CN107964626B - 一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其制备方法。本发明所述屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢的化学成分按重量百分比为(％)：C：0.10～0.16，Si：0.25～0.45，Mn：0.70～1.55，P≤0.030，S≤0.025，Nb：0.015～0.035，B：0.0010～0.0025，其余为Fe及不可避免的杂质。该钢材生产工艺流程如下：连铸坯加热—粗轧—万能轧制—锯切定尺—热处理。本发明根据上述成分经过常规工艺轧制并锯切定尺后，对H型钢采用亚温淬火并回火的生产工艺，获得回火索氏体、近似等轴分布的铁素体及其上面弥散分布的细小碳化物，实现了H型钢屈服强度不小于500MPa，‑60℃纵向冲击功平均大于149J，具有极低的韧脆转变温度。

Description

一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其制备方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其制备方法。

背景技术

国家重大基础工程中进一步强调节能减排和交通装备的轻量化，加快制造业绿色改造升级，促进钢铁、石化、工程机械、轻工、纺织等产业向价值链高端发展。为此，需进一步提高钢铁材料的研究力度，致力于开发新型、高强韧性、轻量化的钢铁材料，减少对能源和资源的消耗，促进经济社会可持续发展。而且随着重点产业的结构调整与产业升级，亟需高性能和高附加值的产品和绿色、高效、低碳的生产模式。然而当前国内热轧H型钢仍以Q235级别普碳钢为主，占国内总产量的70％以上，Q345及以上级别钢种所占比例偏小，而更高级别的低合金高强钢所占比例不足5％，而且质量等级不高。发达国家H型钢则以低合金高强度钢为主，广泛用于海洋工程、大跨度、重载及超高层建筑等各类工程结构中，提高了建筑的安全性、美观性和空间利用率并一定程度增加了建筑的使用寿命。因此国内外迫切需要开发高强度高塑韧性高稳定性能的热轧H型钢，不仅可以满足从北极到南极等全球范围类恶劣气候条件下各类大型工程结构建设的需要，而且可以节约钢材，经济环保，降低工程建设成本。

由于钢材的强度与塑韧性指标是一对自然矛盾结合体。一般随着强度的增加，塑韧性将会发生降低，特别是高强及超高强钢材这种关系会表现的更加明显。有时候虽然强度得到了大幅度提高，未兼顾塑韧性指标，当强度增加到一定程度后，钢材可能在受到很小的力情况下就会发生脆断，特别是在低温环静下使用的钢材，在确保强度指标满足安全使用前提下，必须要考虑低温韧性指标。如何协调和平衡高强度与塑性及低温冲击韧性的关系，实现H型钢屈服强度稳定达到500MPa以上是本发明解决这一技术瓶颈的关键技术。在板材方面，目前强度在500MPa及以上级别高性能钢板大部分都需要通过离线热处理的方式满足强韧性及焊接性等要求。而H型钢相对板材在线轧制控制手段本来就比较少，单方面通过添加合金和在线控制轧制等手段实现高强度性能会更加困难。目前我国的H型钢生产企业能稳定生产的最高强度级别H型钢为450MPa，低温性能方面能满足-40℃以上环境使用，但需要通过添加高含量的合金元素和控制变形量及实施低温轧制温度，往往增大了轧机的负荷，且轧制节奏慢，生产效率低，对设备和生产工艺都带来了巨大挑战且仍然存在性能不合格的产品的问题。要想突破500MPa及以上低温高韧性H型钢生产更需要添加更多的合金元素和实施更加严格的控制轧制和控制冷却满足高性能H型钢的生产，针对这一现状问题，经过检索发现：

公开号为CN102644034A，名称为―屈服强度500MPa级高耐候性热轧H型钢轧后冷却方法”的中国专利，公开了屈服强度为500MPa级高耐候性热轧H型钢化学成分及其轧制工艺方法，按质量百分比计，成分为：C：0.06～0.12，Si：0.30～0.60，Mn：0.80～1.20，P：0.010～0.030，S：0.001～0.015，Cu：0.20～0.35，Cr：0.20～0.40，Ni：0.15～0.30，Nb：0.040～0.060，Als：0.003～0.030，其余为Fe及不可避免的杂质。该H型钢轧制工艺为：铸坯加热炉加热→开坯机轧制→万能轧机轧制→轧后两段式快速冷却；具体为：铸坯经加热炉加热至1200～1250℃；开坯机轧制阶段开轧温度1100～1150℃，终轧温度980～1020℃；万能轧机的开轧温度900～950℃，终轧温度860～900℃；轧后采用两段式快速冷却，第一段快速冷却工艺参数为：H型钢翼缘及腹板开始冷却时温度为850～895℃，冷却结束时温度为650～700℃，冷却速度75～150℃/s；第一段快速冷却后，进行第二段快速冷却，第二段超快速冷却工艺参数为：H型钢翼缘及腹板开始冷却时温度为650～700℃，冷却结束时温度为500～600℃，冷却速度20～45℃/s。与本发明相比，上述发明为了在轧制过程中充分利用实施控制轧制工艺，使用了高Nb含量(0.040～0.060wt％)成分设计，在实际生产过程中Nb含量较高后，使冶炼铸坯中的裂纹敏感性进一步增强，且为提高热轧H型钢强度，在轧后采用两段式快速穿水冷却工艺后，增加了裂纹进一步扩展，在H型钢表面形成了纵向通条裂纹，导致H型钢废品率上升，H型钢表面质量及成材率下降，增加了生产成本。而本发明使用的Nb含量(0.015～0.035wt％)较低且无需实施轧后穿水冷却控制，不存在上述表面质量问题。

