CN103866188B

CN103866188B - 屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及生产方法

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Publication number: CN103866188B
Application number: CN201410124997.1A
Authority: CN
Inventors: 张开广; 童明伟; 陈颜堂; 范巍; 郭斌; 邹德辉
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: CN103866188A

Abstract

屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢，其组分及wt%：C：0.095~0.180%，Si：0.28～0.55%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.008%，S：≤0.002%，Nb：0.014~0.045%，Ti：0.004~0.030%，V：0.034~0.044%，Mo：0.09~0.29，W：0.06~0.12%，Mg：0.0080~0.0100%，Sn：0.08~0.13%，O：≤0.0016%；工艺：铁水脱硫；转炉冶炼；真空处理；铸坯加热；分段轧制；冷却；待用。本发明使用性能在满足GB/T？19879《建筑结构用钢板》要求的前提下，屈服强度不低于460MPa、屈强比≤0.80，耐火性能在600℃屈服强度不低于室温下的2/3，耐腐蚀性周浸腐蚀速率不超过0.45g/m²·h，同时满足耐火、耐腐蚀，抗震要求且性能优良。

Description

屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种抗震建筑用钢及其生产方法，具体属于一种屈服强度460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及其生产方法。

背景技术

高层钢结构建筑物快速发展，对用于制作柱、梁等结构件的钢板在强度、防火性能、耐腐蚀性能、抗震性能等方面均提出了新的要求。

一方面，使用高强度钢种可以完善结构用钢强度等级，避免因钢材厚度过大而在后续加工、焊接过程中产生质量问题，同时也可以减轻结构重量，降低建造成本，减少钢材浪费量，提高结构的可靠性。

另一方面，使用耐高温防火性能优良、抗震性能优良（即低屈强比）钢材，可减少因火灾、地震等因素对结构造成的损坏，延长人员疏散时间，减少生命财产损失，增加建筑物安全使用性能。

再一方面，使用耐腐蚀性能优良钢材，可以减少或免除因涂装、维护引起的昂贵费用，减少钢材因腐蚀而对结构造成安全隐患。

在此前，经检索，中国专利申请号CN201110080774.6文献公开了一种低成本高强高韧抗震耐火钢及其制备工艺。该钢种包含按重量百分比计的如下组分：C：0.05%~0.09%，Si：0.10%~0.30%，Mn：0.60%~1.00%，Mo：0.20%~0.40%，Cr＜0.10%，Cu＜0.10%，Ni＜0.10%，Nb：0.02%~0.04%，V：0.01%~0.04%，Ti：0.01%~0.04%，Al：0.02%~0.04%，N≤0.006%，P≤0.010%，S≤0.006%，以及Fe及杂质。其制备工艺包括依次进行的保温处理、两阶段轧制和冷却工序。发明钢种采用Mo+Nb合金体系，成分简单，贵合金元素含量少，合金成本低，且屈服强度高，抗震性能好，并具有良好冲击韧性，同时由于采用了先进的控制轧制和控制冷却技术，工艺成本也较低。该文献涉及钢种不具有良好的耐腐蚀性能，其Ti元素上限含量也超过我国现行建筑钢专用标准GB/T19879《建筑结构用钢板》要求的Ti≤0.03%。

中国专利申请号CN200910196233.2文献公开了一种耐候钢板，其按重量百分比计的组成为：C：0.06%~0.09%，Si：≤0.30%，Mn：1.10%~1.50%，P：≤0.015%，S：≤0.003%，Als：0.035%~0.065%，Cu：0.25%~0.50%，Ni：0.20%~0.50%，Cr：0.40%~0.70%，Mo：0.05%~0.15%，Ti：0.008%~0.018%，V：0.030%~0.060%，Nb：0.015%~0.030%，N≤0.0055%，Ca：0.001%~0.004%，选择性添加B：0.0004%~0.0010%，其余为铁和不可避免的夹杂。其制造方法包括：铁水深度脱硫→转炉冶炼→LF→RH→连铸→板坯下线精整→板坯定尺火切→加热→TMCP→钢板缓冷。这样得到的耐候钢板具有强韧性和强塑性匹配、低屈强比、耐大气腐蚀性、优良焊接性及抗疲劳性能，特别适宜于用做无涂装高层建筑结构、桥梁结构。该文献涉及钢种强度为490MPa级，钢中元素组成关系限定复杂，含有较多的Cu、Cr、Ni贵重元素，也不具有明显的耐火性能，且钢板轧制后需在300℃保温至少24小时，这无疑延长了生产时间，增加了工序成本，不利于大规模生产。此外，该钢种Cu元素上限含量超过GB/T19879《建筑结构用钢板》要求的Cu≤0.30%，而且钢中P含量较高，含有马氏体组织，由于马氏体为不稳定组织，其对钢板延伸、弯曲、冲击韧性均可造成不利影响。

