CN103695775B - 345MPa级高层建筑结构用钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种345MPa级高层建筑结构用钢板及其生产方法。该钢板按重量百分比由以下化学成分构成：C：0.15～0.20%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.35～1.60%、P≤0.015%、S：≤0.005%、Als：0.015～0.055%、Nb：0.035～0.060%、Ti：0.010～0.030%，余量为Fe及不可避免的夹杂。其生产方法依次包括铁水脱硫预处理、转炉冶炼、LF和RH双精炼、板坯连铸、加热、控轧控冷、热矫直、空冷、正火热处理工序。本发明生产的>80～100mm厚度钢板具有良好的焊接性能、强韧性、抗震性能、低温冲击韧性以及抗层状撕裂性能。

Description

345MPa级高层建筑结构用钢板及其生产方法

技术领域

本发明属特种钢及其冶炼技术领域，涉及一种高层建筑用结构钢板，尤其指屈服强度≥345MPa，厚度>80mm的低屈强比高层建筑用结构钢板及其生产方法。

背景技术

随着高层建筑的兴起，使得高层建筑用结构钢板需求越来越大，特别是特厚钢板的需求在不断增加。由于高层建筑结构受力复杂，要求采用的钢板具有良好的塑性和韧性、较低的屈强比，较窄的屈服强度波动范围、优良的焊接性能和抗层状撕裂性能等特点。

目前，国内建筑结构用钢已广泛应用。专利号为200810104298.5的发明专利公开说明了一种高层建筑用钢板，该钢材特征在于：化学成分按重量百分比为C：0.12～0.17%，Si：0.30～0.45%，Mn：1.35～1.55%，P≤0.022%，S：≤0.010%，Alt：0.020～0.050%，V：0.030～0.10%。该钢材屈服强度大于345～465MPa，抗拉强度490～610MPa，0℃V型缺口夏比冲击功≥34J，屈强比小于0.80，但钢板最大厚度仅到60mm。

专利申请号为200910241507.5的发明专利公开说明了一种低成本建筑结构用钢板及其生产方法，其化学成分组成为：C0.14～0.17%，Si0.20～0.50%，Mn1.30～1.50%，P≤0.012%，S：≤0.005%，Alt0.020～0.060%，不添加Nb、V、Ti、Ni、Cr、Mo等贵金属元素，完全通过C-Si-Mn-Al化学成分达到Q345GJ强度等级要求，成本低。但生产的厚度规格仅为20～90mm热轧态钢板，且热轧态钢板较正火态性能波动大，特别是厚规格钢板组织均匀性方面较差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种345MPa级高层建筑结构用钢板及其生产方法，钢板厚度>80mm。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种345MPa级高层建筑结构用钢板，该钢板按重量百分比由以下化学成分构成：C：0.15～0.20%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.35～1.60%、P≤0.015%、S：≤0.005%、Als：0.015～0.055%、Nb：0.035～0.060%、Ti：0.010～0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选地，上述345MPa级高层建筑结构用钢板按重量百分比由以下化学成分构成：C：0.15～0.19%、Si：0.30～0.50%、Mn：1.40～1.55%、P≤0.015%、S：≤0.005%、Als：0.015～0.040%、Nb：0.040～0.055%、Ti：0.010～0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述345MPa级高层建筑结构用钢板的碳当量≤0.42%，屈服强度为350～455MPa，抗拉强度为530～600MPa，延伸率为25～40%，屈强比小于0.80，-20℃V型缺口夏比冲击功≥90J，Z向断面收缩率≥53%；钢板厚度>80mm。

以下详述本发明中化学成分的设计原理：

本发明C含量在0.15～0.20%，碳是钢中主要强化元素，C的固溶强化效果很强，但对抗拉强度的提升比屈服强度要大很多。高建钢对屈强比有严格的规定，要获得较低的屈强比，因此C含量不能高。通过大量试验，在保证屈强比、碳当量符合标准的前提下，确定C含量控制在0.15%～0.20%范围内。

