CN110055469A - 一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧h型钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢及其制备方法，所述热轧H型钢的化学成分按重量百分数计包括：C：0.11％～0.15％、Si：0.15％～0.26％、Mn：0.79％～1.25％、P：≤0.025％、S：≤0.025％、Cu：0.25％～0.34％、Cr：0.42％～0.57％、Ni：0.16％～0.29％、Nb：0.018％～0.040％、Mo：≤0.10％，其余为铁和微量杂质。本发明通过添加Cu、Ni、Cr元素满足耐腐蚀性能要求，添加Mo、Nb元素结合热轧过程控制满足抗震性能，实现免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢生产。本发明所述产品力学性能良好，强屈比≥1.20，延伸率30.5～32.5％，耐大气腐蚀指数I≥6.0，可免涂装使用。本发明所述制备方法，产品生产过程中不需要进行在线和轧后热处理，因此生产工序少，生产成本较低。

Description

一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术，具体地，本发明涉及一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢及其制备方法。

背景技术

在钢结构行业中，重点发展的领域涉及建筑钢结构、桥梁钢结构、能源钢结构、军工钢结构等，预计到2020年，全国钢结构用量比2016年翻一番，达到8000万吨～1亿吨；钢结构出口量比2016年翻两番，达到1000万吨，未来市场前景十分广阔。在钢结构方面，我国存在着高性能钢材研发和使用量少，特别是兼具抗震耐候性能的钢材，与国外高性能钢普及应用的现状相比有较大差距。

随着近些年地质灾害的发生，世界各国都非常重视抗震钢的发展与应用，积极推广具有抗震性能的钢结构用钢，对保证建筑物的安全，可有效防止结构变形或延缓建筑倒塌的时间，减少人员财产损失。

全世界每年因钢结构腐蚀造成的经济损失已高达数千亿美元以上，而且钢结构由于腐蚀造成的事故危及到结构的安全运行，腐蚀引起的灾难性事故已不少见。传统防腐方式是通过涂(镀)层来进行防腐，但这加大钢结构建筑的建设成本、施工周期及后续维护成本，因此采用具有耐候性能的钢结构材料尤为重要。耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的2～5倍，并且使用时间愈长，耐蚀作用愈突出，具有耐锈、免涂装、减薄降耗、省工节能等特点，可以应用到建筑、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在大气中使用的钢结构中。目前，免涂装耐候钢在桥梁上的应用比较成功，截止到2014年，美国约有45％的桥梁使用耐候钢，到2005年日本约有20％的桥梁使用耐候钢，目前加拿大新建桥梁中90％采用耐候钢，到2017年韩国大约有20座耐候桥。从整个使用期来看，免涂装耐候钢桥的成本低，环保意义重大，更省去采用一般带涂装钢桥梁日后维修养护的工作量，具有长远的经济效益。我国在免涂装耐候钢桥上虽已有应用，但规模化应用的进展比发达国家滞后数十年，官厅水库特大桥、川藏线藏木特大桥均采用免涂装耐候钢，这些钢结构工程推动我国免涂装耐候钢的应用、缩短与国外同类技术的差距而发挥极为重要的示范作用。

H型钢截面形状经济合理，力学性能好，具有截面模数大、重量轻、节省金属的优点，可使钢结构减轻30-40％，又因其腿内外侧平行，腿端是直角，拼装组合成构件，可节约焊接、铆接工作量达25％，因此是重要的钢结构用钢材。为保证钢结构的抗震性能和防腐蚀能力，国内外开展了大量相关工作，但主要集中在热轧中厚板生产技术研究，抗震耐候热轧H型钢的研究鲜有报道。

中国专利CN105506450A的《一种抗震耐候桥梁钢及其制造工艺》公开了一种抗震耐候桥梁钢的制造工艺，其特点是采用低碳、利用Nb、V、Ti复合进行微合金化，采用控轧控冷获得细晶组织，获得优异力学性能和耐候性。中国专利CN108118244A的《一种高强耐候钢桥梁钢及其制备方法》公开了一种高强耐候钢的制备方法，其特点是Ni 0.9-1.3％，Cr0.9-1.3％，Ni、Cr含量较高，合金成本较高，同时采用控轧+水冷方式获得细晶组织，具有屈强比低、强度高、韧性好、高耐腐蚀性能。中国专利CN109252092A的《一种含稀土元素的免涂装耐候钢及其制备方法》公开了一种免涂装耐候钢的制备方法，具有优异的力学性能、耐大气腐蚀性能和焊接性能，但含稀土元素，成本较高，碳含量低，冶炼难度较大，同时采用控轧控冷+回火处理，工艺较复杂。

