CN110218938A - 一种焊接高热输入抗震耐火钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种焊接高热输入抗震耐火钢板及其制造方法，钢板的重量百分比化学成分为：C：0.01‑0.10%，Si：0.08‑0.25%，Mn：0.30‑0.80%，Mo：0.05‑0.20%，Nb：0.05‑0.12%，Cu：0‑0.6%，其余为Fe和不可避免的杂质，本发明还设计了一种焊接高热输入抗震耐火钢板的制造方法；本发明所设计的一种焊接高热输入抗震耐火钢板及其制造方法能够降低合金使用成本，具有高强度、高韧性、焊接热输入量大于120kJ/cm及耐火性能。

Description

一种焊接高热输入抗震耐火钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种焊接高热输入抗震耐火钢板及其制造方法，属于低合金建筑用钢制造领域。
背景技术
钢结构重量轻、施工快、空间大、舒适美观、抗震性好、可循环利用，在高层和大型公共建筑中应用越来越多，但是普通钢的耐火性能很差，随着温度的上升，其屈服强度下降较快，特别是在350℃以上高温时陡降，不具备承重能力，因此必须喷涂很厚的耐火涂层对钢结构进行保护，喷涂耐火涂层使钢结构建筑成本成倍增加，且延长工期，喷涂作业的飞溅还造成环境污染，减少使用或不使用耐火涂层成为开发耐火钢的驱动力。
由于Mo是提高高温强度的有效合金元素，20世纪80年代以来，日本率先研制并推出Mo系耐火钢板，耐火钢600℃的高温屈服强度必须不低于室温标准屈服强度的2/3，成分体系以Mo-Nb系和Mo-Nb-Cr系两种为主，主要利用Mo强烈的高温固溶强化作用，保证600℃的高温强度。这类耐火钢通常添加0.5wt.％或以上的Mo，合金成本高，不利于广泛应用。
韩国与中国国内耐火钢也大多添加高Mo，为降低合金成本，Mo含量有所下降，但仍然在0.3wt.％左右，如“一种耐火钢及其制备方法”(申请号：200810179362.6)、“一种高性能建筑结构用耐火钢板及其制造方法”(申请号：200910011963.0)、“低成本高强高韧抗震耐火钢及其制备工艺”(申请号：201110080774.6)等申请专利中的Mo含量为0.2-0.5wt.％，成本依然偏高。
另外，目前已公开的耐火钢制造方法多采用热处理、温轧等复杂生产工艺，增加了生产难度和工艺成本。如“焊接性和气割性优良的高强度耐火钢及其制造方法”(申请号：200680003630.8)，“钢坯或铸坯进行热轧后，放冷，接着再次加热到900-950℃的温度进行淬火，然后在AC1以下的温度进行回火处理”，即需要进行两次热处理。“建筑用耐火钢材的制造方法”(申请号：201610036632.2)和“一种屈服345MPa级耐火钢板及其生产方法”(申请号：201610807258.1)，都需进行回火热处理。“一种用于钢结构建筑的高强度耐火钢及其制备方法”(申请号：201810558103.8)，需“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”，接着“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的耐火钢”，需在600-675℃的铁素体区进行“温轧”，大大增加了轧机负荷，只能适用于轧制力较大的中厚板轧机，适应性不广泛，另外低温段温轧会产生很大的内应力，不利于钢板板形控制，也不能满足建筑钢对板形的高要求。
另外，目前公开的耐火钢因要保证高温耐火性，需添加大量的合金元素，通过合金元素的固溶、析出或对组织转变的影响来保证高温强度，但由此带来的不利影响是可焊性降低。仅“焊接性和气割性优良的高强度耐火钢及其制造方法”(申请号：200680003630.8)公开的耐火钢能满足60kJ/cm的焊接热输入量，其他公开的专利提及的耐火钢均不能满足大于50kJ/cm的大线能量焊接性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种能够降低合金使用成本，生产工艺简单，具有高强度、高韧性、焊接热输入量大于120kJ/cm及智能耐火性能的345MPa-460MPa系列焊接高热输入抗震耐火钢板。
为了解决以上技术问题，本发明首先提供一种焊接高热输入抗震耐火钢板，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.10％，Si：0.08-0.25％，Mn：0.30-0.80％，Mo：0.05-0.20％，Nb：0.05-0.12％，Cu：0-0.6％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供一种焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，其化学成分按重量百分比含有：C：0.01-0.10％，Si：0.08-0.25％，Mn：0.30-0.80％，Mo：0.05-0.20％，Nb：0.05-0.12％，Cu：0-0.6％，还含有Cr：0-0.6％、V：0-0.10％、Ti：0-0.10％、B：0.0008-0.0030％、Mg：0.0001-0.0020％中的至少一种，其余为Fe和不可避免的杂质。
钢板化学成分解析：
