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含量上限控制在O. 0020%。 [0029] 本发明钢的具体生产エ艺特征如下:
[0030] 生产エ艺流程: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。
[0031] 冶炼エ艺: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O. 007%〜O. 045%,加Ti微合金化,连铸采用电磁搅拌,减少元素偏析。
[0032] 轧制エ艺特征:轧制过程采用再结晶控轧エ艺。轧前将钢坯加热到温度1150°C〜1270°C范围内,控制加热时间为根据钢板厚度60秒/厘米〜110秒/厘米,采用这种加热エ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960°C,目的在于保证钢板回复再结晶过程具有足够的驱动カ;第ニ阶段轧制开始温度控制在960°C〜840°C,第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于55%,终轧温度控制在720°C〜880°C,这ー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20秒〜100秒的时间,目的在于为钢板提供充分的弛豫时间,让弛豫作用能够进ー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680°C〜840°C,终冷温度为650°C〜420°C,控冷至这ー温度相变已经结束,形成了硬相组织,满足強度级别的需要;最后将钢板快速堆垛缓冷保温,堆垛温度需控制在600°C〜300°C之间,保温时间为8〜16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等合金的析出強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。
[0033] 钢板组织及机理特征:
[0034] 试验钢进入贝氏体转变区后,由于减缓了碳化物从奥氏体中析出,促使奥氏体富碳保持下来,因此得到粒状贝氏体组织,特别是B的加入提高淬透性増加一定贝氏体组织比例。钢板组织为铁素体+珠光体+ —定量粒状贝氏体+MA多相组织,这种混合组织对提高钢的高温强度是有利的。这是由于相对于晶界而言,这种混合组织的相界对位错运动的阻碍作用更强。同时,在高温下,混合组织的相界对合金元素及碳的扩散具有不同的阻碍作用,有利于阻碍铁素体晶粒长大,抑制析出相的粗化,可以更有效提高钢的高温強度。
[0035] MA岛状组织作为组织中ー种不易分解的高温稳定相,但在高温或长时间保温等具备MA组织分解条件下,MA会分解形成稳定的合金渗碳体依然促进和保持高温性能,减缓高温屈服強度的降低。粒状贝氏体中MA岛的数量、形状、分布、尺寸对材料的机械性能起着致关重要的作用,发生回火转变后強度的变化与残余奥氏体的数量、析出物的种类、分布密切相关。一方面,马氏体发生回火分解,硬度降低;另一方面,残余奥氏体转变为回火马氏体使硬度升高,析出相也会产生明显的回火抗力,两方面的共同作用使硬度的降低明显减缓。
[0036] 通过轧制エ艺过程产生的大量亚结构组织很稳定,能起到细晶粒的作用,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。Nb、Cu、Ti等合金元素高温下M、MC和M2C等析出相大量析出,同时还能保持细小尺寸,这种沉淀強化作用有效地提高了耐火钢的高温力学性能。
[0037] 上述这些高温強化机理同时作用,拖曳和减缓了高温下的强度损失,使该钢获得优异的高温性能。无Mo耐火钢在此基础上已经可以达到很好的耐火性能。
[0038] 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:
[0039] (I)具有较好的耐火性能,具有在600°C保温I〜3小时屈服強度下降不低于常温状态的2/3 ;
[0040] (2)_20°C〜_40°C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;
[0041] (3)具有良好的塑性,延伸率20% ;并具有较低的屈强比Rel (或RpO. 2)/Rm ^ O. 8 ;
[0042] (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;
[0043] (5)化学成分简单,除基本元素外,只适量添加B、Ti、Cu、Cr和Nb等,不含Mo元素,成本较低。
具体实施方式
[0044] 下面结合具体实施方式对本发明进ー步说明:
[0045] 根据本发明的化学成分及生产エ艺,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エ艺參数如表2(轧制实验钢厚度规格为16〜40mm),本发明实物性能检验结果如表3。
[0046] 表I本发明钢种的冶炼成分实例,Wt %
[0047]
Figure CN102851596AD00071
Figure CN102851596AD00081
[0050] 表3本发明钢实施例的力学性能
Figure CN102851596AD00082

Claims (2)

1. 一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板,其特征在于化学成分范围按重量百分比为:C0. 03 % 〜O. 09 %、SiO. 10 % 〜O. 38 %、MnO. 55 % 〜I. 50 %、NbO. 011 % 〜O. 039%, TiO. 012%〜O. 050%, AlsO. 007%〜O. 045%, CrO. 12%〜O. 49%, CuO. 10%〜0.40%, B0. 0008 %〜O. 0020 %,余量为Fe及不可避免的杂质,钢中的杂质元素控制在P 彡 O. 016%, S 彡 O. 006%, [N] ( O. 0040%, [O] ( O. 0030%。
2. 一种根据权利要求I所述低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板制造方法,其特征在于生产工艺流程为炼钢-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,其中轧前将钢坯加热到温度1150〜1270°C,控制加热时间为根据钢板厚度60〜110秒/厘米;采用两阶段控轧,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960°C ;第二阶段轧制开始温度960〜840°C,第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于55%,终轧温度720〜880°C;在终轧和开始冷却之间需要保留20〜100 秒;之后进行控制冷却,开始冷却温度为680〜840°C,终冷温度为650〜420°C ;最后将钢板快速堆垛缓冷保温,堆垛温度600〜300°C之间,保温时间为8〜16小时。
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