本发明中Si含量在0.20～0.50%，Si是钢中的脱氧剂，可起到固溶强化作用，显著提高抗拉强度和较小程度提高屈服强度，改善材料的屈强比，但同时在一定程度上降低钢的韧性、塑性。通过大量试验，确定Si含量控制在0.20%～0.50%之间。

本发明中Mn含量选择在1.35～1.60％。Mn对提高钢的强度，降低钢材脆性转变温度，改善冲击韧性起着重要的作用。Mn含量偏低，强度不够，过高则影响钢板的冷冲压和焊接性能。通过大量试验，确定将Mn含量控制在1.35～1.60％。

本发明中P含量≤0.015％，P提高钢的强度，P含量高则降低钢的塑性，对焊接性能不利，并增加焊裂的敏感性。因此应尽量降低P含量。

本发明中S含量≤0.005％。S在高层建筑结构用钢中是有害的元素，S容易和Mn反应生成硫化物夹杂而存在钢中，沿着钢板的轧制方向延伸，形成严重的带状，降低钢的塑性、冷成型性和冲击韧性。因此应尽量降低S含量。

本发明中Nb含量在0.035～0.060％。Nb是目前最典型的微合金元素之一，能产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化作用。但过高的Nb将使屈服强度大幅度提升，造成屈强比高，同时增加冶炼成本，且对钢板的焊接性能有不利影响。通过大量试验，确定将Nb含量控制在0.035～0.060％。

本发明中Ti含量在0.010～0.030％。Ti是强碳化物形成元素，它与C、N都有极强的亲和力，钢液凝固时形成大量弥散分布的TiC颗粒，利于钢的结晶，细化钢的组织达到强韧性目的。含Nb钢中若加微量Ti，由于钢中氮优先与Ti反应，减少了与铌反应的氮，可以有效抑制Nb（C、N）的析出，进而降低含铌钢的裂纹敏感性。但过多的Ti含量会引起Ti的氮化物的粗化，对低温韧性不利。通过大量试验，确定将Ti含量控制在0.010～0.030％。

本发明中Als含量在0.015～0.055％。钢中加入的Al主要用来脱氧，同时还能固定钢中的自由[N]，改善焊接热影响区的低温韧性。Al是建筑用钢明确要求添加的元素，一般要求Als≥0.015％，但过高的Al会使钢的焊接性能变坏。因此，Als含量控制在0.015～0.055％。

上述345MPa级高层建筑结构用钢板的生产方法，依次包括铁水脱硫预处理、转炉冶炼、LF和RH双精炼、板坯连铸、加热、控轧控冷、热矫直、空冷、正火热处理工序，其中：

在所述转炉冶炼工序中进行脱氧处理、合金化及含Nb合金的微合金化；

在所述LF和RH双精炼工序中，在LF精炼过程中喂入钛线以使钢水中Ti含量在目标范围内；

在所述控轧控冷工序中，控轧时采用宽厚板轧机进行精轧和粗轧两阶段轧制，粗轧末道次压下率≥15%，所述精轧开轧温度为840～860℃，所述精轧终轧温度为810～850℃；控冷时终冷温度为610～650℃，冷却速度为4～6℃/s；

