CN110241361A - 一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢及其制备方法，属于建筑钢领域。其化学成分为:C:0.06‑0.08％，Mn:1.4‑1.6％，Si:0.15‑0.25％，Cr:0.3‑0.5％，Mo:0.20‑0.35％，Nb：0.02‑0.04％，Ti:0.1‑0.15％，V:0.06‑0.11％，Cu:0.25‑0.30％，Ni:0.30‑0.35％，P:＜0.012％，S:＜0.002％，余为铁和不可避免的微量的化学元素。采用常规真空冶炼并浇铸成坯；对铸坯进行加热；热轧成H型钢，空冷至室温，得到双相组织。本发明可广泛应用于高层、超高层同时满足高强度、抗震及耐火要求的建筑H型钢。

Description

一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢及其制备方法

技术领域

本发明属于建筑用结构钢领域，特别设计一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢及其制备方法，其特别适用于热轧工艺生产。

技术背景

高层钢结构建筑物快速发展，对用于制作柱、梁等结构件的钢板在强度、防火性能、耐候性能、抗震性能等方面均提出了新的要求。随着建筑钢结构的快速发展，国内屈服强度460MPa级别及以下的抗震建筑结构用钢的中厚板己经进入普遍应用和推广的阶段，但抗震耐火建筑H型钢的研究较少。新日铁公司对抗拉强度为400～780MPa的几种典型钢进行了高温拉伸试验,试验表明:所有试验钢的屈服强度(σs)在500～600℃范围内急剧下降,在700℃或700℃以上时σs降至50MPa。因难以克服材料强度随温度而骤降的困难，目前主要耐火建筑结构用钢的耐火温度设定为600℃，即460MPa级耐火钢经600℃保温3小时后，其屈服强度不低于310MPa。本发明研究一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢及其制备方法，在保证其常规力学性能的同时，提高抗震耐火建筑钢的耐火性能，尤其是提高耐火温度至650℃。

经检索，公开号为CN108220798A的文献，公开了一种460MPa级抗震耐火建筑钢及其制备方法。其化学成分为:C:0.03-0.08％，Mn:1.0-1.8％，Si:0.1-0.5％，Cr:0.2-0.7％，Mo:0.1-0.3％，Ti:0.05-0.12％，V:0.04-0.12％，Nb:0.O1-0.06％，Al:0.01-0.05％，P:≤0.008％，S:≤0.002％，余为铁和不可避免的微量的化学元素。该钢种通过控轧控冷以及两相区的等温处理得到460MPa级的低屈服比的抗震钢板。但其生产过程工艺复杂，适应于建筑用钢板，对形状较为复杂的H型钢而言，由于复杂的形状容易导致控轧过程中温度不均匀而导致控轧难以控制，且控冷过程也很难确保不同位置的冷却速度均匀，因此改钢种对H型钢而言适应性不强。且这种通过后续两相区热处理获得铁素体+贝氏体/马氏体组织以获得低屈强比，实现抗震性能。为防止因两相区高温热处理带来的强度太低而添加了大量的Ti、V、和Nb元素形成析出强化，但是这种高温析出的微合金化元素的碳化物尺寸粗大，从而导致析出强化效果减弱，进而导致耐火温度为较低的600℃。

经检索，公开号为CN103866188A的文献，公开了屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及生产方法。该钢种其化学成分重量百分比:C:0.095-0.180％，Si:0.28-0.55％，Mn:1.40-1.60％，P:≤0.008％，S:≤0.002％，Nb:0.014-0.045％，Ti:O.004-0.030％，V:0.034-0.044％，Mo:0.09-0.29％,W:0.06-0.12％,Mg:O.0080-0.0100％，Sn:0.08-0.13％,O:≤0016％；工艺:铁水脱硫；转炉冶炼:真空处理:铸坯加热:分段轧制:冷却:待用。该钢种为了提高强度，C含量相对较高，因此其焊接性能收到一定影响。此外，由于其C含量较高，Ti、V、和Nb元素含量不宜过高，因为过高的Ti、V、和Nb含量在高C含量的情况下容易在凝固、高温轧制过程中析出较大的碳化物、碳氮化物颗粒，不仅影响Ti、V、和Nb的析出强化效果，大的析出物对韧性也不利，因此该专利的合金设计不利于推广使用。