中国专利申请号CN200810041727.9文献公开了一种高强度高韧性低屈强比钢，提供了一种高强度高韧性低屈强比钢，其化学成分包含：C：0.05～0.12%、Si：0.15～0.50%、Mn：1.0～1.5%、P≤0.025%、S≤0.015%、Cu：0.20-0.50%、Ni≤0.25%、Nb：0.015-0.050%、V：0.015～0.045%、Ti：0.010-0.050%、Cr≤0.55%、Mo≤0.30%、Al：0.015-0.05%、余量为Fe及不可避免的杂质。该发明生产方法包括真空冶炼、铸坯、加热、轧制、水冷回火，其钢板屈服强度≥460MPa，屈强比≤0.80，同时具有良好的低温冲击韧性和焊接性，适用于钢结构高层建筑及其它要求低屈强比的大型钢结构领域。该文献涉及钢种化学成分中Cu含量较高，不符合GB/T19879《建筑结构用钢板》要求的Cu≤0.30%，且不同时具有耐火耐腐蚀性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种使用性能满足GB/T19879《建筑结构用钢板》要求的前提下，屈服强度不低于460MPa、屈强比≤0.80，耐火性能在600℃屈服强度不低于室温下的2/3，耐腐蚀性周浸腐蚀速率不超过0.45g/m²·h的屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及生产方法。

本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的的起影响或者关键作用的合金元素及工艺进行了深入的研究其结果，为了即使在保证满足GB/T19879《建筑结构用钢板》的前提下，还能实现屈服强度不低于460MPa、屈强比≤0.80，耐火性能在600℃屈服强度不低于室温下的2/3，耐腐蚀性周浸腐蚀速率不超过0.45g/m²·h，因此提出了采用在成分方面主要是采用了W、Mg及Sn元素：经过Mg处理的铝脱氧钢在夹杂物总数和单位面积上夹杂物个数都远远小于经过Ca处理的铝脱氧钢中夹杂物总数和单位面积上夹杂物个数；用Mg处理铝脱氧钢在控制钢液总氧含量方面优于单独用铝脱氧的钢。此外，Mg溶解可以提高PH值，能够抑制因铁溶解而引起的局部阳极上的水解反应造成的PH值降低，即抑制腐蚀反应，提高耐蚀性。W元素可以提高腐蚀的均匀性，抑制局部腐蚀。此外，W也是提高钢板高温强度最有效的元素，用于取代部分Mo的含量，降低成本；Sn元素能提高干湿反复环境下的耐全面腐蚀性能，并提高耐酸腐蚀性，此外，还具有海水飞沫环境下在PH值降低时提高耐腐蚀性的效果。其次还采用了严格限定P及S，尤其是S元素，以提高钢的洁净度而提高钢的耐腐蚀性能。成分的优化，还需要匹配的工艺才行，因此，本申请经研究，工艺方面主要采取了特殊的合金冶炼添加技术，结合真空处理时间分步骤完成Sn、Mg等元素的添加。控制铸坯加热、轧制等各阶段温度，对轧制各阶段温度、压下率进行合理分配，保证钢板获得良好的综合性能。

