CN104313486A - 耐大气腐蚀用钢及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种耐大气腐蚀用钢及其生产工艺，它的化学成分按质量百分数计为：C：0.07～0.09％、Si：≤0.30％、Mn：0.40～0.80％、P：0.035～0.060％、S：≤0.003％、O：0.0040～0.0060％、Cr：0.45～0.85％、V：0.02～0.04％、Cu：0.20～0.40％、Ni：0.08～0.15％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。本发明的耐大气腐蚀用钢具有高强度、高塑韧性以及良好的焊接性能，同时保证了良好的耐腐蚀性能。本发明耐大气腐蚀用钢成分不包括贵金属，采用转炉连铸+控轧控冷工艺生产，具有成本低廉，制造工序简单等优点，有很强的实用性。

Description

耐大气腐蚀用钢及其生产工艺
技术领域
本发明属于低合金耐腐蚀钢生产工艺领域，具体是指一种耐大气腐蚀用钢及其生产工艺。
背景技术
在耐大气腐蚀钢的开发中，国内外普遍的做法是在钢中加入一定量的耐蚀元素，如Cr、P、Ni、Mo、Cu等，同时尽量降低钢中的有害元素S。耐腐蚀性基本上是靠上述耐蚀元素起的作用，但是上述合金元素价格昂贵，特别是Ni、Mo等元素，非常贵重，增加了成本。并且，出于对耐腐蚀性能和外形美观的需要，对于桥梁、建筑工程结构，大多涂装使用，增加了经济成本，也限制了耐大气腐蚀用钢的大量使用。目前，国内用于修建公路桥梁和铁路桥梁的用钢量每年大约在400万吨左右。但是耐大气腐蚀桥梁钢很少，免涂装应用的耐大气腐蚀用钢则根本没有。
随着资源节约型和环境友好型两型社会的发展要求，涂装对环境带来的影响越来越受到社会的关注和限制。促使长寿命材料的发展。而免涂装的耐大气腐蚀用钢的经济和耐候的特点，正符合社会发展的需求，在略增加成本或者不增加成本的基础上，其市场潜力很大，需求量会越来越大。
基于上述思路，开发经济型的、可免涂装的新型耐大气腐蚀用钢，意义重大。同时，开展可免涂装耐大气腐蚀用钢的研究，不仅对环境和社会的发展极为有利，也会成为企业发展新的经济增长点。
现有技术中，申请号为CN200910196233.2的中国发明专利公开了一种耐候厚钢板及其制造方法。其组分及含量为C:0.06～0.09、Mn:1.10～1.50、Si≤0.30、Cr:0.40～0.70、Ni:0.20～0.50、Cu：0.25～0.50、Mo:0.05～0.15、Ti:0.008～0.018、P≤0.015、S≤0.003、Als:0.035～0.065，选择性添加B：0.0004～0.0010。采用转炉冶炼、LF炉精炼、连铸、TMCP轧制等工艺生产一种强韧性匹配、低屈强比、耐大气腐蚀，特别适宜用作无涂装高层建筑、桥梁结构的耐候厚钢板。该钢通过添加较高的Ni、Mo、Cr等贵重合金元素来保证钢的耐大气腐蚀性能，而不是适量保证钢中的氧含量来提高钢的耐腐蚀性能。同时，为保证该钢的力学性能(强度和韧性)，要求较低的P含量，这会影响钢的耐腐蚀性能。
申请号为CN200910048288.9的中国发明专利公开了一种高性能建筑结构用钢及其制造方法、申请号为CN201010113848.7的中国发明专利公开了一种耐候钢板及其制造方法、申请号为CN200810013482.9的中国发明专利公开了一种桥梁用结构钢及其制造方法、申请号为CN200910312332.2的中国发明专利公开了一种耐候桥梁用高强度钢板及其制造方法。它们的设计组分中均采取添加较高含量的Ni、Mo、Cr等贵重合金元素来保证钢的耐大气腐蚀性能，成本过高。
日本NKK公司开发出具有高强度高韧性和良好焊接性能的耐候钢板“SMA570W—EX/一EG”，该钢在桥梁上应用可不用涂层保护，从而减少涂层维护。其化学成分为：C:0.08、Mn:0.85～1.10、Si：0.21、Cr:0.57、Ni:0.15～0.23、Cu：0.35、P:0.005～0.015、S:0.002。该钢含有较高的Cu、Ni合金元素，经济成本增加。另外，其P含量要求较低，耐候性仅靠Cu、Cr、Ni等元素保证，耐腐蚀性不够。
