CN108486495A - 一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法，属于建筑结构用钢技术领域，解决了现有的高强度耐火钢的成本较高的问题。其包括如下组分：C≤0.20wt.％、Mo 0.15‑0.20wt.％、Nb 0.01‑0.06wt.％、Ti 0.01‑0.10wt.％和V 0～0.06wt.％。制备方法采用两阶段热轧和一阶段温轧的方式轧制。上述高强度耐火钢可用于钢结构建筑。

Description

一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑结构用钢技术领域，尤其涉及一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法。
背景技术
钢构件是钢结构建筑中的主体结构，钢构件的耐火性对钢结构建筑尤其重要。
普通的建筑结构用钢耐火性能差，在温度为350℃以上，屈服强度陡降，高温承重能力不足，通常需要喷涂很厚的防火涂层对钢结构进行保护，防止火灾给钢结构建筑造成灾难性破坏。但是，喷涂防火材料，会导致钢结构建筑成本成倍增加，且延长工期，影响美观，减少室内有效使用面积，喷涂作业的飞溅还造成环境污染。因此，需要开发用于钢结构建筑的耐火钢。
现有技术中，高强度耐火钢以高含量(0.40-0.90wt.％)Mo微合金化为主，但是，其合金成本较高，未获得广泛应用。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法，解决了现有的高强度耐火钢的成本较高的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢，包括如下组分：C≤0.20wt.％、Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.06wt.％、Ti 0.01-0.10wt.％和V 0～0.06wt.％。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度345MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.03wt.％、Ti 0.01-0.03wt.％、V 0.00-0.03wt.％。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度390MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.03wt.％、Ti 0.01-0.03wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度420MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.01-0.03wt.％和V 0.04-0.06wt.％；或者，高强度耐火钢为屈服强度420MPa级钢，组成按质量百分比为：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.04-0.06wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度460MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.04-0.06wt.％和V 0.04-0.06wt.％；或者，高强度耐火钢为屈服强度460MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti0.07-0.10wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
本发明还提供了一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，用于制备上述高强度耐火钢，制备方法包括如下步骤：
步骤1：对钢坯进行加热，均热，得到均热后的钢坯；
步骤2：对均热后的钢坯进行热轧粗轧和热轧精轧，得到热轧后的钢坯；
步骤3：对热轧后的钢坯进行第一次层流冷却，第一次层流冷却的返红温度为600-675℃，得到第一次层流冷却后的钢坯；
步骤4：对第一次层流冷却后的钢坯进行温轧，冷却至室温，得到用于钢结构建筑的高强度耐火钢。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度390MPa级钢、420MPa级钢或460MPa级钢，步骤4中，温轧之后、冷却之前还包括如下步骤：对温轧后的钢坯进行第二次层流冷却，第二次层流冷却的返红温度为300-550℃。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度390MPa级钢，第二次层流冷却的返红温度400-550℃。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度420MPa级钢，第二次层流冷却的返红温度350-500℃。
进一步地，高强度耐火钢为屈服强度460MPa级钢，第二次层流冷却的返红温度300-450℃。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
1)本发明提供的用于钢结构建筑的高强度耐火钢属于Mo-Nb-Ti耐火钢，通过精确添加Nb和Ti，在保证耐火钢具有足够屈服强度(满足345-460MPa级钢结构建筑用中厚钢板、600℃、3小时耐火性)的前提下，减少Mo等贵重合金元素的含量，降低了耐火钢的生产成本，使其能够广泛应用于钢结构建筑。
2)本发明提供的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法利用再结晶热轧+未再结晶温轧或未再结晶热轧+未再结晶温轧工艺，通过热轧层流冷却至600-675℃阶段的纳米MC析出、温轧前空冷段纳米MC析出、温轧形变诱导纳米MC析出，在温轧过程中及后续冷却中与温轧诱导的位错预先进行交互作用，形成高温较稳定的组态，增强高温强度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书和权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。
具体实施方式
下面具体描述本发明的优选实施例。
一方面，本发明提供了一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢，其包括如下组分：C≤0.20wt.％、Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.06wt.％、Ti0.01-0.10wt.％和V 0～0.06wt.％。
