CN102851596B - 一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法 - Google Patents
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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
技术领域
本发明属于金属材料领域,尤其涉及一种抗拉强度490MPa级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法。
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。
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℃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 itsand its production”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:0.01~0.1C,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(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:0.04~0.14C,0.05以下Si,0.5~2.0Mn,0.3~0.7Mo,0.01~0.05Nb,0.06以下Al,0.05~1.0Ni,0.05~1.0Cu,0.0005~0.010REM,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)最重要因素:钢板合金设计中Mo等贵重元素含量较高,增加了合金成本,难以普及应用;
(2)耐火性差难以满足建筑耐火性能设计要求;
(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
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℃保温1~3小时屈服强度下降不低于常温状态的2/3;其屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8,延伸率A%≥20%;-20℃~-40℃冲击韧性KV2≥47J;板型良好且生产工艺简单。
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%~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%。
C:为了保证钢的强度需要0.03%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0.09%。
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0.38%,但Si小于0.10%降低了耐火钢强度,因此其下限不低于0.10%。
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0.55%~1.50%。
P、S为钢中的有害元素含量控制越低越好,一般控制在P≤0.016%,S≤0.006%。
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。
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Cu0.10%~0.40%。
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完全取消Mo元素。
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Cr0.49%为设计上限。
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含量上限控制在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0.007%~0.045%,加Ti微合金化,连铸采用电磁搅拌,减少元素偏析。
轧制工艺特征:轧制过程采用再结晶控轧工艺。轧前将钢坯加热到温度1150℃~1270℃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960℃,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960℃~840℃,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℃~880℃,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680℃~840℃,终冷温度为650℃~420℃,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600℃~300℃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。
钢板组织及机理特征:
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的加入提高淬透性增加一定贝氏体组织比例。钢板组织为铁素体+珠光体+一定量粒状贝氏体+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强度。
MA岛状组织作为组织中一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,减缓高温屈服强度的降低。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,发生回火转变后强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。
通过轧制工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,这种沉淀强化作用有效地提高了耐火钢的高温力学性能。
上述这些高温强化机理同时作用,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。
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、Ti、Cu、Cr和Nb等,不含Mo元素,成本较低。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步说明:
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(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。
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 | Cu | B |
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8# | 0.077 | 0.27 | 1.37 | 0.012 | 0.0028 | 0.031 | 0.032 | 0.00073 | 0.14 | 0.35 | 0.0016 |
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)
1.一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板制造方法,其特征在于化学成分范围按重量百分比为:C0.055%~0.09%、Si0.10%~0.38%、Mn1.22%~1.50%、Nb0.029%~0.039%、Ti0.027%~0.050%、Als0.039%~0.045%、Cr0.12~0.49%、Cu0.10%~0.40%、B0.0008~0.002%,余量为Fe及不可避免的杂质,钢中杂质元素控制在P≤0.016%,S≤0.006%,[N]≤0.0040%,[O]≤0.0030%;所述的钢板-20℃~-40℃纵向低温韧性大于100J;延伸率A%≥20%;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℃,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1017℃;第二阶段开轧温度960~901℃,第二阶段再结晶区累计变形量大于55%,终轧温度821~880℃;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℃,终冷温度为650~530℃;最后将钢板快速堆垛缓冷保温,堆垛温度527~407℃之间,保温时间为8~16小时。
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