CN109666875A - 建筑抗震吸能用热连轧钢带及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及建筑抗震吸能用热连轧钢带制备领域，尤其是一种具有合金成本低、工艺适应性强、力学性能优良，无需进行热处理的建筑抗震吸能用热连轧钢带及制备方法，钢带化学成分按重量百分比计为：C≤0.0030％，Mn：0.10％～0.30％，Si≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ti：0.020％～0.050％，Als：0.010％～0.050％，N≤0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明获得强韧性匹配良好、屈服强度低、强度波动范围小、韧性良好、具有抗震吸能特点的钢。本发明则提供了一种同时满足低屈服点和良好冲击功的解决方案。本发明尤其适用于低屈服点建筑抗震吸能用热连轧钢带领域。

Description

建筑抗震吸能用热连轧钢带及制备方法
技术领域
本发明涉及建筑抗震吸能用热连轧钢带制备领域，尤其是一种建筑抗震吸能用热连轧钢带及制备方法。
背景技术
我国境内很多地区属于地震易发区，对大型建筑抗震设计要求越来越高，抗震建筑用低屈服点钢的潜在市场需求增大，且随着抗震设计水平以及人们对建筑物抗震要求的提高而得到更广泛的应用，耗能抗震技术应用已经成为抗震设计的一个发展趋势。该项技术主要通过消能阻尼器吸收地震能量，即抗震装置在地震时先于其他结构件承受地震载荷作用并首先发生屈服，依靠反复载荷滞后吸收地震能量，保护主体结构以及整个建筑的安全，而低屈服点抗震钢就是耗能抗震设计中主要构件的制作材料。
经检索，专利CN101775535B公开了一种160MPa级抗震用低屈服强度钢、钢板及其制造方法，采用如下化学成分重量百分比：C：0.005％-0.08％，Si：0.018％-0.10％，Mn：0.1-1.2％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al≤0.05％，N≤0.005％，Ti：0.025％-0.04％，还含有Nb≤0.05％、V≤0.10％和B≤0.003％中的一种或多种，钢坯加热温度控制在1100-1250℃，终轧温度为850-950℃，冷却工序中采用空冷或水冷到室温。该发明需要添加Nb、V、B等一种或多种合金；针对于厚度30-50mm的钢板，且未对轧制和冷却工艺进行详细描述。
专利CN104087830B公开了一种160MPa级别低屈服点建筑抗震用钢的制造方法，化学成分要求为：C0.001～0.005％，Si≤0.02％，Mn0.10～0.8％，Al0.01～0.06％，P≤0.01％，S≤0.004％，N≤0.004％，Ti0.01～0.08％，B0.0005～0.001％，通过精炼、连铸、加热、粗轧、电磁感应加热、精轧等工艺制备而成。该发明采用电磁感应加热工艺，提高了设备要求和工艺成本。
另外还有相关专利公开了一种极低屈服点钢板及其制造方法，采用如下化学成分重量百分比：C：≤0.005％，Si：0.03～0.10％，Mn：0.20％～0.60％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als：0.035％～0.055％，Ti：0.035％～0.065％，N≤0.0040％，B：3～7ppm，并要求Ti/N≥10.0，Als/N≥12.0，Ti/C≥13.0。并对该钢板冶炼、连铸、板坯加热、轧制等制造方法进行详细描述，该发明中所述钢板化学成分要求严格，且必须采用中厚板轧机轧制。