碳：本发明中的抗震耐火钢采用低碳成分设计，碳含量范围为0.01-0.10％，有效解决了碳含量较高对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利，明显损害焊接性能这一技术问题；另外碳含量超过0.10％，在轧制过程中与Nb等形成MC大量析出，增加室温屈服强度，提高屈强比，不能起到抗震作用，在高温着火过程中再次析出量少，不能起到高温强化作用；碳含量低于0.01％，在高温着火过程中析出的MC量少，不能起到高温强化作用。
硅：本发明钢的硅含量范围为0.08-0.25％有效防止了过量的Si对于钢的韧性及焊接性能的恶化，及Si低于0.08％钢水流动性差造成连铸困难。
锰：本发明钢Mn含量范围为:0.30-0.80％，不仅扩大了微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出，同时防止在铸坯中的偏析倾向增加而对焊接性能造成的不利；
钼：本发明中Mo的含量控制范围为0.05-0.20％，除了显著提高钢的淬透性，抑制P、S等杂质元素在晶界的偏聚而降低回火脆性外，在耐火钢中主要是起到高温固溶强化和析出强化作用；Mo含量低于0.05％时，上述作用效果不明显，超过0.20wt.％时，成本较高。
铌：本发明中Nb含量应控制在0.05-0.12％，轧制过程中固溶于奥氏体中的Nb和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，获得薄饼状奥氏体，有助于细化铁素体和贝氏体组织，固溶于奥氏体中的Nb还能够提高淬透性，固溶于铁素体和贝氏体中的Nb对提高高温强度也有显著作用。在着火高温过程中，Nb以碳化物第二相粒子大量“智能析出”，通过析出强化补偿钢基体的强度损失，从而提高耐火性能。Nb含量低于0.05％，析出强化效果不足以补偿基体强度的损失，高于0.12％则超出MC的最大析出量，且成本高。
铬：本发明中Cr含量根据耐火钢强度级别控制在0～0.6％，Cr不仅提高钢的淬透性、耐大气腐蚀性能及耐火性，同时防止较高的Cr将降低焊接性能。
钒：本发明中V的含量不超过0.10％，由于V具有较低的全固溶温度，均热时基本全部固溶，轧制过程中固溶的V能有效提高淬透性和提高再结晶温度，具有与Nb类似的着火智能析出作用，作为MC相的形成元素辅助添加。
钛：本发明钢中加入少量Ti是为了形成纳米级尺寸的TiN粒子，可以细化铸坯加热过程中奥氏体晶粒，Ti含量控制在0-0.10％范围内，高于0.10％将形成微米级尺寸的液析TiN，不仅不能起到细化晶粒作用，而且对钢板韧性有害。
铜：本发明添加Cu是因为Cu在着火高温过程中析出纳米颗粒，强化基体，提高高温强度，过量的Cu将使韧性降低，带来不利影响，且不经济，因此Cu含量一般不超过0.60％，对于强度级别较低的耐火钢，可以不特意加入，因此Cu的含量可以根据强度级别进行适量添加。
硼：本发明控制B范围为8-30ppm强烈偏聚于晶界而显著提高淬透性，过量的硼将产生含B析出相，带来不利影响，因此B含量一般不超过30ppm，对于强度级别较低、C含量较高的耐火钢，可以不特意加入，因此B的含量可以根据强度级别进行适量添加。
镁：本发明钢中可适当添加1-20ppm的Mg，能够形成大量细小弥散分布的夹杂物，尺寸为0.2～5μm的含Mg氧化物的复合夹杂物数量比传统钢高出数倍，有利于钉扎奥氏体晶粒并细化晶内组织，提高CGHAZ韧性，满足120kJ/cm以上抗大线能量焊接的性能。
本发明Nb含量应控制在0.05-0.15％，并通过在热轧后较快的冷速配合下，Nb的析出被抑制，以至于屈服强度不会过高，对室温下较低的屈强比有利，但未析出的Nb将在着火高温过程中会从铁素体和贝氏体中单独析出，或与V、Mo复合析出，形成纳米第二相，弥补钢在高温下因基体软化而造成的强度降低，提高高温强度；
本发明的Mo含量控制为0.05-0.20％，并配合本发明的轧制工艺，可以扩大微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出；另外，本发明通过Mo与其他微合金元素(Nb、V、或Ti)的配合，在着火过程中可以与其他微合金元素(Nb、V、或Ti)复合析出，增加析出量的同时能够提高析出物的热稳定性，从而稳定提高和保证钢在高温时的强度。
本发明进一步限定的技术方案是：
进一步的，所述的抗震耐火钢板为屈服强度345MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.07％，Si：0.08-0.18％，Mn：0.30-0.60％，Mo：0.10-0.20％，Nb：0.05-0.08％，Cu：0-0.3％，V：0.01-0.03％，其余为Fe和不可避免的杂质。
前述的抗震耐火钢板为屈服强度390MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.02-0.08％，Si：0.10-0.20％，Mn：0.40-0.70％，Mo：0.10-0.20％，Nb：0.06-0.10％，Cu：0％，V：0.02-0.05％，Cr：0.1-0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质。