屈服强度为4600MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.095~0.180%，Si：0.28～0.55%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.008%，S：≤0.002%，Nb：0.014~0.045%，Ti：0.004~0.030%，V：0.034~0.044%，Mo：0.09~0.29，W：0.06~0.12%，Mg：0.0080~0.0100%，Sn：0.08~0.13%，O：≤0.0016%，其余为Fe及不可避免的夹杂；性能：R_eH≥460MPa，屈强比≤0.80，耐火性能：600℃屈服强度不低于室温下的2/3，耐腐蚀性周浸腐蚀速率不超过0.45g/m²·h。

优选地：S的重量百分比含量不超过0.001%。

生产屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢的方法，其步骤：

1）进行铁水脱硫，并控制铁水中S≤0.001%；

2）进行转炉冶炼，并控制钢水中C：0.095~0.180%，P≤0.008%；

3）在RH炉中进行真空处理：真空处理总时间不低于16min；在真空处理进行到6分钟时一次性加入Sn，其加入量以使其满足含量在0.08~0.13%；在真空处理结束前5分钟时一次性加入Mg元素，其加入量以使满足Mg在0.0080~0.0100%；并控制真空炉钢液中的O≤0.0016%；

4）常规连铸并对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1200～1350℃；

5）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1080～1195℃，并控制此轧制阶段前三道次每道次压下率不低于6%；控制精轧开轧温度960~1000℃，精轧终轧温度在770～880℃，最后三道次累计压下率不低于30%；

6）进行冷却，控制钢板返红温度≤750℃；

7）待用。

本发明主要化学成分限定理由如下：

C是提高钢材强度最有效的元素，碳含量的增加钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但延伸率和冲击韧性下降，耐腐蚀能力也会下降，而且钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。为保证钢板获得良好的综合性能，本发明钢碳元素含量设计为0.095～0.180%。

Si能改善钢的耐腐蚀性能，常被添加到不锈钢、低合金钢、耐蚀合金中，以提高这些合金的耐蚀性，使它们具有耐氯化物应力腐蚀破裂、耐点蚀、耐热浓硝酸腐蚀、抗氧化、耐海水腐蚀等性能。研究表明，在湿热大气环境中，Si能明显改善碳钢和低合金钢的耐大气腐蚀性能，另外，Si还能提高低合金钢在海水中飞溅带的耐蚀性。本发明钢的Si含量设计为0.28~0.55%。

Mn是重要的强韧化元素，随着Mn含量的增加，钢的强度明显增加，而冲击转变温度几乎不发生变化。含1%的Mn大约可提高抗拉强度100MPa，同时，Mn稍有提高钢的耐大气腐蚀性能的效果。本发明钢力学性能要求较高，综合钢的耐腐蚀性能，本发明钢将Mn含量设计为1.40~1.60%。

P、S是钢中的杂质元素。P具有一定的提高耐腐蚀性作用，但P是一种易于偏析的元素，在钢的局部产生严重偏析，降低塑性及韧性，对低温韧性极为有害。S元素在钢中易于偏析和富集，是对耐腐蚀性能用害的元素。本发明钢，在冶金质量方面严格控制了硫、磷含量水平，即P≤0.008%，S≤0.002%，优选的S：≤0.001%，以满足钢种对纯净度、冲击韧性、焊接性能以及耐腐蚀性能的要求。

Nb、Ti是两种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在钢板轧后冷却的过程中析出碳氮化合物，提高钢板强度。同时，由于析出物熔解温度较高，能够提高钢板在600℃的强度，提高耐火性能。本发明将Nb、Ti元素含量控制为Nb：0.014~0.045%、Ti：0.004~0.030%。

V是一种相当强烈的碳化物形成元素，它可以通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化来提高钢材的强度。此外在钢中，当V的质量分数低于0.1%时，随着V含量的增加，钢的韧脆转变温度降低。当V的质量分数超过0.1%时，V含量增加，韧脆转变温度反而升高。在含Si、Mn的钢中，加入少量的V就可以明显减轻这两种元素对晶粒长大和提高韧脆转变温度的影响。V与Nb复合添加时，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性。本发明V元素含量0.034~0.044%。

