CN103981459A - 一种高强度耐火抗震结构钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种高强度耐火抗震结构钢，其组分及wt%：C：0.04~0.09%，Si：0.18~0.52%，Mn：1.50~1.70%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Nb：0.045~0.07%，Ti：0.015~0.03%，Als：0.025~0.06%，Cr：0.3~0.45%，Mo：0.1~0.2%，W：0.05~0.2%，Cu：0.2~0.45或Ni：0.15~0.25中一种或复合添加，且复合添加时满足0.32≤Cu/3Ni≤0.84；生产步骤：冶炼并浇铸成坯；对铸坯加热并常规保温；粗轧；精轧；层流冷却；自然冷却到室温。本发明采用TMCP状态交货，无需复杂热处理工艺，屈服强度≥580MPa，抗拉强度：710~830MPa，延伸率A≥25%，-20℃KV2≥180J以及屈强比<0.8，可广泛应用于高层、超高层同时要求高强度及抗震性能的建筑工程钢结构。

Description

一种高强度耐火抗震结构钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种建筑用钢及其生产方法，具体地属于一种高强度耐火抗震结构钢及其生产方法。 

背景技术

现代建筑物向高层化和大型化发展，建筑耐火性能越来越受到重视，对建筑结构用材料的性能提出了更高的要求。早期采用耐火材料涂覆在钢材上进行保护，但采用防火涂层有许多的不利因素，如延长工期、增加成本、影响美观，甚至危害工人的身体健康。随着近年来，地震频发，钢材的抗震性能备受瞩目。高强度低屈强比，既保证了工程建造的要求，又确保了钢材具有较高的安全性。 

现有技术中有关于屈服强度550MPa级别钢以及耐火抗震钢有许多报道，经检索： 

公开号为CN101353759A的文献和公开号为CN102191430A的文献，分别公开了屈服强度550MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法和屈服强度550MPa易焊接高强韧钢板及其制作方法，两发明中所述钢板虽然都具有较低的Pcm值，焊接性能优异，但钢的屈强比均高于0.85，即抗震性能较差，且两发明所述钢板延伸率最高分别为21%和19%，钢板延性较差。

公开号为CN102011068A的文献，公开了一种800MPa级低屈强比结构钢板及其生产方法。该发明钢采用TMCP+回火工艺，生产出的轧态钢板屈强比均不低于0.85，抗震性能较差，延伸率低于14%，虽然回火后屈强比和延伸率改善，但延伸率仍然不足20%，且回火热处理会使生产方法周期长，增加能耗，增加生产成本。 

公开号为CN102952994A的文献，公开了耐火抗震建筑用钢及其生产方法，该发明钢公布了屈服强度为235MPa级别到420MPa耐火抗震建筑用钢的生产方法，虽然屈强比不超过0.75即抗震性能良好，但是发明钢的强度级别较低，获得低屈强比难度不大，并且0℃冲击性能不超过150J，韧性一般。 

公开号为CN102181792A的文献，公开了低成本高强韧抗震耐火钢及其制备工艺，该发明钢采用控轧控冷工艺，生产出460MPa级别钢，屈强比低于0.8。该发明在强度级别上不具有优势，虽然发明钢0℃冲击性能不低于170J，但是该钢板在-20℃低温环境的表现未知，限制其使用范围。 

上述文献中，均未能提供同时具有高强度、低屈强比、低温韧性优异、延伸率高的钢板的生产方法。随着强度的提高，钢板的延伸率会下降，对屈强比的控制难度也会上升。为了获得低的屈强比，上述文献主要通过热处理来实现，但热处理会产生能耗，增加生产成本同时还延长生产周期。 

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种屈服强度≥580MPa，抗拉强度：710~830MPa，延伸率A≥25%，-20℃KV2≥180J以及优良的抗震性能，即屈强比<0.8，且无需进行热处理的高强度耐火抗震结构钢及生产方法。 

实现上述目的的措施： 

一种高强度耐火抗震结构钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04~0.09%，Si：0.18~0.52%，Mn：1.50~1.70%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Nb：0.045~0.07%，Ti：0.015~0.03%，Als：0.025~0.06%，Cr：0.3~0.45%，Mo：0.1~0.2%，W：0.05~0.2%， Cu：0.2~0.45或Ni：0.15~0.25中一种或复合添加，且复合添加时满足0.32≤Cu/3Ni≤0.84，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.22%；3.33≤W/Ti≤6.8：金相组织为铁素体+贝氏体或铁素体+珠光体+贝氏体，且铁素体所占比例为10~15%。