前述的抗震耐火钢板为屈服强度420MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.03-0.10％，Si：0.15-0.20％，Mn：0.60-0.80％，Mo：0.10-0.20％，Nb：0.06-0.12％，Cu：0％，V：0.03-0.10％，Cr：0.2-0.6％，Ti：0.005-0.05％，Mg：0.0001-0.0008％，其余为Fe和不可避免的杂质。
前述的抗震耐火钢板为屈服强度460MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.04-0.10％，Si：0.16-0.25％，Mn：0.60-0.80％，Mo：0.05-0.10％，Nb：0.05-0.08％，Cu：0.1-0.6％，B：0.0008-0.0030％，Ti：0.01-0.10％，Mg：0.0002-0.0020％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还设计了一种焊接高热输入抗震耐火钢板的制造方法，将与所述抗震耐火钢具有相同组分的钢水依次经过转炉或电炉工序冶炼，炉外精炼工序，钢水浇注连铸坯工序，加热炉加热工序以及中厚板轧机轧制冷却工序，在轧制过程中将轧制温度控制在1050℃-900℃之间，轧制道次间采用中间坯穿水装置，将钢板表面和芯部温度差控制在50℃-100℃，通过控制轧制控制冷却简单工艺生产具有全板厚均匀细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织的焊接高热输入抗震耐火钢，细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织保证了高的室温强度和低屈强比，细晶组织和大量微合金第二相在着火过程中智能析出，保证高温强度。
制得的钢板其特征在于，所述抗震耐火钢板具有抗震性和智能型耐火性，屈服强度为345MPa级钢、390MPa级钢、420MPa级钢或460MPa级钢的高强度，韧脆转变温度低于-60℃的高韧性，600℃高温屈服强度分别不低于室温屈服强度的2/3，具有抗120kJ/cm以上焊接高热输入量的性能。
综上所述：本发明采用低Mo、适量Nb、低V、微Ti多元复合微合金化和低碳成分设计，通过控制轧制控制冷却简单工艺生产具有全板厚均匀细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织的焊接高热输入抗震耐火钢，细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织保证了高的室温强度和低屈强比，细晶组织和大量微合金第二相在着火过程中智能析出，保证高温强度，具有抗震性和智能型耐火性；低的碳含量和碳当量设计，添加少量的Nb、V，降低较多的Mo，降低了合金成本，通过控轧控冷获得细晶组织，具有高强度、高韧性和优异的焊接性。
具体实施方式
实施例1--4
本发明制造了四种不同重量百分比化学成分的连铸坯，如表1所示分别为编号A、B、C和D：
A：其重量百分比化学成分为：C：0.06％，Si：15％，Mn：0.50％，Mo：0.17％，Nb：0.05％，V：0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。
B：其重量百分比化学成分为：C：0.07％，Si：0.18％，Mn：0.60％，Mo：0.16％，Nb：0.065％，V：0.045％，Cr：0.30％，其余为Fe和不可避免的杂质。
C：其重量百分比化学成分为：C：0.04％，Si：0.15％，Mn：0.72％，Mo：0.12％，Nb：0.09％，V：0.05％，Cr：0.60％，Ti：0.025％，Mg：0.0004％，其余为Fe和不可避免的杂质。
D：其重量百分比化学成分为：C：0.09，Si：0.23％，Mn：0.60％，Mo：0.08％，Nb：0.07％，Cu：0.60％，B：0.0021％，Ti：0.03％，Mg：0.0014％，其余为Fe和不可避免的杂质。
将上述的四种连铸坯利用本发明所设计的制造方法分别进行制备，共制造了8块焊接高热输入抗震耐火钢板，制造出的8块焊接高热输入抗震耐火钢板，采用其他常见耐火钢的成分，制备了对比例的耐火钢板。化学成分及轧制工艺在表1和表2中列出，力学性能在表3和表4中列出。
采用本发明制得的耐火钢板具有良好的强韧性、强塑性匹配，韧脆转变温度低于-66℃，高温强度优异，在120kJ/cm以上高热输入焊接下，焊接粗晶区-40℃低温冲击功仍保持在80J以上。对比实施例，采用其他常见耐火钢的高Mo成分，制得的耐火钢板室温屈强比高于0.85，不满足抗震要求，母材-40℃低温冲击功67J-115J，远低于本发明实施例钢板，韧脆转变温度也远高于本实施例钢板。通过对比可见，本发明技术方案限定的成分组成及参数范围的合理性和优点。在120kJ/cm以上高热输入焊接下，对比例钢板焊接粗晶区-40℃低温冲击功低于27J，不能抗高热输入焊接。
表1焊接高热输入抗震耐火钢板的化学成分(wt.％)
表2焊接高热输入抗震耐火钢板的轧制工艺
钢板号 钢坯号 开轧温度(℃) 终轧温度(℃) 返红温度(℃)
1 A 1042 915 687
2 A 1030 902 660
3 B 1007 926 654
4 B 991 904 633
5 C 1050 932 518