公开号为CN 103243272A，名称为―一种屈服强度500MPa级含钒耐候热轧H型钢的轧制工艺”的中国专利，公开了含钒耐候热轧H型钢，按质量百分比计，成分配比为：C：0.09～0.12，Si：0.43～0.55，Mn：1.39～1.49，P：0.013～0.017，S：0.011～0.016，Cu：0.27～0.36，Cr：0.32～0.38，Ni：0.25～0.32，V：0.098～0.110，A1S：0.014～0.023，其余为铁和残余的微量杂质；该含钒耐候热轧H型钢的轧制工艺，通过合理调整钢种成分配合，再配合采用轧制工艺，制造出能大幅度提高H型钢表面质量和成材率的屈服强度500MPa级别以上，具有–40℃纵向V型冲击功为137J以上的热轧H型钢。相对上述发明，本发明使用相对低的Nb(0.015～0.035wt％)代替较高用量的V(0.098～0.110wt％)，并且没有加入Cu、Cr、Ni等贵重合金元素，在屈服强度相当情况下，实现了–60℃纵向V型冲击功平均为149J以上的热轧H型钢，低温韧性更加优良，进一步突破实现更低环境下使用的要求。

公开号为CN 102644020 A，名称为―一种屈服强度500MPa级低合金热轧H型钢轧后冷却方法”的中国专利，公开了屈服强度500MPa级低合金热轧H型钢，按质量百分比计，成分为：C：0.08～0.14，Si：0.30～0.50，Mn：1.20～1.40，P≤0.025，S≤0.020，Nb：0.025～0.050，Als：0.003～0.030，其余为铁和残余的微量杂质；该H型钢轧制工艺为：铸坯加热炉加热→开坯机轧制→万能轧机轧制→轧后两段式快速冷却；具体为：铸坯经加热炉加热至1210～1250℃；开坯机轧制阶段开轧温度1100～1150℃，终轧温度990～1030℃；万能轧机的开轧温度920～960℃，万能轧机的终轧温度850～900℃；轧后立即采用两段式快速冷却，第一段快速冷却工艺参数为：H型钢翼缘及腹板部开始冷却时温度为840～890℃，冷却结束时温度为645～690℃，冷却速度75～150℃/s；第一段快速冷却后，立即进行第二段快速冷却，第二段快速冷却工艺参数为：H型钢翼缘及腹板开始冷却时温度为645～690℃，冷却结束时温度为500～600℃，冷却速度为20～45℃/s。通过上述成分及严格的控制轧制和控制冷却工艺的综合实施，实现屈服强度500MPa级别以上，具有–20℃良好的低温韧性的H型钢。与上述发明专利相比，本发明无需在线实施严格的控轧控冷工艺，在强度相当情况下，具有–60℃良好的低温韧性。

H型钢因其复杂的断面结构特点，在轧制过程存在变形不均和冷却速率存在很大差异等问题，一般腹板变形量和冷却速率大，翼缘变形量和冷却速率小，使得H型钢截面性能非常不均匀，通常腹板强度要高于翼缘强度，随着H型钢规格增大和强度等级标准的提高而变得更加明显。同时，在H型钢翼缘的同一侧，从腿端到R角的性能也存在一定的差异性，特别是对低温冲击功性能影响比较大，表现为逐渐降低的趋势。从微观上看，主要由于内部组织沿翼缘腿端到R角方向逐渐粗大，晶粒度差1.5-2级，这种组织不均匀性在轧制过程中很难避免。鉴于目前以上高强度、高韧性及截面性能均匀性热轧H型钢在实际生产过程使用合金化配合控制轧制和控制冷却工艺不足，很难解决高强度H型钢与-60℃低温冲击韧性的的技术矛盾问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其制备方法，能彻底解决高强度、低温高韧性热轧H型钢综合性能要求的稳定性、一致性生产问题，满足特殊性领域高性能产品的需求，从根本上解决现有工艺装备生产线热轧H型钢无法同时满足高强度、高韧性和截面性能均匀的问题。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢的化学成分按重量百分比为(％)：C：0.10～0.16，Si：0.25～0.45，Mn：0.70～1.55，P≤0.030，S≤0.025，Nb：0.015～0.035，B：0.0010～0.0025，其余为Fe及不可避免的杂质。

