CN112501499A - 一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板及其制造方法 - Google Patents

一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板及其制造方法，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.06~0.12%，Si：0.10~0.50%，Mn：0.90~1.60%，P：<0.015%，S：<0.01%，Cr：0.20%~0.70%，Mo：0.15~0.22%，Nb：0.065~0.110%，V：0.015~0.045%，Ti：0.01~0.04%，Al：0.01~0.04%，N：<0.0060%。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。本发明采用低钼、高铌的成分设计思路，通过低钼的设计来有效降低钢的成本，通过铌在高温下的析出强化来提高高温性能，同时通过控轧控冷的手段使钢种产生一定量的贝氏体组织，通过贝氏体良好的高温性能来调控钢的高温强度，轧制方式为热轧，减少生产成本，具有较大的应用前景和经济效益。

Description

一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种抗震耐火钢板及其制造方法，尤其涉及100mm厚屈服强度460MPa级热轧抗震耐火钢板及其生产方法，属于合金钢制造技术领域。
背景技术
近些年，我国的超高层及大跨度钢结构建筑的建设进入快速发展的时期，随着钢结构建筑的高度、跨度的不断增大，对建筑结构钢的强度以及厚度提出了更高的要求，以前普遍采用的Q345MPa级钢板已经不能满足钢结构建筑的发展需求。随着钢结构建筑的蓬勃发展，极大地促进了建筑结构用钢朝着高强度、大厚度方向发展。
普通建筑用钢的耐火性能很差，随着温度的升高，其屈服强度快速下降，尤其是温度高于350℃时出现剧烈下降，不具备高温下的承重能力，因此需要喷涂很厚的耐火涂层来对钢结构进行耐火保护，耐火涂层的使用使得建筑成本增加的同时造成严重的环境污染以及大大延长工期。基于安全性、经济性、造型美观、空间利用率等方面的要求，大厚度耐火钢以其高强、轻量、耐火、抗震以及相比于防火涂料来说无污染等优势将成为世界各国超高层及大跨度的大型建筑结构的首选材料。
研究表明，钢中不同组织类型的耐火性能不同，贝氏体组织的耐火性能明显高于铁素体组织。传统耐火钢以高Mo(一般不小于0.5Wt.％)的成分设计，通过Mo元素强烈的高温固溶强化效应来满足其高温强度的损失，但是，Mo元素由于其较为昂贵而使得钢的成本大大增加。因此，目前很多研究者把目光聚焦在降Mo的方式来降低成本，为了弥补Mo元素的降低带来的高温强度的损失，研究者们通过添加适量的微合金元素(Nb、V、Ti)，通过微合金元素的高温析出强化同时加以组织的调控来弥补高温下钢强度的损失，组织调控主要是通过控轧控冷的方式使钢中生成一定量的贝氏体组织。
发明内容
本发明的目的在于开发一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板及其制造方法，所述的100mm规格耐火钢板具有优异的综合性能，其对于降低特厚规格抗震耐火钢的生产制造难度、提高性能合格率，所生产的耐火钢板对于超高层及大跨度绿色钢结构建筑的发展具有重要意义。
对于100mm特厚规格热轧耐火钢板，其主要生产难点在于钢板轧成的难度较大，由于冷却过程中冷速慢，冷却过程中难以得到一定量的贝氏体组织，因此高温性能难以保证，同时板形的控制也是重要难点，因此，目前此类特厚规格的抗震耐火钢的生产难度很大，目前未检索到专门针对此类特厚规格耐火钢的相关专利及报道。
本发明具体采用如下技术方案：
一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板及其制造方法，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.06～0.12％，Si：0.10～0.50％，Mn：0.90～1.60％，P：<0.015％，S：<0.01％，Cr：0.20％～0.70％，Mo：0.15～0.22％，Nb：0.065～0.110％，V：0.015～0.045％，Ti：0.01～0.04％，Al：0.01～0.04％，N：<0.0060％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.065％，Si：0.15％，Mn：1.58％，P：0.014％，S：0.008％，Cr：0.46％，Mo：0.17％，Nb：0.086％，V：0.02％，Ti：0.015％，Al：0.028％，N：0.005％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