经检索，公开号为CN201110080774.6的文献公开了一种低成本高强高韧抗震耐火钢及其制备工艺。该钢种包含按重量百分比计的如下组分:C:0.05-0.09％，Si：0.10-0.30％，Mn:0.60-1.00％，Mo:0.20-0.40％，Cr<0.10％，Cu<0.10％，Ni<0.10％，Nb:0.02-0.04％，V:0.O1-0.04％，Ti:0.O1-0.04％，Al:0.02-0.04％，N：≤0.006％，P：≤0.O10％，S：≤0.006％，以及Fe及杂质。其制备工艺包括依次进行的保温处理、两阶段轧制和冷却工序。该发明钢种采用Mo+Nb合金体系，成分简单，贵合金元素含量少，合金成本低，但是采用了控制轧制和控制冷却技术，工艺成本较传统热轧后空冷高。此外，该发明中的析出强化元素Ti和V含量较低，在600℃及以上高温耐火过程中Ti和V析出较少，因此更高温度耐火性能(尤其是650℃时)可能难以得到保障。

上述专利文献共性不足：制备工艺较为复杂，均需要控制轧制和控制冷却，难以满足形状复杂的H型钢的生产需求；均未指明利用TiC相间析出高温回火不易粗化，从而发挥优异的耐火性能；均未采用V和Ti复合添加，未保留部分V在高温耐火过程中仍持续析出，不涉及与TiC相间析出发挥协同作用，从而未能最终实现650℃时的耐火性能；

发明内容

本发明目的在于提供一种使用性能满足GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》要求的前提下，通过热轧状态交货，无需复杂热处理工艺，具有较宽的工艺窗口，屈服强度≥460MPa,屈强比≤0.80，断后延伸率≥25％，-20℃KV2≥50J，耐火性能：650℃保温3小时屈服强度不低于室温下的2/3。

本发明目的在于通过较高Ti的添加，通过热轧空冷得到大量的相间TiC析出，通过析出强化同时提高钢的屈服强度和抗拉强度，获得低屈强比，保证抗震性能；此外，利用TiC相间析出高温回火不易粗化，并通过添加V，在650℃保温过程中得到大量VC纳米析出，高密度的纳米TiC和VC析出，发挥协同作用，实现耐650℃高温性能。

一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢，其特征在于，化学成分的质量百分比要求为:C:0.06-0.08％，Mn:1.4-1.6％，Si:0.15-0.25％，Cr:0.3-0.5％，Mo:0.20-0.35％，Nb：0.02-0.04％，Ti:0.1-0.15％，V:0.06-0.11％，Cu:0.25-0.30％，Ni:0.30-0.35％，P:＜0.012％，S:＜0.002％，余为铁和不可避免的微量的化学元素。

上述的460MPa级抗震耐火建筑H型钢的制备方法，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸，采用热轧，其特征在于：轧制工艺中控制的技术参数为：

1)再加热温度1150-1200℃，保温2h以上；

2)开轧温度≤1050℃；

3)终轧温度≥900℃；

4)空冷至室温。

上述的460MPa级抗震耐火建筑H型钢的制备方法，其轧制后的组织为多边形的铁素体为主，少量珠光体或贝氏体的双相组织，铁素体占比85％以上，且铁素体存在大量相间析出，主要为TiC,提供析出强化。H型钢力学性能如下：(1)常规力学性能：屈服强度≥460MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥25％，-20℃KV2≥50J；(2)抗650℃高温性能：在650℃保温3小时屈服强度不低于室温下的2/3。

本发明主要化学成分限定理由如下：

提高力学性能化学成分限定理由

C:C是提高钢材强度最有效的元素，C含量的增加钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但延伸率和冲击韧性下降，耐腐蚀能力也会下降，而且钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。为保证钢板获得良好的综合性能，本发明钢C元素含量设计为0.06-0.08％。