所述H型钢的屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥590MPa，延伸率≥20.5％，–60℃纵向V型冲击功平均为149J以上。

H型钢组织为回火索氏体、近似等轴铁素体及其上面弥散分布的细小碳化物，其中加热处理过程将奥氏体和铁素体的比例控制在4:1-6:1之间。

本发明还提供了上述屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

铸坯加热炉加热→粗轧机轧制→万能轧机轧制→轧后热处理，具体为：

铸坯经过加热炉加热至1200-1260℃，万能轧机终轧温度940-1000℃，轧后采用空冷冷却，经过矫直锯切定尺后的H型钢，通过预加热段及加热段两段式加热处理，其中预加热段将处于室温下的H型钢预加热到600-650℃，再通过加热段加热至830-880℃，然后对H型钢翼缘及腹板实施30-60℃/s的淬火冷却直到室温后，再次在3-10min内加热至580-620℃进行回火处理后空冷。

优选地，铸坯经过加热炉加热至1200-1240℃，万能轧机终轧温度940-970℃，轧后空冷，锯切定尺后，将定尺H型钢快速预加热到600-620℃后再快速感应加热至830-850℃，立即实施30-40℃/s淬火冷却，冷却至室温后，再次快速加热至580-600℃回火温度。

优选地，铸坯经过加热炉加热至1240-1260℃，万能轧机终轧温度970-1000℃，轧后空冷，经过矫直锯切定尺后，将定尺H型钢快速预加热到620-650℃后再快速感应加热至850-880℃，立即实施40-60℃/s淬火冷却，冷却至室温后，再次快速加热至600-620℃回火温度后空冷。

本发明将是高强高韧及焊接性能优异热轧H型钢的一个全新生产工艺方法，该生产工艺方法能够充分发挥H型钢的性能潜力，提高产品的内在质量，节约材料，减少能耗，延长产品的使用寿命，提高经济效益都具有十分重要的意义。

本发明钢材生产工艺流程如下：连铸坯加热—粗轧—万能轧制—锯切定尺—热处理。本发明根据上述成分经过常规工艺轧制并锯切定尺后，对H型钢采用亚温淬火并回火的生产工艺，获得回火索氏体、近似等轴分布的铁素体及其上面弥散分布的细小碳化物，实现了H型钢屈服强度不小于500MPa，-60℃纵向冲击功平均大于149J，具有极低的韧脆转变温度。与现有工艺技术相比，大幅度减少了合金元素的使用，改善了焊接性能，同时热轧H型钢在线无需实施控轧控冷工艺，解决了高强度与低温高韧性、截面均匀性等各项指标兼顾H型钢生产的技术难题，同时可以解决高品质小批量H型钢生产过程中工艺稳定控制难的问题，可以提高在线生产效率和产品综合性能合格率。

本发明采用的技术方案具有以下优点：

(1)通过添加少量微合金化元素，可显著改善焊接性能和降低了冶炼成本，在轧制过程中不需要对H型钢实施特殊的控轧控冷措施，减少了对轧机能力的要求，提高了设备的安全使用性，同时不需要控制轧制节奏，提高了生产效率。

(2)通过采用快速电磁感应加热技术对H型钢实施高效的加热，能使H型钢在较短时间3-10min内实现截面温度均匀化，通过调节加热温度获得高温下奥氏体化程度，实现奥氏体和铁素体的比例控制在4:1-6:1之间，实现了对经过淬火冷却后H型钢中贝氏体、马氏体与铁素体的比例调控，结合二次回火温度控制，实现了最终H型钢组织为回火索氏体、等轴铁素体及其上面弥散分布的细小碳化物(Fe₃C,Nb,(N,C))，可实现不同强度级别与低温韧性的协调分配，能满足一钢多级生产的新工艺技术。

(3)本发明H型钢中的回火索氏体组织和铁素体上面弥散分布的细小碳化物显著提高了钢的强度，同时获得的近似等轴铁素体能显著提高钢的塑韧性，解决了铁素体+珠光体钢难以突破的强度与韧性匹配的问题。

附图说明

图1为本发明实施例1获得的500MPa级低温高韧性热轧H型钢显微组织图；

图2为本发明实施例2获得的500MPa级低温高韧性热轧H型钢显微组织图；

图3为本发明实施例3获得的500MPa级低温高韧性热轧H型钢显微组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其生产工艺，本发明所述H型钢的化学成分按重量百分比为(％)：C：0.16，Si：0.25，Mn：0.7，P：0.018，S：0.010，Nb：0.015，B：0.0025，其余为Fe及不可避免的杂质。