.089％，Si：0.25％，Mn：1.21％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：0.34％，Mo：0.15％，Nb：0.068％，V：0.03％，Ti：0.022％，Al：0.035％，N：0.004％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.110％，Si：0.38％，Mn：0.95％，P：0.011％，S：0.007％，Cr：0.65％，Mo：0.21％，Nb：0.099％，V：0.015％，Ti：0.028％，Al：0.018％，N：0.004％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
本发明还设计了一种100mm厚屈服强度460MPa级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坯依次经过转炉冶炼工序、炉外精炼工序、钢水浇筑连铸坯工序生产出目标成分的抗震耐火钢连铸坯；连铸坯一次经过板坯加热炉加热工序、中厚板轧机开坯轧制、过度坯再加热、中厚板轧机连续轧制、控制冷却、钢板矫直、剪切分段生产出目标成分的抗震耐火钢板，其特征在于：
(1)板坯加热炉加热工序：加热温度为1140℃～1180℃，在炉时间10～13min/cm，钢内部获得均匀的原始奥氏体组织；
(2)宽厚板轧机轧制工序：采用控轧控冷工艺，为两阶段轧制：粗轧温度为980～1080℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率42～45％，该阶段为奥氏体再结晶区控制轧制，对原奥氏体晶粒进行反复轧制，第一道次采用大压下使原奥氏体晶粒产生大变形，使之产生一定的临界应变从而继续发生再结晶起到减小再结晶后晶粒尺寸的效果；精轧开始温度为870～900℃，精轧后三道次累计压下率大于30％，该阶段为奥氏体未再结晶区控制轧制，奥氏体晶粒被沿着轧制方向拉伸，晶粒内部会产生明显的变形引发的带状组织，抗震耐火钢通过添加适量的Nb、Ti等微合金元素，在轧制过程中通过应变诱导析出微合金元素的碳氮化物第二相，起到钉扎奥氏体晶粒的作用，从而进一步细化相变后的组织；终轧温度为860～890℃；
(3)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为850～880℃，冷速10～20℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度400℃～450℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
本发明所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，根据前述的生产方法，钢板最终组织为粒状贝氏体+块状铁素体组织，钢板具有良好的板形(不平度3mm/m)以及优异的综合性能。
本发明的优异效果为：
(1)采用0.15～0.22％低Mo、0.065～0.110％高Nb成分设计。Mo元素能够有效提高耐火钢高温强度，但是其成本较高，本发明控制Mo含量上限为0.22％，其作用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，在耐火钢中主要起到高温固溶强化和析出强化的作用，同时，低Mo成分设计显著降低耐火钢成本；本发明控制Nb含量在0.065～0.110％，通过Nb-Mo复合添加，常温下Nb处于固溶状态，高温拉伸保温过程大量析出，从而起到弥补高温屈服强度损失的效果，如果Nb含量过低则析出强化增量不足以弥补高温屈服强度的损失。
(2)采用热轧交货的方式，通过宽厚板轧机控制终轧温度为860～890℃，入水温度为850～880℃，通过层流冷却的方式控制冷速为10～20℃/s，返红温度控制在400～450℃，以控制耐火钢的组织组成，降低生产成本；
(3)钢板全厚度方向具有优异的综合性能，包括高室温强度、低屈强比、高延伸率、优异的-40℃低温冲击韧性以及优异的600℃高温拉伸性能；
(4)本发明对于降低特厚规格抗震耐火钢的生产制造难度、提高性能合格率，所生产的耐火钢板对于超高层及大跨度绿色钢结构建筑的发展具有重要意义。
本发明采用低钼、高铌的成分设计思路，通过低钼的设计来有效降低钢的成本，通过铌在高温下的析出强化来提高高温性能，同时通过控轧控冷的手段使钢种产生一定量的贝氏体组织，通过贝氏体良好的高温性能来调控钢的高温强度，轧制方式为热轧，减少生产成本，相较于现有的用于高层建筑耐火钢更加经济实惠，同时100mm厚抗震耐火钢板对于超高层及大跨度绿色钢结构建筑的发展具有重要意义，且目前尚没有专门针对此类热轧特厚规格耐火钢的相关专利及报道，因此具有较大的应用前景和经济效益。
附图说明