在所述正火热处理工序中，正火温度为855～865℃，保温时间为15～25min。

在上述方法中，在所述铁水脱硫预处理工序中，可以采用本领域常规技术进行铁水的脱硫预处理。作为一种优选实施方式，在所述铁水脱硫预处理工序中，在铁水罐中采用喷吹镁粒进行铁水脱硫，铁水中硫含量的重量百分比控制在0.005%以下，温度不低于1250℃。示例性地，铁水中硫含量的重量百分比可以控制为0.005%、0.004%、0.003%或0.002%，铁水中硫含量越低越好，铁水温度可以为1250℃、1260℃、1270℃、1280℃、1290℃或1300℃。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述转炉冶炼工序中，采用单渣工艺冶炼，所述脱氧处理采用的脱氧剂为铝锰铁，加入量为2.0～2.5kg/t钢，示例性地，加入量可以为2.1kg/t钢、2.2kg/t钢、2.3kg/t钢、2.4kg/t钢，更优选地，所述转炉冶炼采用顶底复吹方式冶炼。所述单渣工艺是指从熔化到出钢均用同一渣到底而不换渣，它便于回收渣中的合金元素，而且还可以节约冶炼时间和造渣材料，降低电能消耗。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述LF和RH双精炼工序中，LF精炼采用白渣法操作，白渣保持时间大于10min，示例性地，所述白渣保持时间可以为11min、12min、13min、14min或15min；RH精炼采用本处理模式，纯脱气时间大于5min（比如6min、7min、8min、9min、10min），RH精炼结束后喂入钙铁线，并保证软吹时间大于10min（比如11min、12min、13min、14min、15min）。更优选地，所述白渣保持时间为11-14min，所述纯脱气时间为7-10min，所述钙铁线的喂入量为100～300m/炉钢，所述软吹时间为13-15min。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述板坯连铸中，连铸坯厚度为300mm，浇注过程中过热度≤25℃。示例性地，过热度可以为15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、22℃、23℃或25℃，更优选地，所述过热度为17-20℃。

在上述方法中，作为一种优选实施方式，在所述加热工序中，连铸坯加热到1180～1230℃，加热时间控制在320-360min。示例性地，连铸坯可以加热到1190℃、1198℃、1210℃、1215℃、1220℃、1223℃、1228℃或1230℃，加热时间可以为320min、325min、330min、335min、340min、345min、350min、355min或360min。更优选地，所述连铸坯加热到1220～1230℃，加热时间控制在330-355min。

在上述方法中，在所述控轧控冷工序中，所述粗轧末道次压下率示例性地可以为15%、15.5%、16%、17%、18%、18.5%、19%、20%，所述精轧开轧温度示例性地可以为840℃、845℃、846℃、849℃、852℃、855℃、858℃或860℃，所述精轧终轧温度示例性地可以为810℃、815℃、820℃、825℃、830℃、836℃、840℃、845℃或850℃，所述控冷时终冷温度示例性地可以为610℃、615℃、620℃、625℃、630℃、635℃、640℃、645℃或650℃，所述冷却速度示例性地可以为4℃/s、4.5℃/s、5℃/s、5.5℃/s或6℃/s。作为一种优选实施方式，在所述控轧控冷工序中，所述粗轧和精轧均采用四辊可逆式轧机，粗轧末道次压下率为15%-20%，精轧开轧温度控制为852～860℃，终轧温度为836～850℃；所述控冷采用水冷工艺，开冷温度控制在780～820℃，终冷温度615～620℃。

在上述方法中，在所述正火热处理工序中，所述正火温度示例性地可以为855℃、857℃、859℃、861℃或865℃，保温时间示例性地可以为15min、18min、20min、22min、24min或25min。作为一种优选实施方式，在所述正火热处理工序中，正火温度为859～861℃，保温时间为18～20min。

本发明通过添加适量的Nb、Ti微合金元素，并通过控轧控冷和正火处理生产出了具有低屈强比、良好韧性和抗层状撕裂性能的>80～100mm厚度高层建筑结构用钢板，可满足GB/T19897标准中Q345GJDZ35要求。

本发明生产方法中未提及的操作步骤均为本领域常规技术。

以上生产方法中的各种优选实施方式可以任意组合。

本发明同现有技术相比，具有如下有益效果：

1）本发明生产的钢板成分设计碳当量低，>80～100mm厚度钢板的碳当量Ceq≤0.42%，低于0.44%的国家标准要求，具有良好的焊接性能。

2）本发明生产的钢板综合性能良好，>80～100mm厚度钢板屈服强度在350～455MPa，抗拉强度530～600MPa，延伸率25～40%，强韧性良好；屈强比小于0.80，具有良好的抗震性能；-20℃V型缺口夏比冲击功≥90J，低温冲击韧性良好；Z向断面收缩率≥53%，抗层状撕裂性能良好。本发明的钢板适用于高层建筑结构、大跨度体育场馆、机场、会展中心、钢结构厂房等。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的高层建筑结构用钢板表面金属组织显微图；