发明内容
本发明的目的是根据现有技术的不足提供一种耐大气腐蚀用钢及其生产工艺，本发明的耐大气腐蚀用钢通过保证适当的氧含量来提高钢的耐腐蚀性能，成本低，耐腐蚀性好。
本发明的技术方案如下：、一种耐大气腐蚀用钢，它的化学成分按质量百分数计为：C：0.07～0.09％、Si：≤0.30％、Mn：0.40～0.80％、P：0.035～0.060％、S：≤0.003％、O：0.0040～0.0060％、Cr：0.45～0.85％、V：0.02～0.04％、Cu：0.20～0.40％、Ni：0.08～0.15％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
优选的，该耐候钢的耐腐蚀性指数I≥6.2，其中：
I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2。
一种上述耐大气腐蚀用钢的生产工艺，其步骤包括：
(1)转炉冶炼：控制炉渣碱度在2.5～3.3之间，冶炼终点碳含量控制在0.04％以内，出钢目标温度1700～1720℃，冶炼全程控制底吹在0.03Nm3/min·t以下，冶炼终点保证钢中溶解氧在900ppm以上；
(2)出钢过程中依次加入硅铁、锰铁、钒铁，完成弱脱氧及初步合金化；
(3)钢水精炼：采用轻处理模式，真空度保持在500Pa以上，处理时间在6分钟以内，保证处理结束O含量在0.0040～0.0060％的范围；
(4)连铸：保护浇注，典型拉速0.8±0.05m/min；
(5)加热：钢坯加热温度1220±20℃，均热时间≥30min，钢坯出炉温度1200±20℃；
(6)控轧：粗轧开轧温度≥1090℃，终轧温度≥980℃；精轧开轧温度≤980℃，终轧温度780～860℃；
(7)控冷：控制钢的冷却速度在5～15℃/s。
优选的，所述步骤(3)中通过RH真空处理钢水，处理开始后迅速进行成分微调，确保C、Mn、S、Cu、Cr、Ni元素的含量要求达到目标值。
优选的，所述步骤(4)中采用辊式电磁搅拌和液芯末端轻压下，保证铸坯内外部质量。
以下详述本发明中化学成分限定量的理由：
本发明的C含量选择在0.07～0.09％，钢中含碳量增加，屈服强度和抗拉强度升高，塑韧性降低，焊接性能降低。碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。碳含量提高可使钢中阴极性组分增加，降低钢的耐蚀性。但是碳超过0.09％，钢的腐蚀性增加。因此，我们选取碳含量为0.07～0.09％。
本发明的Si含量选择在0.20～0.30％，在炼钢过程中，硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15～0.30％的硅。硅作为合金元素，一般超过0.50-0.60％。硅与磷的配合可提高钢的耐大气腐蚀性能，硅与铜、铬的配合可改善耐海洋大气腐蚀性能的效果。在高氧钢中，由于硅容易形成硅酸盐夹杂，对耐蚀性不利。因此选取硅含量为0.20～0.30％。
本发明的Mn含量选择在0.40～0.80％，在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30～0.50％。在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，较一般钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。锰量增高，降低焊接性能。锰腐蚀后在锈层中容易溶解流失，导致锈层疏松，为不耐蚀元素。综合考虑，我们选取锰含量为0.40～0.80％。