图1为本发明中实施例1对应的100mm厚热轧抗震耐火钢板显微组织的OM照片；
图2为本发明中实施例2对应的100mm厚热轧抗震耐火钢板显微组织的OM照片；
图3为本发明中实施例3对应的100mm厚热轧抗震耐火钢板显微组织的OM照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于以下实施例。
实施例1：
一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.065％，Si：0.15％，Mn：1.58％，P：0.014％，S：0.008％，Cr：0.46％，Mo：0.17％，Nb：0.086％，V：0.02％，Ti：0.015％，Al：0.028％，N：0.005％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。其制造方法，包括以下工艺步骤：
(1)分别经过转炉冶炼工序、炉外精炼工序、钢水浇筑连铸坯工序，浇筑成厚度为320mm，长度为3000mm的坯料，铸坯化学成分为：C：0.065％，Si：0.15％，Mn：1.58％，P：0.014％，S：0.008％，Cr：0.46％，Mo：0.17％，Nb：0.086％，V：0.02％，Ti：0.015％，Al：0.028％，N：0.005％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。
(2)板坯加热炉加热工序：加热温度为1140℃，在炉时间320min，钢内部获得均匀的原始奥氏体组织；
(3)宽厚板轧机轧制工序：采用控轧控冷工艺，为两阶段轧制：粗轧温度为980～1080℃，第一道次压下量30mm，待温坯厚度180mm，粗轧阶段累积压下率为43.75％；精轧开始温度为870℃，精轧后三道次累计压下率为35％；终轧温度为865℃；
(4)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为854℃，冷速10～20℃/s，终冷返红温度410℃℃，随后空冷至室温。
实施例2：
一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.089％，Si：0.25％，Mn：1.21％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：0.34％，Mo：0.15％，Nb：0.068％，V：0.03％，Ti：0.022％，Al：0.035％，N：0.004％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。其制造方法，包括以下工艺步骤：
(1)分别经过转炉冶炼工序、炉外精炼工序、钢水浇筑连铸坯工序，浇筑成厚度为320mm，长度为3000mm的坯料，铸坯化学成分为：C：0.089％，Si：0.25％，Mn：1.21％，P：0.012％，S：0.009％，Cr：0.34％，Mo：0.15％，Nb：0.068％，V：0.03％，Ti：0.022％，Al：0.035％，N：0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。
(2)板坯加热炉加热工序：加热温度为1160℃，在炉时间360min，钢内部获得均匀的原始奥氏体组织；
(3)宽厚板轧机轧制工序：采用控轧控冷工艺，为两阶段轧制：粗轧温度为980～1080℃，第一道次压下量30mm，待温坯厚度185mm，粗轧阶段累积压下率为42.18％；精轧开始温度为880℃，精轧后三道次累计压下率为35％；终轧温度为873℃；
(4)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为860℃，冷速10～20℃/s，终冷返红温度425℃，随后空冷至室温。
实施例3：
一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.110％，Si：0.38％，Mn：0.95％，P：0.011％，S：0.007％，Cr：0.65％，Mo：0.20％，Nb：0.092％，V：0.015％，Ti：0.028％，Al：0.018％，N：0.004％。余量为Fe以及不可避免的杂质元素。其制造方法，包括以下工艺步骤：
(1)分别经过转炉冶炼工序、炉外精炼工序、钢水浇筑连铸坯工序，浇筑成厚度为320mm，长度为3000mm的坯料，铸坯化学成分为：：C：0.110％，Si：0.38％，Mn：0.95％，P：0.011％，S：0.007％，Cr：0.65％，Mo：0.21％，Nb：0.099％，V：0.015％，Ti：0.028％，Al：0.018％，N：0.004％，其余为Fe以及不可避免的杂质元素。
(2)板坯加热炉加热工序：加热温度为1180℃，在炉时间380min，钢内部获得均匀的原始奥氏体组织；