目前，应用于建筑行业抗震吸能用途的低屈服点钢大多数采用中厚板轧机轧制，并需要采用电磁感应加热、轧后热处理等，有些还添加了Nb、V等合金元素，合金成本高，设备和工艺适应性差，增加了生产工序成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有合金成本低、工艺适应性强、力学性能优良，无需进行热处理的建筑抗震吸能用热连轧钢带及制备方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：建筑抗震吸能用热连轧钢带，钢带化学成分按重量百分比计为：C≤0.0030％，Mn：0.10％～0.30％，Si≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ti：0.020％～0.050％，Als：0.010％～0.050％，N≤0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。
进一步的是，建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，将钢水经冶炼、连铸成板坯，然后将所述板坯进行轧制，即依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，其中，冶炼步骤中：采用转炉冶炼，经过所述转炉冶炼后采用LF炉精炼，LF炉精炼后采用RH炉进行真空处理；连铸步骤中：采用全程严格保护浇铸，采用恒速浇铸；轧制步骤中：板坯在蓄热式加热炉中进行再加热，加热温度为1160～1220℃，加热时间为3～5h，然后经过7道次粗轧，6～7道次精轧，并在轧后进行层流冷却。
进一步的是，所述钢水在RH真空处理时需进行软吹氩处理，吹氩时间在8min以上。
进一步的是，所述钢水连铸时需采用恒速浇铸，拉速控制在1.00～1.20m/min。
进一步的是，所述钢水连铸成的板坯厚度为200～250mm，粗轧采用7道次轧制。
进一步的是，所述板坯粗轧后的厚度为50～60mm。
进一步的是，所述板坯精轧采用6～7道次轧制，精轧采用抛架轧制，终轧温度为900～950℃。
进一步的是，所述钢板轧后成品厚度为15～25mm。
进一步的是，所述钢板轧后进行层流冷却，终冷温度750～800℃。
本发明的有益效果是：本发明采用低碳、低磷硫、低氧氮、钛微合金化钢的成分体系，通过冶炼工艺优化和控轧、控冷工艺调整，获得强韧性匹配良好、屈服强度低、强度波动范围小、韧性良好、具有抗震吸能特点的钢。另外，本发明还有如下技术优势：一、不同于现有抗震吸能钢采用中厚板轧制，并进行退火处理，本发明所述的抗震吸能钢采用热连轧方式生产，不需进行热处理；二、本发明所述的抗震吸能钢添加少量Ti合金元素，合金成本低于现有大多数添加Nb、V的抗震吸能钢；三、本发明所述的抗震吸能钢具有屈服强度低、强度波动范围小、韧性良好、具有抗震吸能的特点，屈服强度为140～180MPa，抗拉强度220～350MPa，延伸率≥45％，屈强比≤0.80，0℃冲击功≥27J；金相组织为铁素体组织；四、本发明还提供了抗震吸能钢的强韧性匹配控制方法，抗震吸能用钢屈服点极低，要求钢中尽量少产生位错，形成位错强化，但是抗震吸能用钢对低温冲击功又有要求，为满足低温冲击的要求，不可避免的会采用细化晶粒的方式，从而引进部分位错，造成屈服强度升高，本发明则提供了一种同时满足低屈服点和良好冲击功的解决方案。本发明尤其适用于低屈服点建筑抗震吸能用热连轧钢带领域。
附图说明
图1是本发明的实施例1中铁素体的金相组织示意图。
图2是本发明的实施例2中铁素体的金相组织示意图。
图3是本发明的对比例1中铁素体的金相组织示意图。
图4是本发明的对比例2中铁素体的金相组织示意图。
具体实施方式