该H型钢生产工艺为：以规格H200x200x9x15为例，将上述成分的铸坯经过加热炉加热至1240℃，保温120分钟，万能轧机终轧温度为940℃，轧后采用空冷冷却，经过矫直锯切定尺后的H型钢，采用两段式快速电磁感应加热处理，第一段将H型钢由室温下预加热至620℃，立即进行第二段加热至850℃，然后对H型钢翼缘及腹板实施40℃/s的淬火冷却直到室温后，再次快速加热至600℃进行回火处理后空冷。

经过检验，屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢性能参数为：屈服强度为509MPa，抗拉强度为594MPa，延伸率为23％，-60℃纵向V型冲击功平均为168J。本实施例获得的500MPa级低温高韧性热轧H型钢显微组织图如图1所示，从图1可以看出，组织主要由铁素体、回火索氏体和细小弥撒的碳化物组成。

实施例2

一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其生产工艺，本发明所述H型钢的化学成分按重量百分比为(％)：C：0.10，Si：0.30，Mn：1.55，P：0.013，S：0.009，Nb：0.035，B：0.0010，其余为Fe及不可避免的杂质。

该H型钢生产工艺为：以规格H200x200x9x15为例，将上述成分的铸坯经过加热炉加热至1260℃，保温125分钟，万能轧机终轧温度为1000℃，轧后采用空冷冷却，经过矫直锯切定尺后的H型钢，采用两段式快速电磁感应加热处理，第一段将H型钢由室温下预加热至650℃，立即进行第二段加热至880℃，然后对H型钢翼缘及腹板实施60℃/s的淬火冷却直到室温后，再次快速加热至620℃进行回火处理后空冷。

经过检验，屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢性能参数为：屈服强度为543MPa，抗拉强度为624MPa，延伸率为20.5％，-60℃纵向V型冲击功平均为149J。本实施例获得的500MPa级低温高韧性热轧H型钢显微组织图如图2所示，从图2可以看出，组织主要由铁素体、回火索氏体和细小弥撒的碳化物组成。

实施例3

一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢及其生产工艺，本发明所述H型钢的化学成分按重量百分比为(％)：C：0.12，Si：0.45，Mn：1.25，P：0.023，S：0.005，Nb：0.020，B：0.0018，其余为Fe及不可避免的杂质。

该H型钢生产工艺为：以规格H200x200x9x15为例，将上述成分的铸坯经过加热炉加热至1200℃，保温140分钟，万能轧机终轧温度为970℃，轧后采用空冷冷却，经过矫直锯切定尺后的H型钢，采用两段式快速电磁感应加热处理，第一段将H型钢由室温下预加热至600℃，立即进行第二段加热至830℃，然后对H型钢翼缘及腹板实施30℃/s的淬火冷却直到室温后，再次快速加热至580℃进行回火处理后空冷。

经过检验，屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢性能参数为：屈服强度为529MPa，抗拉强度为616MPa，延伸率为21.5％，-60℃纵向V型冲击功平均为154J。本实施例获得的500MPa级低温高韧性热轧H型钢显微组织图如图3所示，从图3可以看出，组织主要由铁素体、回火索氏体和细小弥撒的碳化物组成，并有少量贝氏体。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢的制备方法，其特征在于，所述H型钢的化学成分按重量百分比为：C：0.10～0.16％，Si：0.25～0.45％，Mn：0.70～1.55％，P≤0.030％，S≤0.025％，Nb：0.015～0.035％，B：0.0010～0.0025％，其余为Fe及不可避免的杂质；

所述制备方法包括以下步骤：

铸坯加热炉加热→粗轧机轧制→万能轧机轧制→轧后热处理，其中：

铸坯经过加热炉加热至1200-1260℃，万能轧机终轧温度940-1000℃，轧后采用空冷冷却，经过矫直锯切定尺后的H型钢，通过预加热段及加热段两段式加热处理，其中预加热段将处于室温下的H型钢预加热到600-650℃，再通过加热段加热至830-880℃，然后对H型钢翼缘及腹板实施30-60℃/s的淬火冷却直到室温后，再次在3-10min内加热至580-620℃进行回火处理后空冷。

2.根据权利要求1所述的屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢的制备方法，其特征在于，所述H型钢的屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥590MPa，延伸率≥20.5％，–60℃纵向V型冲击功平均为149J以上。

3.根据权利要求1所述的屈服强度500MPa级低温高韧性热轧H型钢的制备方法，其特征在于，H型钢组织为回火索氏体、近似等轴铁素体及其上面弥散分布的细小碳化物，其中加热处理过程将奥氏体和铁素体的比例控制在4:1-6:1之间。