生产一种高强度耐火抗震结构钢的方法，其步骤： 

1）冶炼并浇铸成坯；

2）对铸坯加热并常规保温，均热温度控制在1180~1230℃，最高加热温度不超过1280℃，加热速率为8~12min/cm；

3）进行粗轧，高压水除磷，控制其结束温度在1030~1070℃，道次压下量大于25mm；

4）进行精轧：采用8道次轧制；控制其终轧温度为810~870℃，累计压下率大于75%，末三道次压下率大于40%；

5）进行弛豫，弛豫时间为10~15s；

6）进行层流冷却，控制开冷温度在730~810℃，返红温度在360~480℃；

7）自然冷却到室温。

本发明中各元素的作用 

C是提高钢材强度最有效的元素，随着碳含量的增加，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，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。当C含量低于0.04%时，强度指标达不到要求，当C含量高于0.09%时，焊接性能恶化。因此，本发明C选择在0.04~0.09%。

Si是炼钢脱氧的必要元素，能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，但Si含量高，会降低钢的韧性，对焊接性能也不利。当Si含量低于0.18%时，强度性能低于标准要求，当Si含量为0.52%时，Pcm值已较接近标准要求的上限。因此，本发明Si选择在0.18~0.52%。 

Mn是重要的强韧化元素，且成本低廉，随着Mn含量的增加，钢的强度明显增加，改善钢的加工性能，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。但Mn含量较高时，会抑制铁素体转变量很少，钢的屈服强度将急剧升高，不利于屈强比控制。当Mn含量低于1.50%时，强度不够，当含量高于1.7%时，屈强比会超过0.8。因此，本发明Mn选择在1.50~1.70%。 

P、S是钢中难以避免的有害杂质元素。高P会导致偏析，影响钢组织均匀性，降低钢的塑性；S易形成硫化物夹杂对低温韧性不利，且会造成性能的各向异性，同时严重影响钢的应变时效。因此，应严格限制钢中的P、S含量，本发明P控制在≤0.015%， S控制在≤0.010%。 

Nb是强碳氮化物形成元素，在钢中起着十分显著的作用。它可以形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大。在轧制过程中，可以提高再结晶温度，抑制奥氏体的再结晶，保持形变效果从而细化铁素体晶粒，提高了钢的强度和韧性。Nb在铁素体中沉淀析出，提高强度的同时又可以在焊接过程中阻止热影响区晶粒的粗化等。但大量的Nb容易产生晶间裂纹。当Nb含量低于0.045%时，细化晶粒程度微弱，当含量为0.07%晶粒作用达到最大，继续添加晶粒细化程度变化不大，且增加成本。因此，本发明Nb选择在0.045~0.07%。 

Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的TiN、Ti（CN）等粒子非常稳定，能有效地钉扎晶界，阻止γ晶粒长大，因而起到细化晶粒的作用，它能显著提高钢的室温强度、高温强度和钢的韧性。但Ti含量过高，钢的强度增加，塑性、韧性却会降低。当Ti含量低于0.015%时，细化晶粒效果不明显，当含量高于0.03%时，冲击韧性下降。因此，本发明Ti选择在0.015~0.03%。 

Als常作为脱氧元素加入钢中。Als和N也有较强的亲和力，能固定钢中N的作用，能降低钢的应变时效敏感性，并通过晶粒细化作用提高钢的强度和低温韧性。但当Als含量较高时，易使Al氧化物夹杂物增加，降低钢的冲击韧性，对钢的耐大气腐蚀性能也不利。因此，本发明Als选择在0.025~0.06%。 

Cr能高钢的强度和硬度，加入其他合金元素时，效果较显著。Cr可以减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，但亦增加钢的回火脆性倾向。但Cr含量过高时，会降低基材和热影响区的韧性。Cr含量低于0.3%时，强度提升效果不明显，当含量高于0.45%时，Pcm值会超过要求。因此，本发明Cr选择在0.3~0.45%。 