与现有技术相比，上述用于钢结构建筑的高强度耐火钢属于Mo-Nb-Ti耐火钢，通过适当添加Nb和Ti，在保证耐火钢具有足够屈服强度(满足345-460MPa级钢结构建筑用中厚钢板、600℃、3小时耐火性)的前提下，减少Mo等贵重合金元素的含量，降低了耐火钢的生产成本，使其能够广泛应用于钢结构建筑。
具体来说，上述高强度耐火钢中，各元素的作用及配比依据如下：
钼(Mo)：显著提高钢的淬透性和耐火性能。钼通过固溶强化直接强化基体从而提高高温强度，同时偏聚在基体界面等缺陷处增强组织热稳定性，实现高温强度的提高，与Nb、V、Ti等协同析出并细化MC相纳米粒子，钉扎界面、位错等缺陷，既沉淀强化直接提高高温强度，也提高组织热稳定性间接提高高温强度。钼含量低于0.15wt.％，耐火作用不显著，高于0.20wt.％则不利于降低合金成本，因此，上述高强度耐火钢中，钼含量范围可以为0.15-0.20wt.％。
铌(Nb)：固溶铌和析出含铌MC相均具有细化晶粒作用。固溶铌易偏聚于界面、位错等缺陷处，起稳定高温组织的作用；含铌MC纳米粒子可以钉扎位错、界面，除了提高组织热稳定性以外，还起析出强化作用，提高高温屈服强度，以上铌的作用均有利于保障钢的耐火性能。铌含量低于0.01wt.％，析出强化效应极小，细化晶粒效果不显著；高于0.06wt.％则不利于降低合金成本，因此，上述高强度耐火钢中，铌含量在0.01-0.06wt.％。
钛(Ti)：上述高强度耐火钢中，根据钢的强度级别，添加钛具有不同的作用。对于屈服强度390MPa级及其以下钢种，主要进行微钛处理，钛主要与氮结合形成尺寸纳米级氮化钛粒子，细化铸坯加热过程中的奥氏体晶粒，低于0.01wt.％的钛则不能充分固定氮。对于屈服强度420-460MPa级钢，则进行中高含量的钛微合金化，重点发挥含钛MC析出钉扎位错、界面的作用，即发挥提高组织热稳定性和析出强化的作用，从而提高耐火性能，因此，上述高强度耐火钢中，钛含量范围为0.01-0.10wt.％。
钒(V)：可单独与碳形成MC相，也可与铌、钛、钼等协同析出MC相，主要通过MC相纳米粒子起钉扎位错、界面的作用，提高室温屈服强度和耐火性能。钒在上述高强度耐火钢中，属于可选择的微合金元素，含量范围为0-0.06wt.％。对于屈服强度420-460MPa级钢，钒含量微合金化范围为0.03-0.06wt.％。
为了进一步提高上述高强度耐火钢的屈服强度，其可以包括如下组分：C 0.07-0.10wt.％、Si 0.29-0.33wt.％、Mn 1.30-1.40wt.％、Mo 0.17-0.18wt.％、Nb 0.01-0.05wt.％、V 0.01～0.05wt.％、Ti 0.019-0.089wt.％和Al 0.015-0.030wt.％。
示例性地，对于屈服强度345MPa级耐火钢，其可以包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.03wt.％、Ti 0.01-0.03wt.％、V 0.00-0.03wt.％。
对于屈服强度为390MPa级高强度耐火钢，其可以包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.03wt.％、Ti 0.01-0.03wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
对于屈服强度420MPa级高强度耐火钢，其可以有两种组成。其中一种组组分包括：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.01-0.03wt.％和V 0.04-0.06wt.％。另一种组分包括：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.04-0.06wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
对于屈服强度460MPa级高强度耐火钢，其也可以有两种组成。其中一种组分包括：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.04-0.06wt.％和V 0.04-0.06wt.％。另一种组分包括：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.07-0.10wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
需要说明的是，对于钛(Ti)，上述高强度耐火钢中，根据钢的强度级别(345MPa级钢、390MPa级钢、420MPa级钢和460MPa级钢)，添加钛具有不同的作用。对于屈服强度345-390MPa级的钢种，主要进行微钛处理，钛主要与氮结合形成尺寸纳米级氮化钛粒子，细化铸坯加热过程中的奥氏体晶粒。对于屈服强度420MPa级的钢种，在中高含量Nb-V微合金化的基础上，也可以只进行微钛处理。由于现代转炉或电炉钢的氮含量不超过80ppm，按照氮化钛的理想化学配比，钛含量添加一般不超过0.03wt.％，过高的钛反而容易形成较粗大的氮化钛，不利于奥氏体晶粒细化，反而损害钢的韧塑性，低于0.01wt.％的钛则不能充分固定氮。对于屈服强度420-460MPa级钢，另一个重要的技术方案是进行0.04-0.10wt.％中高含量的钛微合金化，重点发挥含钛MC析出钉扎位错、界面的作用，即发挥提高组织热稳定性和析出强化的作用，从而提高耐火性能。
对于铌(Nb)：上述高强度耐火钢中，根据钢的强度级别采取了不同含量的铌微合金化，345-390MPa级钢的室温强度和600℃高温强度的相对较低，因此，铌的添加量为0.01-0.03wt.％，主要发挥固溶铌的细化晶粒和稳定高温组织作用。420-460MPa级钢中铌的添加量为0.03-0.06wt.％，不仅要发挥固溶铌的作用，还要增大含铌MC相的析出量，加强细化晶粒效果和稳定高温组织的作用，从而保证更高的室温强度和600℃高温强度。
需要说明的是，上述高强度耐火钢尤其适用于制造厚度为16-60mm的中厚钢板。
另一方面，本发明还提供了一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，采用两阶段热轧和一阶段温轧的方式轧制，包括如下步骤：
步骤1：对钢坯进行加热，均热，得到均热后的钢坯；
步骤2：对均热后的钢坯进行热轧粗轧和热轧精轧，即为两阶段热轧，得到热轧后的钢坯；
步骤3：对热轧后的钢坯进行第一次层流冷却，第一次层流冷却的返红温度为600-675℃，得到第一次层流冷却后的钢坯；
步骤4：对第一次层流冷却后的钢坯进行温轧，冷却至室温，得到用于钢结构建筑的高强度耐火钢。
与现有技术相比，本发明提供的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法利用再结晶热轧+未再结晶温轧或未再结晶热轧+未再结晶温轧工艺，通过热轧层流冷却至600-675℃阶段的纳米MC析出、温轧前空冷段纳米MC析出、温轧形变诱导纳米MC析出，在温轧过程中及后续冷却中与温轧诱导的位错预先进行交互作用，形成高温较稳定的组态，增强高温强度。