图2是本发明实施例1提供的高层建筑结构用钢板1/4厚度处金属组织显微图；

图3是本发明实施例1提供的高层建筑结构用钢板1/2厚度处金属组织显微图。

具体实施方式

以下采用具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明并不限于此。

以下两个实施例中钢板的生产方法均依次包括铁水脱硫预处理、顶底复吹转炉冶炼、LF+RH双精炼、板坯连铸、加热、控轧控冷、热矫直、空冷、正火热处理工序。也就是说，生产方法为：铁水脱硫后进入转炉冶炼并脱氧及合金化处理，然后进入LF炉精炼调整成分，再进入RH精炼脱气并喂入钙铁线进行钙化处理，精炼后钢水由连铸机进行全程保护浇注，连铸坯缓冷后经加热、控轧控冷、热矫直后空冷，再进行正火热处理。下面通过实施例详细说明。需要指出的是，以下实施例中未详细提及的操作步骤均为本领域常规技术。

实施例1：100mm厚度Q345GJDZ35高层建筑用钢板的生产

本实施例钢的化学成分按重量百分比如下：C0.17%，Si0.32%，Mn1.46%，P0.014%，S.002%，Als（酸溶铝）0.030%，Nb0.041%，Ti0.020%，其余为Fe和残余的不可避免的杂质，碳当量为0.41%。碳当量按如下公式计算：CE（%）=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15，碳当量计算公式中各元素符号代表相应元素在钢板中的重量百分比含量。

其生产方法如下：

（1）铁水脱硫预处理

在铁水罐中采用喷吹镁粒进行铁水脱硫，脱硫后铁水中硫含量的重量百分比为0.004%，温度为1260℃，脱硫完毕扒净铁水表面的渣；

（2）转炉冶炼

上述脱硫除渣后的铁水入转炉冶炼，采用单渣工艺冶炼，采用铝锰铁脱氧，脱氧剂的吨钢加入量为2.1kg，在放钢四分之一时加入硅锰、高锰、铝锰铁、铌铁合金，钢水出至四分之三时加完；

（3）LF+RH双精炼

步骤（2）中得到的钢水首先进入LF炉精炼，先在LF精炼炉喂入钛线，使钢水中含Ti量在0.020％，采用白渣法操作，白渣保持时间12min；然后进入RH工位进行本处理，纯脱气时间为7min，RH精炼结束后再向钢水中喂入300m/炉钢钙铁线进行钙化处理，并软吹氩气14min，以去除钢中的杂质，提高钢水洁净度。

（4）板坯连铸

连铸坯规格为300mm×2000mm，浇注过程中过热度为17℃。

（5）连铸坯加热

将缓冷后的连铸坯在加热炉中加热至1228℃，加热时间为350min。

（6）板坯轧制及控冷

采用四辊可逆式宽厚板轧机对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧6个道次，末道次压下率15.6%，精轧开轧温度为860℃，终轧温度为850℃。轧后钢板进行水冷，开冷温度为780℃，终冷温度为617℃，冷却速度为4℃/s。

（7）热矫直

将水冷后钢板进行热矫直，确保板形。

（8）空冷

将热矫直后的钢板进行空冷，冷却至室温。

（9）正火热处理

将空冷后的钢板进行正火热处理，其中正火温度为860℃，保温时间为20min。

本实施例得到的高层建筑结构用钢经实验测定有关性能，其数据列于表1中，该钢板在不同厚度上的金相组织显微图参见图1-3，测试方法采用国际通用方法。从图1-3中可以看出，从表面到钢板中心均为铁素体+珠光体组织，表面晶粒度10级，1/2厚度处晶粒度为8.5～9级。

实施例2：82mm厚度Q345GJDZ35高层建筑用钢板的生产

本实施例钢的化学成分按重量百分比如下：C0.15%，Si0.35%，Mn1.43%，P0.012%，S0.003%，Als0.036%，Nb0.050%，Ti0.022%，其余为Fe和残余的微量杂质，碳当量为0.40%。