Mn:Mn是重要的强韧化元素，且成分低廉，随着锰含量的增加，钢的强度明显提升，改善钢的加工性能，而韧脆转变温度几乎不发生变化。但锰含量过高，会抑制铁素体的转变，影响钢的屈服强度，不利于屈强比的控制。本发明钢的Mn元素含量设计为1.4-1.6％。

Nb:Nb在轧制过程中固溶于奥氏体中的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，细化奥氏体晶粒进而细化铁素体等的晶粒，提高强度。Nb固溶于奥氏体的还能够提高淬透性，着火过程中析出的碳化Nb粒子或与V、Mo复合析出第二相，提高高温强度。因此本发明钢中Nb元素含量设计为0.02-0.04％。提高高温性能化学成分限定理由

Ti:Ti在钢中固溶度较低，易在奥氏体中析出，钉扎在晶界处，阻止晶粒长大和再结晶，可以起到细化晶粒作用，另外Ti还是钢中强脱氧剂，能使钢内部组织致密，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，提高高温强度。本发明钢中钛元素含量设计为0.1-0.15％。

提高耐候性能化学成分限定理由

Si:Si能改善钢的耐腐蚀性能，常被添加到不锈钢、低合金钢、耐蚀合金中，以提高这些合金的耐蚀性，使它们具有耐氯化物应力腐蚀破裂、耐点蚀、耐热浓硝酸腐蚀、抗氧化、耐海水腐蚀等性能。研究表明，在湿热大气环境中，Si能明显改善碳钢和低合金钢的耐大气腐蚀性能，另外，Si还能提高低合金钢在海水中飞溅带的耐蚀性。本发明钢的Si元素含量设计为0.17-0.21％。

Cr:Cr能提高钢的强度、硬度和耐大气腐蚀性能，加入其他合金元素时，效果较显著。铬可以减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，但亦增加钢的回火脆性倾向。但铬含量过高时，会降低基材和热影响区的韧性。本发明钢的Cr元素含量设计为0.32-0.45％。

Mo:Mo元素可以提高腐蚀的均匀性，抑制局部腐蚀。此外，Mo也是提高钢板高温强度最有效的元素。通常其含量越高，其高温强度越高，但Mo元素成本较高，过量可引起焊接性能下降。本发明钢的Mo元素含量设计为0.20-0.36％。

Cu：Cu除了具有与Ni大体相同的作用外，Cu的析出物还有提高钢的高温强度和耐大气腐蚀性能。本发明钢的Cu元素含量设计为0.25-0.32％。

P,S：P,S是钢中的杂质元素。P具有一定的提高耐腐蚀性作用，但P是一种易于偏析的元素，在钢的局部产生严重偏析，降低塑性及韧性，对低温韧性极为有害。S元素在钢中易于偏析和富集，是对耐腐蚀性能用害的元素。本发明钢，在冶金质量方面严格控制了硫、磷含量水平，即P:0.012％,S＜0.002％，以满足钢种对纯净度、冲击韧性、焊接性能以及耐腐蚀性能的要求。

本发明的H型钢具有如下优点:

1)钢板化学成分简单，容易冶炼；轧制工艺简单，成本低，且热轧后空冷容易实现复杂形状的钢材生产；钢的强度高(屈服强度:≥460MPa)，耐火性能优异(650℃屈服强度不低于室温下的2/3)。此外，钢种也具有优良的低温冲击韧性。

2)通过高Ti含量(Ti≥0.1％)控制，利用Ti脱氧,能使钢内部组织致密，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，相间析出在高温保温过程中不易粗化，可以有效提高高温强度。此外，V的固溶度高于Ti，在轧后空冷发生铁素体相变时Ti优先形成TiC相间析出，而V可以固溶态保留在基体中，遇到高温时再析出成小于10纳米的VC，与TiC发挥协同作用，实现更高温度的耐火性能。