为了进一步提高上述高强度耐火钢的高温强度，可以对上述制备方法中的各个工艺参数进行进一步调整，具体来说，上述制备方法包括如下步骤：
步骤1：在1150-1250℃下对钢坯进行加热，均热0.5-3h，得到均热后的钢坯；
步骤2：对均热后的钢坯进行3-6道次热轧粗轧和4-7道次热轧精轧，即为两阶段热轧，得到热轧后的钢坯，热轧粗轧的终轧温度为950-1010℃，热轧精轧的终轧温度为820-920℃；
步骤3：对热轧后的钢坯进行第一次层流冷却，第一次层流冷却的冷却速度5-15℃/s，第一次层流冷却的返红温度600-675℃，得到第一次层流冷却后的钢坯；
步骤4：对第一次层流冷却后的钢坯进行1-2道次温轧，总变形量为5-15％，冷却至室温，得到用于钢结构建筑的高强度耐火钢。
需要指出的是，通过5-15℃/s层流冷却速度冷却到600-675℃，以便抑制在高温阶段形成粗大的先共析铁素体组织；温轧的总变形量为5-15％，低于5％的变形量对耐火性的提高不显著，而高于15％的变形量不仅加大了温轧时轧机的负荷，也对室温强度提升较大，容易引起室温强度超标。
由于钢的强度级别不同，钢的组成也不同，而制备方法与钢的组成两者是相互影响的，为了进一步提高不同强度级别的钢的综合性能。示例性地，对于屈服强度390MPa级钢、420MPa级钢和460MPa级钢，也就是屈服强度390MPa级以上的钢，上述步骤4中，温轧之后、空冷之前还包括如下步骤：对温轧后的钢坯进行第二次层流冷却，第二次层流冷却的返红温度为300-550℃。
具体来说，对于屈服强度390MPa级钢，第二次层流冷却的冷却速度5-15℃/s，第二次层流冷却的返红温度400-550℃。
对于屈服强度420MPa级钢，第二次层流冷却的冷却速度5-15℃/s，第二次层流冷却的返红温度350-500℃。
对于屈服强度460MPa级钢，第二次层流冷却的冷却速度5-15℃/s，第二次层流冷却的返红温度300-450℃。
需要指出的是，温轧后的第二次层流冷却一方面是为了抑制变形组织的充分回复或再结晶，以形成高温亚稳的位错或界面结构，从而提高600℃高温强度；另一方面是为了使变形后未相变的区域在冷却过程中获得更细小的中低温相变组织，从而降低屈强比。室温强度级别越高，降低屈强比则需要更多的中低温相变组织，第二次层流冷却的终冷返红温度则越低。
下面以实施例1～6对上述用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法做进一步说明。
实施例1～6的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的组成如表1所示。
表1实施例1～6的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的组成(wt.％)
C Si Mn Mo Nb V Ti Al P S
实施例1 0.073 0.33 1.36 0.18 0.013 0.013 0.019 0.030 0.008 0.002
实施例2 0.085 0.32 1.32 0.18 0.019 0.018 0.023 0.015 0.008 0.003
实施例3 0.086 0.33 1.37 0.17 0.033 0.042 0.025 0.023 0.009 0.003
实施例4 0.078 0.29 1.30 0.17 0.047 0.025 0.049 0.024 0.007 0.002
实施例5 0.097 0.30 1.38 0.18 0.045 0.048 0.048 0.022 0.008 0.003
实施例6 0.098 0.33 1.32 0.18 0.048 0.025 0.089 0.025 0.009 0.002
实施例7 0.088 0.23 1.32 0.15 0.028 0.015 0.015 0.025 0.012 0.002
实施例8 0.095 0.27 1.35 0.20 0.058 0.055 0.046 0.018 0.010 0.003
需要说明的是，上述高强度耐火钢组分中，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例1～6的制备工艺如下：
实施例1：将铸坯加热至1180℃，保温时间2h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为995℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为843℃；以8℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至673℃，然后进行温轧，最后空冷至室温。
实施例2：将铸坯加热至1180℃，保温时间2h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为955℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为851℃；以9℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至603℃，然后进行温轧，最后空冷至室温。
实施例3：将铸坯加热至1200℃，保温时间2h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为975℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为862℃；以9℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至653℃，然后进行温轧，以6℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至429℃。
实施例4：将铸坯加热至1200℃，保温时间2h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为965℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为851℃；以11℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至655℃，然后进行温轧，以7℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至481℃。