6 C 1022 903 611
7 D 988 928 644
8 D 1017 900 593
9 对比例1 1026 915 597
10 对比例1 1030 908 634
11 对比例2 1013 937 588
12 对比例2 983 929 606
表3焊接高热输入抗震耐火钢板的机械性能
表4焊接高热输入抗震耐火钢板的冲击性能
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.10%，Si：0.08-0.25%，Mn：0.30-0.80%，Mo：0.05-0.20%，Nb：0.05-0.12%，Cu：0-0.6%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.一种焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，其化学成分按重量百分比含有：C：0.01-0.10%，Si：0.08-0.25%，Mn：0.30-0.80%，Mo：0.05-0.20%，Nb：0.05-0.12%，Cu：0-0.6%，还含有Cr：0-0.6%、V：0-0.10%、Ti：0-0.10%、B：0.0008-0.0030%、Mg：0.0001-0.0020%中的至少一种，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，所述的抗震耐火钢板为屈服强度345MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.01-0.07%，Si：0.08-0.18%，Mn：0.30-0.60%，Mo：0.10-0.20%，Nb：0.05-0.08%，Cu：0-0.3%，V：0.01-0.03%，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求2所述的焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，所述的抗震耐火钢板为屈服强度390MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.02-0.08%，Si：0.10-0.20%，Mn：0.40-0.70%，Mo：0.10-0.20%，Nb：0.06-0.10%，Cu：0%，V：0.02-0.05%，Cr：0.1-0.5%，其余为Fe和不可避免的杂质。
5.根据权利要求2所述的焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，所述的抗震耐火钢板为屈服强度420MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.03-0.10%，Si：0.15-0.20%，Mn：0.60-0.80%，Mo：0.10-0.20%，Nb：0.06-0.12%，Cu：0%，V：0.03-0.10%，Cr：0.2-0.6%，Ti：0.005-0.05%，Mg：0.0001-0.0008%，其余为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求2所述的焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，所述的抗震耐火钢板为屈服强度460MPa级钢，其重量百分比化学成分为：C：0.04-0.10%，Si：0.16-0.25%，Mn：0.60-0.80%，Mo：0.05-0.10%，Nb：0.05-0.08%，Cu：0.1-0.6%，B：0.0008-0.0030%，Ti：0.01-0.10%，Mg：0.0002-0.0020%，其余为Fe和不可避免的杂质。
7.根据权利要求1或2所述的焊接高热输入抗震耐火钢板，其特征在于，所述抗震耐火钢板屈服强度为345MPa级钢、390MPa级钢、420MPa级钢或460MPa级钢的高强度，韧脆转变温度低于-60℃，600℃高温屈服强度不低于室温屈服强度的2/3，具有抗120kJ/cm以上焊接高热输入量的性能。
8.根据权利要求1或2所述的焊接高热输入抗震耐火钢板的制造方法，其特征在于，将与所述抗震耐火钢具有相同组分的钢水依次经过转炉或电炉工序冶炼、炉外精炼工序、钢水浇注连铸坯工序、加热炉加热工序以及中厚板轧机轧制冷却工序，在轧制过程中将轧制温度控制在1050℃-900℃之间，轧制道次间采用中间坯穿水装置，将钢板表面和芯部温度差控制在50℃-100℃，通过控轧控冷生产具有全板厚均匀细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织的焊接高热输入抗震耐火钢，细晶铁素体/粒状贝氏体组织或粒状贝氏体组织保证了高的室温强度和低屈强比，细晶组织和大量微合金第二相在着火过程中智能析出，保证高温强度，钢板屈服强度为345MPa级钢、390MPa级钢、420MPa级钢或460MPa级钢的高强度，韧脆转变温度低于-60℃的高韧性，600℃高温屈服强度分别不低于室温屈服强度的2/3，具有抗120kJ/cm以上焊接高热输入量的性能。
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