中国专利CN109161793A《一种低屈强比高强度耐候钢及其生产方法》公开了一种低屈强比高强度耐候钢及其生产方法，其特点是采用铝脱氧工艺，利用Nb、Ti复合进行微合金化，并采用控轧控冷获得细晶均匀组织，提高了钢的强韧性和抗震性。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢，该热轧H型钢具备抗震性能，同时满足耐大气腐蚀性能，并可以免涂装使用。

为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢，其化学成分按重量百分比数计包括：C：0.11％～0.15％、Si：0.15％～0.26％、Mn：0.79％～1.25％、P：≤0.025％、S：≤0.025％、Cu：0.25％～0.34％、Cr：0.42％～0.57％、Ni：0.16％～0.29％、Nb：0.018％～0.040％、Mo：≤0.10％，其余为铁和微量杂质。

本发明的热轧H型钢的主要组分及含量的设计机理如下：

C：碳是奥氏体稳定化元素，作为间隙原子，能起到有效的固溶强化作用进而提高强度，但会降低钢的耐候性能，因此一般要求耐候钢的碳含量低于0.16％，但是碳含量过低会降低钢的强度，本发明的碳含量控制在0.11％～0.15％之间。

Si：硅作为脱氧剂使用，能够达到净化钢水的作用，当硅作为合金元素使用时能溶解于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，本发明的硅含量控制在Si：0.15％～0.26％之间。

Mn：锰可以脱氧除硫，与S形成MnS进而脱硫，锰与铁形成固溶体可以提高钢的硬度和强度，但过高的锰含量易引起偏析，甚至降低耐腐蚀性能，本发明的锰含量控制在0.79％～1.25％之间。

S、P：硫是钢中的有害元素，硫以硫化物(FeS)的形式存在于钢中，FeS和S形成低熔点化合物，导致加工开裂。磷与铜联合使用，可以提高钢的耐蚀性，本发明的硫≤0.025％，磷≤0.025％。

Cu：铜在钢中的突出作用是改善钢的耐腐蚀性能，特别是和磷配合使用，加入铜还能提高钢的强度和屈强比。钢中的铜含量达到0.2％-0.5％范围时，钢的耐候性能提高明显，本发明的铜含量控制在0.25％～0.34％。

Cr：铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用，可以提高钢的强度和冲击性能。Cr和Cu、Ni元素一起可以显著提高钢的耐候性，耐候钢中Cr含量一般为0.4％～1.2％，本发明的铬含量控制在0.42％～0.57％。

Ni：镍可以强烈提高钢的强度，又可以使钢的韧性保持极高的水平，同时还可以显著改善钢的耐候性。当镍含量小于0.10％时，只有提高钢强度的作用，当镍含量大于0.10％后，具有稳定Cr、Cu元素的作用，提高钢的耐候性，本发明的镍含量控制在0.16％～0.29％。

Nb：微量铌元素可以显著细化晶粒，能提高钢的强度和冲击韧性，本发明的铌含量控制在0.018％～0.040％。

Mo：钼能显著提高钢的高温强度，同时能在钢材表面形成钼酸盐，可以防止氯离子的存在所产生的点蚀倾向，钼也是贵重元素，过高的钼会大幅度增加成本，本发明的钼含量≤0.10％。

本发明还提供了上述热轧H型钢的制备方法，所述制备方法主要包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、近终型异型坯连铸、轧制等，具体包括以下步骤：

1)铁水预脱硫：入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％；

2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼；

3)LF精炼：全程底吹氩搅拌，精炼软吹时间≥12分钟；出站钢中[O]<10ppm；

4)近终型异型坯连铸：全程保护浇注；

5)轧制。

在所述转炉冶炼步骤中，在放钢中过程加入硅钙钡3.0-3.5kg/吨钢脱氧。采用硅锰、硅铁、中碳铬铁、铜粒、镍板、铌铁、钼铁脱氧合金化；合金在钢水出至四分之一时开始均匀加入，钢水出至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入。因近终型异型坯具有腹板厚度仅为90mm，为避免连铸水口出现“套眼”，导致连铸生产不连续，因此不能采用铝脱氧。

在所述LF精炼步骤中，全程底吹氩搅拌，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力软吹，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹大于12分钟。根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化硅调整炉渣，出站前顶渣应达到白渣或黄白渣。精炼出站钢中[O]<10ppm。

在所述连铸步骤中，连铸采用套管式保护浇注工艺，采用包晶钢专用保护渣。二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～25℃控制，拉速为0.7～1.0m/min。

在所述轧制步骤中，加热炉的均热温度为1250～1300℃，铸坯在炉时间为180～240min。终轧温度控制在830～860℃。在轧制负荷允许的情况下，尽量增大立辊的轧制负荷。末道次立辊压下率不得小于10％，其余道次不得小于15％，轧材的规格为H 250mm×250mm×9mm×14mm。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、本发明通过添加Cu、Ni、Cr元素满足耐腐蚀性能要求，添加Mo、Nb元素结合热轧过程控制满足抗震性能，实现免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢生产。