3)本发明钢可用于对钢强度、耐火性能抗震性能均有一定要求的建筑结构及装置。可以改善或者减少因火灾、地震引起的人员及财产损失，提高使用安全性。

附图说明

图1为本发明实施例1钢经过硝酸酒精侵蚀后光学显微镜观察的金相图，

图2为本发明实施例1钢650℃保温3小时后经过高氯酸酒精双喷减薄后透射电镜下纳米TiC相间析出,

图3为本发明钢650℃保温3小时后经过高氯酸酒精双喷减薄后透射电镜下纳米VC析出。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于解释的目的，本发明保护范围不限于本实施例。

下面对本发明作进一步的描述:

表1为本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表

表2为本发明各实施例及对比例的力学、耐火性能检测结果列表

表1本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表

实施例	C	Mn	Si	Cr	Mo	Nb	Ti	V	C<sub>u</sub>	Ni	B	P	S
														1	0.08	1.43	0.21	0.32	0.36	0.04	0.1	0.11	0.32	0.31	—	0.012	﹤0.002
2	0.06	1.57	0.17	0.45	0.20	0.02	0.15	0.06	0.25	0.35	—	0.012	﹤0.002
														对比例1	0.08	1.42	0.16	0.34	0.27	0.07	0.023	0.11	0.32	0.31	—	0.014	0.013
对比例2	0.08	1.38	0.15	0.32	0.35	0.01	0.017	0.07	0.4	0.31	0.0015	0.012	﹤0.002

表2本发明各实施例及对比例的力学、耐火性能检测结果列表

通过表2数据可以看出:

1)本发明的实施例钢材产品的屈服强度、屈强比、延伸率、冲击韧性都达到460MPa级抗震耐火建筑钢的要求，而对比例1明显强度未达到要求，对比例2钢材延伸率和冲击韧性都较差，未达标。

2)本发明实施例钢材的耐火性能优良，满足650℃保温三小时后屈服强度不低于室温下2/3的规定。

3)通过图1可以看出，本发明实施例1的H型钢主要以铁素体为主辅之以少量的珠光体/贝氏体组织。图2可以明显看出实施例1中钢产品组织中存在明显的相间析出，在650℃下保温三小时，相间析出无明显粗化现象，大小仍在20纳米以下，析出强化效果依然存在。图3可以看出，实施例1中钢在650℃保温3小时后，还有高密度的10纳米以下VC析出，其与相间析出一起发挥着很好的高温下析出强化效果，因此实施例的耐火性能优良。

Claims (4)

1.一种460MPa级抗震耐火建筑H型钢，其特征在于，化学成分的质量百分比要求为:C:0.06-0.08％，Mn:1.4-1.6％，Si:0.15-0.25％，Cr:0.3-0.5％，Mo:0.20-0.35％，Nb：0.02-0.04％，Ti:0.1-0.15％，V:0.06-0.11％，Cu:0.25-0.30％，Ni:0.30-0.35％，P:＜0.012％，S:＜0.002％，余为铁和不可避免的微量的化学元素。

2.根据权利要求1所述的460MPa级抗震耐火建筑H型钢的制备方法，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸，轧制采用热轧，其特征在于：轧制工艺中控制的技术参数为：

1)再加热温度1150-1200℃，保温2h以上；

2)开轧温度≤1050℃；

3)终轧温度≥900℃；

4)空冷至室温。

3.根据权利要求2所述460MPa级抗震耐火建筑H型钢的制备方法，其轧制后的组织为多边形的铁素体为主，少量珠光体或贝氏体的双相组织，铁素体占比85％以上，且铁素体存在大量相间析出，主要为TiC,提供析出强化。

4.如权利要求2或3所述460MPa级抗震耐火建筑H型钢的制备方法,其特征在于所述H型钢力学性能如下：(1)常规力学性能：屈服强度≥460MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥25％，-20℃KV2≥50J；(2)抗650℃高温性能：在650℃保温3小时屈服强度不低于室温下的2/3。