Mo、W元素可以提高腐蚀的均匀性，抑制局部腐蚀。此外，Mo、W也是提高钢板高温强度最有效的元素。尤其是Mo元素，通常其含量越高，其高温强度越高，但Mo元素成本较高，过量可引起焊接性能下降，因此，本发明将Mo、W含量分别控制为：Mo：0.09~0.29%、W：0.06~0.12%。

Mg是一个金属活泼性特别强、熔点和沸点都比较低的碱土金属。在钢中有着脱硫、脱氧、减少夹杂物分布及改变夹杂物形状的作用，经过Mg处理的铝脱氧钢在夹杂物总数和单位面积上夹杂物个数都远远小于经过Ca处理的铝脱氧钢中夹杂物总数和单位面积上夹杂物个数；用Mg处理铝脱氧钢在控制钢液总氧含量方面优于单独用铝脱氧的钢。此外，Mg溶解可以提高PH值，能够抑制因铁溶解而引起的局部阳极上的水解反应造成的PH值降低，即抑制腐蚀反应，提高耐蚀性。本发明钢Mg含量控制在0.008~0.0100%范围，O含量控制为≤0.0016%。

Sn元素可以提高干湿反复环境下的耐全面腐蚀性能，并提高耐酸腐蚀性。此外，还具有海水飞沫环境下在PH值降低时提高耐腐蚀性的效果。本发明将其含量分别选择为Sn：0.08~0.13%。

本发明的与现有技术相比，其使用性能在满足GB/T19879《建筑结构用钢板》要求的前提下，屈服强度不低于460MPa、屈强比≤0.80，耐火性能在600℃屈服强度不低于室温下的2/3，耐腐蚀性周浸腐蚀速率不超过0.45g/m²·h，同时满足耐火、耐腐蚀，抗震要求且性能优良。成本相对较低。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的描述：

表1为本发明各实施例及对比例的化学组分及重量百分含量列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表；

表3为本发明各实施例及对比例的力学、耐火、耐腐蚀性能检测结果列表。

本发明各实施例是根据以下工艺步骤进行生产：

1）进行铁水脱硫，并控制铁水中S≤0.001%；

2）进行转炉冶炼，并控制钢水中C：0.095~0.180%，P≤0.008%；

6）进行冷却，控制钢板返红温度≤750℃；

7）待用。

表1本发明各实施例及对比例的化学组分及wt%

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数

表3本发明各实施例及对比例的的力学性能检测结果

注：表3中的耐腐蚀性能是通过周浸腐蚀试验264h后的质量损失评定，具体腐蚀试验条件：

试验溶液：1.0×10^-2mol/LNaHSO₃；

补给溶液：2.0×10^-2mol/LNaHSO₃；

试验温度：45±2℃；

相对湿度：70±5%；

周浸轮转速：1圈/60分钟。

从表3中可以看出，本发明能同时满足耐火、耐腐蚀，抗震要求且性能优良。

实施例仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims

1.屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.095~0.14%或0.176~0.180%，Si：0.28%或0.51～0.55%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.008%，S：≤0.002%，Nb：0.014~0.021%，Ti：0.004或0.027~0.030%，V：0.034~0.044%，：0.09~0.29%，W：0.06~0.12%，Mg：0.0083~0.0095%，Sn：0.08~0.13%，O：≤0.0016%，其余为Fe及不可避免的夹杂；性能：R_eH≥460MPa，屈强比≤0.80，耐火性能：600℃屈服强度不低于室温下的2/3，耐腐蚀性周浸腐蚀速率不超过0.45g/m²·h。

2.如权利要求1所述的屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢，其特征在于：S的重量百分比含量不超过0.001%。

3.生产权利要求1所述的屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢的方法，其步骤：

1）进行铁水脱硫，并控制铁水中S≤0.001%；

2）进行转炉冶炼，并控制钢水中C：0.095~0.180%，P≤0.008%；

5）进行分段轧制：控制粗轧开轧温度在1080～1195℃，并控制此轧制阶段前三道次每道次压下率不低于6%；控制精轧开轧温度960~1000℃，精轧终轧温度在770～783℃或861~880℃，最后三道次累计压下率不低于30%；

6）进行冷却，控制钢板返红温度545~548℃或708~750℃；

7）待用。