2、本发明所述产品力学性能良好，具备抗震性能，同时满足耐大气腐蚀性能，可免涂装使用，屈服强度为389～459MPa，抗拉强度507～554MPa，强屈比≥1.20，延伸率30.5～32.5％，-20℃冲击功≥200J，180°d＝2a，碳当量≤0.42％，耐大气腐蚀指数I≥6.0。

3、本发明所述制备方法，产品生产过程中不需要进行在线和轧后热处理，因此生产工序少，生产成本较低。

具体实施方式

本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。

根据本发明实施例，免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢的制备方法包括脱硫、转炉冶炼(例如，120吨顶底复吹转炉冶炼)、近终型异型坯全保护连铸、轧制(例如，1-3轧机布置型式生产线轧制)。

具体地讲，在根据本发明实施例的免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢的制备方法中，连铸过程采用全保护浇铸,同时采用包晶钢专用保护渣。

本发明未提及的工序，均可采用现有技术。

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1-8

工艺路线为：铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→近终型异型坯全保护连铸→1-3轧机布置型式生产线轧制→检验入库。

制备方法主要工艺措施：

(1)铁水到脱硫站，入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％。

(2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼，钢包采用底吹良好的红净钢包，烘烤温度≥800℃。在放钢中过程加入硅钙钡3.0-3.5kg/吨钢脱氧。采用硅锰、硅铁、中碳铬铁、铜粒、镍板、铌铁、钼铁脱氧合金化，合金成分按中限控制；合金在钢水出至四分之一时开始均匀加入，钢水出至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入。

(3)LF精炼：全程底吹氩搅拌，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力软吹，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹大于12分钟。根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化硅调整炉渣，出站前顶渣应达到白渣或黄白渣。精炼出站钢中[O]<10ppm。

(4)近终型异型坯连铸：连铸采用套管式保护浇注工艺，采用包晶钢专用保护渣。二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～25℃控制，拉速为0.7～1.0m/min。

(5)轧制：加热炉的均热温度为1250～1300℃，铸坯在炉时间为180～240min。终轧温度控制在830～860℃。在轧制负荷允许的情况下，尽量增大立辊的轧制负荷。末道次立辊压下率不得小于10％，其余道次不得小于15％，轧材出精轧机后不进行水冷控制，在冷床自然冷却，轧材的规格为H 250mm×250mm×9mm×14mm。

(6)钢的化学成分重量百分比见表1，轧材力学性能记录表见表2。

表1钢的化学成分重量百分比％

表2轧材力学性能记录表

综上所述，实施例中钢材屈服强度为389～459MPa，抗拉强度507～554MPa，强屈比≥1.20，延伸率30.5～32.5％，-20℃冲击功≥200J，180°d＝2a，碳当量≤0.42％，耐大气腐蚀指数I≥6.0，具有抗震耐候性能并可免涂装使用。

本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

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 (8)

1.一种免涂装钢结构用抗震耐候热轧H型钢，其特征在于，所述热轧H型钢的化学成分按重量百分数计包括：C：0.11％～0.15％、Si：0.15％～0.26％、Mn：0.79％～1.25％、P：≤0.025％、S：≤0.025％、Cu：0.25％～0.34％、Cr：0.42％～0.57％、Ni：0.16％～0.29％、Nb：0.018％～0.040％、Mo：≤0.10％，其余为铁和微量杂质。

2.根据权利要求1所述的热轧H型钢，其特征在于，所述热轧H型钢的屈服强度为389～459MPa，抗拉强度507～554MPa，强屈比≥1.20，延伸率30.5～32.5％，-20℃冲击功≥200J，碳当量≤0.42％，耐大气腐蚀指数I≥6.0。

3.一种权利要求1或2所述热轧H型钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

1)铁水预脱硫：入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％；

2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼；

3)LF精炼：全程底吹氩搅拌，精炼软吹时间≥12分钟；出站钢中[O]<10ppm；

4)近终型异型坯连铸：全程保护浇注；

5)轧制。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在转炉冶炼步骤中，在放钢中过程加入硅钙钡3.0-3.5kg/吨钢脱氧。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在转炉冶炼步骤中，采用硅锰、硅铁、中碳铬铁、铜粒、镍板、铌铁、钼铁脱氧合金化；合金在钢水出至四分之一时开始均匀加入，钢水出至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入。

6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在LF精炼步骤中，精炼软吹大于12分钟，根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化硅调整炉渣，出站前顶渣达到白渣或黄白渣。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在连铸步骤中，采用包晶钢专用保护渣，二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～25℃控制，拉速为0.7～1.0m/min。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在轧制步骤中，加热炉的均热温度为1250～1300℃，铸坯在炉时间为180～240min；终轧温度控制在830～860℃；末道次立辊压下率不得小于10％，其余道次不得小于15％，轧材的规格为H 250mm×250mm×9mm×14mm。