本发明的P在0.035～0.060％，在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏。通常要求钢中含磷量小于0.045％，优质钢要求更低些。磷的存在能抑制铁的阳极溶解，因此是提高钢耐大气腐蚀性能最有效也是最廉价的元素，实践证明，提高钢中磷含量，可有效提高钢的耐蚀性。考虑到磷含量提高会降低钢的韧性，我们选取磷含量为0.020～0.040％。
S与Mn易形成MnS夹杂，对低温韧性十分不利。S是钢中非金属夹杂物的主要形成元素。非金属夹杂物在钢中的总量虽然很少，但对钢的影响却很大。夹杂物的存在，不利于钢的韧性、延伸率和断面收缩率，而且容易引起应力集中造成疲劳裂纹，导致钢的抗疲劳性能降低，控制钢中S元素含量，降低非金属夹杂物水平，生产非金属夹杂物少的洁净钢，对于保证本发明钢的性能显得尤为重要。本发明钢的S≤0.003％。
铜能提高强度和韧性。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.50％塑性和焊接性能显著降低。铜是耐腐蚀钢中耐蚀作用最为突出的合金元素，无论在工业大气、海洋大气或农村大气中，含铜钢的耐蚀性能比普通碳钢都有不同程度的提高。越是潮湿的大气，铜钢的耐蚀性越明显。铜是提高锈层保护性能元素，善于和硫(钢中硫和大气中硫)反应，生成难溶的硫化物，起到对基体的保护。因此选取铜含量0.20～0.40％。
镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。但是镍是贵重合金元素。镍一般认为是耐大气腐蚀的有效元素，从试验钢的力学性能及耐腐蚀性能考虑，选取镍含量0.08～0.15％。
钢中氧可与氧亲合力强的元素生成氧化物夹杂，降低钢的力学性能；同时钢中氧过高，会在铸坯表层下形成气泡，造使钢板表面变坏。但是，另一方面，钢中氧含量提高，可提高钢的热力学稳定性，增加钢的耐蚀性，因此，本发明选取氧含量0.0040-0.0060％，
本发明的Cr含量选在0.45～0.85％，Cr是有效提高钢板强度的元素，也是提高钢板淬透性的元素。钢中同时存在Cu、Cr时，钢的耐腐蚀性能提高。当环境存在Cl-离子时(海洋环境或因积雪撒盐的环境)，提高Cr的含量有助于减缓钢的腐蚀速率。
本发明的V含量在0.02～0.04％，V是一种相当强烈的碳化物形成元素，适量的V具有明显的沉淀析出强化作用。但V含量过高，沉淀强化作用显著，但基材和热影响区韧性变差。适量的V可以提高钢材的热稳定性，可以改善钢的耐腐蚀性能。
同时上述化学成分还必须满足：
I≥6.2，其中I为26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2。I指数是耐候钢的典型指标，一般情况下，钢的I指数≥6.0时，钢即属于耐候钢。
本发明的耐大气腐蚀用钢具有高强度、高塑韧性以及良好的焊接性能，ReL≥355MPa，Rm：490～630MPa，A≥22％，-40℃KV2≥100J。同时保证了良好的耐腐蚀性能，平均腐蚀深度≤0.030mm/a。在不易维护的偏远山区、乡村以及工业性气候的城市环境下，本发明钢可免涂装使用。本发明耐大气腐蚀用钢为非调质钢，成分不包括贵金属，采用转炉连铸+控轧控冷工艺生产，具有成本低廉，制造工序简单等优点，在一般的冶金企业均可实施，有很强的实用性。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的耐大气腐蚀用钢及其制备方法作进一步的说明：
表1列出了实施例1-6的耐大气腐蚀用钢的化学成分的重量百分数(余量为Fe和不可避免的杂质)
表1 实施例1-6化学成分(w％)
本发明实施例1-6的耐大气腐蚀用钢的生产工艺，其步骤包括：
(1)转炉冶炼：控制炉渣碱度在2.5～3.3之间，石灰的加入量要适当，避免碱度过高，导致P含量偏低。冶炼终点碳含量控制在0.04％以内。出钢目标温度1700～1720℃，温度越高，碳越低，钢水氧化性越强；冶炼全程控制底吹在0.03Nm3/min·t以下，冶炼终点保证钢中溶解氧在900ppm以上；