建筑抗震吸能用热连轧钢带，钢带化学成分按重量百分比计为：C≤0.0030％，Mn：0.10％～0.30％，Si≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ti：0.020％～0.050％，Als：0.010％～0.050％，N≤0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明得到的抗震吸能钢的显微组织为铁素体组织，屈服强度为140～180MPa，抗拉强度220～350MPa，延伸率≥45％，屈强比≤0.80，0℃冲击功≥27J。材料的强化方式包括沉淀析出强化、细晶强化、相变强化、固溶强化(置换强化和间隙强化)、位错及亚晶强化等。对于不同种类的钢，其强化方式各有特色，既可以是单一的强化方式，也可以是多种强化方式的复合。对材料强度的影响可以用修正的Hall-Petch公式表示：
σy＝σ0+σss+σint+σppt+σtransf+σdisl+kyd-1/2
式中σ0——晶格摩擦力(阻碍位错运动的力和晶格阻力)；
σss——置换强化增量；
σint——间隙强化增量；
σppt——析出强化增量；
σtransf——相变强化增量；
σdisl——位错及亚结构强化增量；
ky——晶界强化因子；
d——晶粒直径。
本发明所涉及到的抗震吸能钢要求屈服强度极低，仅为140～180MPa，因此必须降低各类材料强化因素：(1)为降低间隙强化增量σint，抗震吸能钢采用超低碳的成分体系，采用真空精炼降低N、O元素含量，并采用微Ti合金化固定C、N元素，从而减轻间隙强化；(2)为降低位错及亚结构强化增量σdisl，抗震吸能钢必须避免采用过大的轧制变形量，以免在材料组织中形成过多的位错；(3)为降低细晶强化增量kyd-1/2，抗震吸能钢必须避免采用过大的轧制变形量，避免采用过快的层流冷却速率，避免采用过低的终冷温度，以免材料组织中晶粒过分细化，导致强度升高。
同时，本发明所涉及到的抗震吸能钢对低温冲击还有要求，根据上一段所述，为将抗震吸能钢的屈服强度控制在较低水平，材料的晶粒尺寸必须控制在较大的水平，然而晶粒过于粗大易造成材料的低温冲击功低，降低材料的韧性，因此，本发明要通过控轧控冷工艺设计，找到抗震吸能钢强度和韧性匹配的契合点。
本发明中，C、N是钢中不可避免的元素，C、N易在Fe原子形成的密排点阵结构中进行间隙固溶，因点阵畸变形成强化效果，因此，C含量、N含量分别控制在≤0.0030％和≤0.0050％的较低水平。
同时，为了减轻C、N元素导致的间隙强化效果，添加了含量为0.020％～0.050％的Ti元素，通过形成Ti(CN)析出物，固定住钢中残留的C、N元素。
Mn的主要作用是固溶强化和提高钢材的塑性，其含量要求控制在0.10％～0.30％。
降低Si含量可以抑制C元素在晶界处偏聚，因此其含量要求控制在≤0.05％的较低水平。
P易在钢中偏聚，S易在钢中形成硫化物夹杂，降低钢的塑性，因此P、S含量分别要求控制在≤0.015％和≤0.010％的较低水平。
Al在炼钢过程中起到脱氧，提高钢水纯净度的作用，同时Al还能固定钢水中的N元素，其含量要求控制在0.010～0.050％。
就具体的制备方法而言，是这样的：建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，将钢水经冶炼、连铸成板坯，然后将所述板坯进行轧制，即依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，其中，冶炼步骤中：采用转炉冶炼，经过所述转炉冶炼后采用LF炉精炼，LF炉精炼后采用RH炉进行真空处理；连铸步骤中：采用全程严格保护浇铸，采用恒速浇铸；轧制步骤中：板坯在蓄热式加热炉中进行再加热，加热温度为1160～1220℃，加热时间为3～5h，然后经过7道次粗轧，6～7道次精轧，并在轧后进行层流冷却。
作为进一步优化的方案，并进一步提高产品品质，可以选择如下的方案：一、所述钢水在RH真空处理时需进行软吹氩处理，吹氩时间在8min以上；二、所述钢水连铸时需采用恒速浇铸，拉速控制在1.00～1.20m/min；三、所述钢水连铸成的板坯厚度为200～250mm，粗轧采用7道次轧制；四、所述板坯粗轧后的厚度为50～60mm；五、所述板坯精轧采用6～7道次轧制，精轧采用抛架轧制，终轧温度为900～950℃；六、所述钢板轧后成品厚度为15～25mm；七、所述钢板轧后进行层流冷却，终冷温度750～800℃。