(3)宽厚板轧机轧制工序：采用控轧控冷工艺，为两阶段轧制：粗轧温度为980～1080℃，第一道次压下量30mm，待温坯厚度178mm，粗轧阶段累积压下率为44.37％；精轧开始温度为890℃，精轧后三道次累计压下率为35％；终轧温度为884℃；
(4)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为873℃，冷速10～20℃/s，终冷返红温度438℃，随后空冷至室温。
表1屈服强度460MPa级抗震耐火钢化学成分质量百分比(wt.％)
Figure BDA0002735351160000061
表2屈服强度460MPa级抗震耐火钢力学性能
Figure BDA0002735351160000071
表1为三个实施例所熔炼钢板实际化学成分，对应的钢板显微组织如图1-3所示。表2为三个实施例对应的力学性能。由表2可知，实施例1～3力学性能屈服强度≥461MPa，抗拉强度≥595MPa，延伸率≥20％，屈强比≤0.81，600℃高温拉伸屈服强度≥321MPa，-40℃低温冲击值≥101J，均高于标准GB/T 28415-2012所规定的要求，同时，低屈强比可满足设计规范对抗震的要求。

Claims (5)

1.一种100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其质量量百分比成分为：C：0.06~0.12%，Si：0.10~0.50%，Mn：0.90~1.60%，P：<0.015%，S：<0.01%，Cr：0.20%~0.70%，Mo：0.15~0.22%，Nb：0.065~0.110%，V：0.015~0.045%，Ti：0.01~0.04%，Al：0.01~0.04%，N：<0.0060%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
2.如权利要求1所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.065%，Si：0.15%，Mn：1.58%，P：0.014%，S：0.008%，Cr：0.46%，Mo：0.17%，Nb：0.086%，V：0.02%，Ti：0.015%，Al：0.028%，N：0.005%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.089%，Si：0.25%，Mn：1.21%，P：0.012%，S：0.009%，Cr：0.34%，Mo：0.15%，Nb：0.068%，V：0.03%，Ti：0.022%，Al：0.035%，N：0.004%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
4.如权利要求1所述的100mm厚屈服强度460MPa级抗震耐火钢板，其特征在于，其重量百分比成分为：C：0.110%，Si：0.38%，Mn：0.95 %，P：0.011%，S：0.007%，Cr：0.65%，Mo：0.21%，Nb：0.099%，V：0.015%，Ti：0.028%，Al：0.018%，N：0.004%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
5.如权利要求1-4任一所述100mm厚屈服强度460MPa级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坯依次经过转炉冶炼工序、炉外精炼工序、钢水浇筑连铸坯工序生产出目标成分的抗震耐火钢连铸坯；连铸坯一次经过板坯加热炉加热工序、中厚板轧机开坯轧制、过度坯再加热、中厚板轧机连续轧制、控制冷却、钢板矫直、剪切分段生产出目标成分的抗震耐火钢板，其特征在于：
（1）板坯加热炉加热工序：加热温度为1140℃~1180℃，在炉时间10~13min/cm，钢内部获得均匀的原始奥氏体组织；
（2）宽厚板轧机轧制工序：采用控轧控冷工艺，分两阶段轧制：粗轧温度为980~1080℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率42~45%，该阶段为奥氏体再结晶区控制轧制；精轧开始温度为870~900℃，精轧后三道次累计压下率大于30%，该阶段为奥氏体未再结晶区控制轧制，奥氏体晶粒被沿着轧制方向拉伸；终轧温度为860~890℃；
（3）抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为850~880℃，冷速10~20℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度400℃~450℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
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