Mo是钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中，它是缩小奥氏体相区的元素。对铁素体有固溶强化作用，能提高碳化物的稳定性，从而提高钢的强度，同时Mo对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用。此外，Mo还可以提高钢的淬透性和回火稳定性，Mo作为单一合金元素存在时，增加钢的回火脆性；与Cr、Mn等并存时，Mo又降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性。但过高的Mo含量会恶化钢的低温韧性和焊接性能。当Mo含量低于0.1%时，改善钢的延性和韧性效果不明显，当含量高于0.2%时，低温韧性会变差，且焊接性能变差。因此，本发明Mo选择在0.1~0.2%。 

W能与钢中碳化合形成碳化物，还能部分溶于铁中形成固溶体。W能增加钢的回火稳定性、红硬性和热强性。由于在加热和保温过程中，W的特殊碳化物不易全部溶解，而残存若干微小颗粒，这些颗粒组织晶粒长大，因此能有效降低钢的过热敏感性。但W含量超过一定限度时，会大量形成W的碳化物，影响钢的韧性。W含量低于0.05时，增加热强性效果不明显，若超过0.2%，钢的韧性指标下降明显。因此，本发明W选择在0.05~0.2%。 

本发明钢板通过Nb、Ti合金化，细化晶粒，加入Cr、Mo合金增加钢板淬透性和提高回火稳定性，加入W增加其热强性，保证了高强度、低温韧性优良和耐火性能。通过控制驰豫时间，控制铁素体和贝氏体的比例，使钢板具有低屈强比的特点，获得优异的抗震性能，且无需热处理，降低了能耗，节约成本，缩短了生产周期。 

本发明与现有技术相比，采用TMCP状态交货，无需复杂热处理工艺，工艺简单、生产的周期短；且屈服强度≥580MPa，抗拉强度：710~830MPa，延伸率A≥25%，-20℃KV2≥180J以及优良的抗震性能，即屈强比<0.8，可广泛应用于高层、超高层同时要求高强度及抗震性能的建筑工程钢结构。 

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述： 

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产： 

1）冶炼并浇铸成坯；

2）对铸坯加热并常规保温，均热温度控制在1180~1230℃，最高加热温度不超过1280℃，加热速率为8~12min/cm；

3）进行粗轧，高压水除磷，控制其结束温度在1030~1070℃，道次压下量大于25mm；

4）进行精轧：采用8道次轧制；控制其终轧温度为810~870℃，累计压下率大于75%，末三道次压下率大于40%；

5）进行弛豫，弛豫时间为10~15s；

6）进行层流冷却，控制开冷温度在730~810℃，返红温度在360~480℃；

7）自然冷却到室温。

表1    本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%） 

表2   本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3   本发明各实施例及对比例的力学性能对比列表

从表3可以看出，本发明钢板进行常温拉伸实验性能，-20℃纵向冲击试验，并与对比钢对比发现，整体而言，本发明钢屈服强度和抗拉强度均优于对比钢，且屈强比均低于对比钢，说明本发明钢具有更优异的抗震性能；本发明钢延伸率A高于对比钢且均不低于25%，体现出良好的塑韧性。本发明-20℃冲击功值较高在220J以上。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。 

Claims (2)

1.一种高强度耐火抗震结构钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04~0.09%，Si：0.18~0.52%，Mn：1.50~1.70%，P：≤0.015%，S：≤0.010%，Nb：0.045~0.07%，Ti：0.015~0.03%，Als：0.025~0.06%，Cr：0.3~0.45%，Mo：0.1~0.2%，W：0.05~0.2%， Cu：0.2~0.45或Ni：0.15~0.25中一种或复合添加，且复合添加时满足0.32≤Cu/3Ni≤0.84，其余为Fe及不可避免的杂质；同时满足Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.22%；3.33≤W/Ti≤6.8：金相组织为铁素体+贝氏体或铁素体+珠光体+贝氏体，且铁素体所占比例为10~15%。

2.生产如权利要求1所述的一种高强度耐火抗震结构钢的方法，其步骤：

1）冶炼并浇铸成坯；

2）对铸坯加热并常规保温，均热温度控制在1180~1230℃，最高加热温度不超过1280℃，加热速率为8~12min/cm；

3）进行粗轧，高压水除磷，控制其结束温度在1030~1070℃，道次压下量大于25mm；

4）进行精轧：采用8道次轧制；控制其终轧温度为810~870℃，累计压下率大于75%，末三道次压下率大于40%；

5）进行弛豫，弛豫时间为10~15s；

6）进行层流冷却，控制开冷温度在730~810℃，返红温度在360~480℃；

7）自然冷却到室温。