(2)出钢过程中按照耐大气腐蚀用钢的化学成分依次加入硅铁、锰铁、钒铁，完成弱脱氧及初步合金化；
(3)钢水精炼：通过RH真空处理钢水，处理开始后迅速进行成分微调，确保C、Mn、S、Cu、Cr、Ni等元素的含量要求达到目标值；采用轻处理模式，真空度保持在500Pa以上，处理时间在6分钟以内，保证处理结束O含量在0.0040～0.0060％的范围；因钢水氧化，部分合金元素会烧损，导致含量不足，所以到真空后会进行补加，实际上是有的元素是靠这步控制的；
(4)连铸：保护浇注，典型拉速0.8±0.05m/min，利于浇注过程中产生的气泡充分上浮，同时采用辊式电磁搅拌和液芯末端轻压下，保证铸坯内外部质量；
(5)加热：钢坯加热温度1220±20℃，均热时间≥30min，钢坯出炉温度1200±20℃；
(6)控轧：粗轧开轧温度≥1090℃，终轧温度≥980℃；精轧开轧温度≤980℃，终轧温度780～860℃；
(7)控冷：控制钢的冷却速度在5～15℃/s。
其中，具体主要工艺参数的控制如表2所示。
表2 实施例1-6主要生产工艺参数控制
将实施例1～6制成的耐大气腐蚀用钢1-6进行常温拉伸性能、冷弯性能、布氏试验、板凸度及使用频率进行检验，得到耐大气腐蚀用钢性能数据，如表3所示。
表3 耐大气腐蚀用钢产品性能检测结果
由表3可知，本发明生产的耐大气腐蚀用钢具有高强度、高塑韧性以及良好的焊接性能，同时保证了良好的耐腐蚀性能。
本发明技术领域的科研人员可根据上述作内容和形式非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护范围，因此，本发明不局限于上述具体的实施实例。

Claims (5)

1.一种耐大气腐蚀用钢，它的化学成分按质量百分数计为：C：0.07～0.09％、Si：≤0.30％、Mn：0.40～0.80％、P：0.035～0.060％、S：≤0.003％、O：0.0040～0.0060％、Cr：0.45～0.85％、V：0.02～0.04％、Cu：0.20～0.40％、Ni：0.08～0.15％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的耐大气腐蚀用钢，其特征在于：该耐候钢的耐腐蚀性指数I≥6.2，其中：
I＝26.01(％Cu)+3.88(％Ni)+1.20(％Cr)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2。
3.一种权利要求1所述的耐大气腐蚀用钢的生产工艺，其步骤包括：
(1)转炉冶炼：控制炉渣碱度在2.5～3.3之间，冶炼终点碳含量控制在0.04％以内，出钢目标温度1700～1720℃，冶炼全程控制底吹在0.03Nm3/min·t以下，冶炼终点保证钢中溶解氧在900ppm以上；
(2)出钢过程中依次加入硅铁、锰铁、钒铁，完成弱脱氧及初步合金化；
(3)钢水精炼：采用轻处理模式，真空度保持在500Pa以上，处理时间在6分钟以内，保证处理结束O含量在0.0040～0.0060％的范围；
(4)连铸：保护浇注，典型拉速0.8±0.05m/min；
(5)加热：钢坯加热温度1220±20℃，均热时间≥30min，钢坯出炉温度1200±20℃；
(6)控轧：粗轧开轧温度≥1090℃，终轧温度≥980℃；精轧开轧温度≤980℃，终轧温度780～860℃；
(7)控冷：控制钢的冷却速度在5～15℃/s。
4.根据权利要求2所述的耐大气腐蚀用钢的生产工艺，其特征在于：所述步骤(3)中通过RH真空处理钢水，处理开始后迅速进行成分微调，确保C、Mn、S、Cu、Cr、Ni元素的含量要求达到目标值。
5.根据权利要求2所述的耐大气腐蚀用钢的生产工艺，其特征在于：所述步骤(4)中采用辊式电磁搅拌和液芯末端轻压下，保证铸坯内外部质量。
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