就制备方法上讲，还有如下需要注意的点：一、在LF精炼时必须进行造还原渣脱硫，在RH真空处理时必须进行吹氩处理，抗震吸能钢屈服强度极低，要求C、N等元素控制在极低的水平，同时抗震吸能钢还要求具有良好的塑性，因此要求P、S等元素控制在较低的水平，因此必须通过以上工艺手段提高钢水纯净度；二、板坯加热温度控制在1160～1220℃，保证板坯充分受热、合金元素充分固溶，板坯加热温度过低容易影响后续轧制，板坯加热温度过高容易导致奥氏体晶粒的异常长大，导致最终成品钢低温冲击功偏低；三粗轧采用7道次轧制，充分破碎铸态组织，促进奥氏体动态再结晶过程，细化奥氏体晶粒。一般来说，热连轧线的粗轧工序可以采用5～7道次轧制，本发明采用了7道次轧制，是为了减小每道次的变形量，从而避免变形量过大导致晶粒过分细化，造成细晶强化，导致成品钢的屈服强度偏高；四、板坯粗轧后的厚度控制在50～60mm，粗轧后板坯厚度偏低时容易导致精轧累积变形量不够，导致成品铁素体晶粒粗大，造成低温冲击功偏低。板坯精轧采用6～7道次轧制，精轧采用抛架轧制，终轧温度为900～950℃。精轧采用抛架轧制，是为了增加精轧单道次变形量，促进奥氏体扁平化，形成大量铁素体形核核心，进而细化成品铁素体晶粒。而将终轧温度控制在较高的900～950℃，一是为了避免进入两相区轧制导致产生混晶，二是通过提高轧制温度减少精轧过程中位错及亚结构大量形成，从而确保成品屈服强度足够低；五、钢板精轧后进行层流冷却，终冷温度控制在750～800℃。首先，钢板轧后必须进行层流冷却，否则采用空冷易导致成品铁素体组织过于粗大，导致低温冲击功偏低。其次终冷温度控制在较高的750～800℃，有利于先共析铁素体的生长，同时能够使轧制过程中产生的位错得到一定程度的回复，从而确保成品屈服强度足够低。
实施例
本实施例中有实施例1、实施例2、对比例1和对比例2共计四组。
实施例1
20mm厚的建筑抗震吸能用热连轧钢，经过铁水预处理、转炉冶炼、LF加热炉精炼、RH真空精炼、连铸得到钢坯，成品成分为：C 0.0013％，Si 0.01％，Mn 0.11％，P 0.007％，S0.006％，Ti 0.038％，Als 0.029％，N 0.0030％。钢坯再加热温度为1204℃，再加热时间217min；粗轧采用7道次轧制，中间坯厚度为55mm；精轧为7机架热连轧，抛2机架轧制，终轧温度为940℃，精轧结束后，层流冷却采用前段冷却，终冷温度770℃。
经检测，本实施例所生产的建筑抗震吸能用热连轧钢力学性能为：屈服强度172MPa，抗拉强度为264MPa，延伸率为77.0％，屈强比0.65，0℃冲击功为46.8J，金相组织为铁素体(见附图1)，平均晶粒度6.0级。
实施例2
16mm厚的建筑抗震吸能用热连轧钢，经过铁水预处理、转炉冶炼、LF加热炉精炼、RH真空精炼、连铸得到钢坯，成品成分为：C 0.0014％，Si 0.05％，Mn 0.28％，P 0.009％，S0.005％，Ti 0.048％，Als 0.042％，N 0.0030％。钢坯再加热温度为1218℃，再加热时间197min；粗轧采用7道次轧制，中间坯厚度为50mm；精轧为7机架热连轧，抛2机架轧制，终轧温度为920℃，精轧结束后，层流冷却采用前段冷却方式，冷却到终冷温度800℃。
经检测，本实施例所生产的建筑抗震吸能用热连轧钢力学性能为：屈服强度164MPa，抗拉强度为254MPa，延伸率为88.0％，0℃冲击功为34.8J，金相组织为铁素体(见附图2)，平均晶粒度6.0级。
对比例1
20mm厚的建筑抗震吸能用热连轧钢，经过铁水预处理、转炉冶炼、LF加热炉精炼、RH真空精炼、连铸得到钢坯，成品成分为：C 0.0013％，Si 0.01％，Mn 0.11％，P 0.007％，S0.006％，Ti 0.038％，Als 0.029％，N 0.0030％。钢坯再加热温度为1235℃，再加热时间339min；粗轧采用5道次轧制，中间坯厚度为42mm；精轧为7机架热连轧，终轧温度为930℃，精轧结束后，不投用层流冷却，采用空冷方式冷却，终冷温度870℃。