其生产方法除以下内容不同外，其他均与实施例1相同，不同之处在于：铁水中硫含量的重量百分比为0.005%，温度为1270℃；转炉冶炼时铝锰铁加入量为吨钢2.5kg；LF精炼时白渣保持时间在13min，RH精炼纯脱气时间为9min；连铸浇注过热度为20℃；铸坯在加热炉中加热至1223℃，加热时间为330min；粗轧末道次压下率为19%，精轧开轧温度为854℃，终轧温度为839℃，开冷温度为785℃，终冷温度为620℃，冷却速度为4℃/s；正火温度为860℃，保温时间为18min。

本实施例得到的高层建筑结构用钢经实验测定有关性能，其数据列于表1中，测试方法采用国际通用方法。

实施例3：100mm厚度Q345GJDZ35高层建筑用钢板的生产

本实施例钢的化学成分按重量百分比如下：C0.16%，Si0.38%，Mn1.51%，P0.008%，S0.002%，Als0.031%，Nb0.049%，Ti0.025%，其余为Fe和残余的微量杂质，碳当量为0.42%。

其生产方法除以下内容不同外，其他均与实施例1相同，不同之处在于：铁水中硫含量的重量百分比为0.003%，温度为1280℃；转炉冶炼时铝锰铁加入量为吨钢2.4kg；LF精炼时白渣保持时间在15min，RH精炼纯脱气时间为8min；连铸浇注过热度为18℃；铸坯在加热炉中加热至1227℃，加热时间为345min；粗轧末道次压下率为16%，精轧开轧温度为855℃，终轧温度为847℃，开冷温度为785℃，终冷温度为621℃，冷却速度为5℃/s；正火温度为860℃，保温时间为18min。

本实施例得到的高层建筑结构用钢经实验测定有关性能，其数据列于表1中，测试方法采用国际通用方法。

表1本发明钢的性能参数

表1中拉伸性能参数的测定方法参见《GB/T228金属材料室温拉伸试验方法》。

应当理解，这些实施例的用途仅用于说明本发明而非意欲限制本发明的保护范围。此外，也应理解，在阅读了本发明的技术内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动、修改和/或变型，所有的这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种345MPa级高层建筑结构用钢板的生产方法，其特征在于，依次包括铁水脱硫预处理、转炉冶炼、LF和RH双精炼、板坯连铸、加热、控轧控冷、热矫直、空冷、正火热处理工序，其中：

在所述铁水脱硫预处理工序中，在铁水罐中采用喷吹镁粒进行铁水脱硫，脱硫后铁水中硫含量的重量百分比为0.004％，温度为1260℃，脱硫完毕扒净铁水表面的渣；

在所述转炉冶炼工序中，脱硫除渣后的铁水入转炉冶炼，采用单渣工艺冶炼，采用铝锰铁脱氧，脱氧剂的吨钢加入量为2.1kg，在放钢四分之一时加入硅锰、高锰、铝锰铁、铌铁合金，钢水出至四分之三时加完；

在所述LF和RH双精炼工序中，所述转炉冶炼工序得到的钢水首先进入LF炉精炼，采用白渣法操作，白渣保持时间12min，喂入钛线，使钢水中含Ti量为0.020％；然后进入RH工位进行本处理，纯脱气时间为7min，RH精炼结束后再向钢水中喂入300m/炉钢钙铁线进行钙化处理，并软吹氩气14min，以去除钢中的杂质，提高钢水洁净度；

在所述板坯连铸中，连铸坯规格为300mm×2000mm，浇注过程中过热度为17℃；

在所述控轧控冷工序中，采用四辊可逆式宽厚板轧机对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧6个道次，末道次压下率15.6％，精轧开轧温度为860℃，终轧温度为850℃；轧后钢板进行水冷，开冷温度为780℃，终冷温度为617℃，冷却速度为4℃/s；

在所述空冷工序中，将热矫直后的钢板进行空冷，冷却至室温；

在所述正火热处理工序中，正火温度为860℃，保温时间为20min；

所述钢板按重量百分比由以下化学成分构成：C0.17％，Si0.32％，Mn1.46％，P0.014％，S.002％，Als0.030％，Nb0.041％，Ti0.020％，其余为Fe和残余的不可避免的杂质；

所述钢板的厚度为100mm。