实施例5：将铸坯加热至1220℃，保温时间2h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为968℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为863℃；以10℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至652℃，然后进行温轧，以8℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至343℃。
实施例6：将铸坯加热至1220℃，保温时间2h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为950℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为872℃；以12℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至651℃，然后进行温轧，以7℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至425℃。
实施例7：将铸坯加热至1200℃，保温时间0.5h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为966℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为822℃；以15℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至648℃，然后进行温轧，以13℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至550℃。
实施例8：将铸坯加热至1220℃，保温时间3h，经3道次粗轧，粗轧终轧温度为1005℃，经5道次精轧，精轧终轧温度为918℃；以12℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至655℃，然后进行温轧，以5℃/s的冷却速度对钢板进行层流冷却至305℃。
表2实施例1～6的轧制工艺参数
表3实施例1～6的力学性能
通过表3可知，采用本发明提供的用于钢结构建筑的高强度耐火钢，室温下，拉伸强度为531-629MPa，屈服强度为404-510MPa，断后伸长率为21.0-24.5％，屈强比为0.76-0.81；600℃高温下，拉伸强度为346-438MPa，屈服强度为267-361MPa，断后伸长率为19.5-22.5％；-40℃冲击功为178-102Akv/J。上述用于钢结构建筑的高强度耐火钢(实施例1～6)的力学性能符合屈服强度为345MPa-460MPa级耐火钢的要求，且其高温下力学性能能够保持在较好的状态，力学性能稳定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢，其特征在于，包括如下组分：C≤0.20％、Mo0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.06wt.％、Ti 0.01-0.10wt.％和V 0-0.06wt.％。
2.根据权利要求1所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度345MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.03wt.％、Ti0.01-0.03wt.％、V 0.00-0.03wt.％。
3.根据权利要求1所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度390MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.01-0.03wt.％、Ti0.01-0.03wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
4.根据权利要求1所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度420MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti0.01-0.03wt.％和V 0.04-0.06wt.％；
或者，所述高强度耐火钢为屈服强度420MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.04-0.06wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
5.根据权利要求1所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度460MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti0.04-0.06wt.％和V 0.04-0.06wt.％。
或者，所述高强度耐火钢为屈服强度460MPa级钢，包括如下组分：Mo 0.15-0.20wt.％、Nb 0.03-0.06wt.％、Ti 0.07-0.10wt.％和V 0.00-0.03wt.％。
6.一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至5所述的高强度耐火钢，所述制备方法包括如下步骤：
步骤1：对钢坯进行加热，均热，得到均热后的钢坯；
步骤2：对均热后的钢坯进行热轧粗轧和热轧精轧，得到热轧后的钢坯；
步骤3：对热轧后的钢坯进行第一次层流冷却，第一次层流冷却的返红温度为600-675℃，得到第一次层流冷却后的钢坯；
步骤4：对第一次层流冷却后的钢坯进行温轧，冷却至室温，得到用于钢结构建筑的高强度耐火钢。
7.根据权利要求6所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度390MPa级钢、420MPa级钢或460MPa级钢，所述步骤4中，温轧之后、冷却之前还包括如下步骤：对温轧后的钢坯进行第二次层流冷却，第二次层流冷却的返红温度为300-550℃。
8.根据权利要求7所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度390MPa级钢，第二次层流冷却的返红温度400-550℃。
9.根据权利要求7所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度420MPa级钢，第二次层流冷却的返红温度350-500℃。
10.根据权利要求7所述的用于钢结构建筑的高强度耐火钢的制备方法，其特征在于，所述高强度耐火钢为屈服强度460MPa级钢，第二次层流冷却的返红温度300-450℃。
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