经检测，本对比例所生产的建筑抗震吸能用热连轧钢力学性能为：屈服强度134MPa，抗拉强度为240MPa，延伸率为87.5％，0℃冲击功为16.7J，金相组织为铁素体(见附图3)，平均晶粒度4.0级。
对比例2
16mm厚的建筑抗震吸能用热连轧钢，经过铁水预处理、转炉冶炼、LF加热炉精炼、RH真空精炼、连铸得到钢坯，成品成分为：C 0.0014％，Si 0.05％，Mn 0.28％，P 0.009％，S0.005％，Ti 0.048％，Als 0.042％，N 0.0030％。钢坯再加热温度为1235℃，再加热时间161min；粗轧采用5道次轧制，中间坯厚度为55mm；精轧为7机架热连轧，为投用抛架轧制，终轧温度为890℃，精轧结束后，层流冷却采用前段冷却方式，冷却到终冷温度720℃。
经检测，本对比例所生产的建筑抗震吸能用热连轧钢力学性能为：屈服强度235MPa，抗拉强度为325MPa，延伸率为58.5％，0℃冲击功为25.7J。金相组织为铁素体(见附图4)，平均晶粒度7.5级。
通过本发明的方案，可以采用低碳、低磷硫、低氧氮、钛微合金化钢的成分体系，通过冶炼工艺优化和控轧、控冷工艺调整，获得强韧性匹配良好、屈服强度低、强度波动范围小、韧性良好、具有抗震吸能特点的钢。

Claims (9)

1.建筑抗震吸能用热连轧钢带，其特征在于，钢带化学成分按重量百分比计为：C≤0.0030％，Mn：0.10％～0.30％，Si≤0.05％，P≤0.015％，S≤0.010％，Ti：0.020％～0.050％，Als：0.010％～0.050％，N≤0.0050％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：将钢水经冶炼、连铸成板坯，然后将所述板坯进行轧制，即依次进行加热、粗轧、精轧、层流冷却和卷取，其中，
冶炼步骤中：采用转炉冶炼，经过所述转炉冶炼后采用LF炉精炼，LF炉精炼后采用RH炉进行真空处理；
连铸步骤中：采用全程严格保护浇铸，采用恒速浇铸；
轧制步骤中：板坯在蓄热式加热炉中进行再加热，加热温度为1160～1220℃，加热时间为3～5h，然后经过7道次粗轧，6～7道次精轧，并在轧后进行层流冷却。
3.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述钢水在RH真空处理时需进行软吹氩处理，吹氩时间在8min以上。
4.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述钢水连铸时需采用恒速浇铸，拉速控制在1.00～1.20m/min。
5.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述钢水连铸成的板坯厚度为200～250mm，粗轧采用7道次轧制。
6.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述板坯粗轧后的厚度为50～60mm。
7.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述板坯精轧采用6～7道次轧制，精轧采用抛架轧制，终轧温度为900～950℃。
8.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述钢板轧后成品厚度为15～25mm。
9.如权利要求2所述的建筑抗震吸能用热连轧钢带制备方法，其特征在于：所述钢板轧后进行层流冷却，终冷温度750～800℃。
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