CN112501500B - 一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢及其制备方法 - Google Patents

一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢及其制备方法，弹簧钢的化学成分重量百分比为：C：0.05~0.09%，Si：0.05~0.50%，Mn：0.60~0.90%，P：<0.015%，S：<0.01%，Cr：0.45%~0.75%，Mo：0.10~0.20%，Nb：0.050~0.09%，V：0.005~0.050%，Ti：0.01~0.03%，Al：0.015~0.05%，N：<0.0060%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。制备方法包括钢水转炉冶炼、LF精炼、连铸、加热、热轧和冷却工序。本发明采用低钼、高铌的成分设计思路，通过低钼的设计有效降低钢的成本，通过铌在高温下的析出强化提高高温性能，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，来调控钢的高温强度，制备的耐火钢板具有优异的综合性能。

Description

一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢及其制备 方法
技术领域
本发明涉及抗震耐火钢及其制备方法，尤其涉及一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢及其制备方法。
背景技术
近些年，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和厚度提出了更高的要求，以前普遍采用的一般厚度规格的屈服强度345MPa级建筑用钢板已经不能满足钢结构建筑的发展需求。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幅度的延长工期，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。
由于Mo是提高高温强度最有效的合金元素，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幅增加。因此，目前很多研究者把目光聚焦在将Mo的方式来降低成本，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，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。但对于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较大。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种高温性能优异的100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢；本发明的第二目的在于提供上述抗震耐火钢的制备方法。
技术方案：本发明的一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢，所述耐火钢的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.09％，Si：0.05～0.50％，Mn：0.60～0.90％，P：<0.015％，S：<0.01％，Cr：0.45％～0.75％，Mo：0.10～0.20％，Nb：0.050～0.090％，V：0.005～0.050％，Ti：0.01～0.03％，Al：0.015～0.05％，N：<0.0060％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
进一步地，所述耐火钢的化学成分重量百分比为：C：0.06～0.09％，Si：0.06～0.50％，Mn：0.70～0.90％，P：<0.015％，S：<0.01％，Cr：0.55％～0.75％，Mo：0.15～0.20％，Nb：0.060～0.090％，V：0.010～0.050％，Ti：0.015～0.030％，Al：0.020～0.050％，N：<0.0060％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
进一步地，所述耐火钢的化学成分重量百分比为：C：0.06～0.08％，Si：0.06～0.45％，Mn：0.70～0.85％，P：<0.015％，S：<0.01％，Cr：0.55％～0.73％，Mo：0.15～0.18％，Nb：0.060～0.085％，V：0.010～0.020％，Ti：0.015～0.027％，Al：0.020～0.045％，N：<0.0060％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
进一步地，所述耐火钢的化学成分重量百分比为：C：0.07％，Si：0.45％，Mn：0.65％，P：0.012％，S：0.007％，Cr：0.73％，Mo：0.12％，Nb：0.08％，V：0.015％，Ti：0.027％，Al：0.045％，N：0.005％，余量为Fe以及不可避免的杂质元素。
上述技术方案中，采用低钼、高铌的成分设计思路，其中，钼的含量控制范围为0.15～0.22％，这是因为Mo作为提高高温强度最有效的元素，其能有效的弥补耐火钢高温下强度的损失，但是其成本较高，本发明控制Mo含量上限为0.20％，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；铌的含量控制范围为0.050～0.09％，通过控轧控冷的工艺使得常温下Nb以固溶的形式存在，对耐火钢强度的贡献主要以固溶强化作用为主，高温拉伸过程中Nb以碳氮化物形式析出，起到析出强化的效果，从而起到弥补高温屈服强度损失的效果。
本发明还保护一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢的制备方法，包括钢水转炉冶炼、连铸、加热、热轧和冷却工序；所述热轧工序中，采用粗轧结合精轧的两阶段轧制工艺，控制粗轧的终轧温度为960～1060℃，控制精轧的终轧温度为840～880℃；所述冷却工序中，控制入水温度为830～870℃，冷速10～20℃/s，返红温度为380℃～440℃。
上述的技术方案，在粗轧工艺中，控制轧制3～5道次，单次压下量为30～50mm，优选的，第一道次压下量40～50mm，总压下率为43～45％，终轧温度为960～1060℃，这是因为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；在精轧工艺中，控制轧制3～5道次，单次压下量为20～30mm，总压下率为40～50％，精轧开始温度为850～880℃，精轧后三道次累计压下率大于30％，终轧温度为840～880℃，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；在冷却工序中，控制入水温度为830～870℃，这是因为入水温度过低，奥氏体发生先共析转变产生大量的多边形铁素体，多边形铁素体含量过高会导致高温屈服强度过低，无法满足标准要求，控制返红温度为380℃～440℃，这是因为返红温度过高会使得厚板心部冷却速率过低同时心部温度过高，此时心部组织类型以多边形铁素体为主，导致心部高温屈服强度过低无法满足标准要求。
进一步地，为了确保耐火钢的厚度。所述连铸工序中，控制连铸坯厚度≥300mm，控制轧制过程的压缩比不小于3倍。
进一步地，所述加热工序中，所述加热温度为1100～1160℃，保证微合金元素完全固溶，同时温度上限设置为1160℃防止温度过高导致的晶粒异常长大现象，确保在后面轧制过程中晶粒尺寸均匀细小；在炉时间为9～13min/cm，可以保证板坯厚度方向上受热均匀，同时防止加热时间过长导致过烧等现象。
进一步地，所述钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012％以内，同时，在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化；LF精炼采用白渣操作，白渣保持时间15～25min，精炼总时间保证40～50min，同时精炼过程中精确控制合金添加顺序，依次添加Ti、Cr、Mo、Nb和V，调整钢水成分至目标成分。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：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，利用宽厚板轧机控制终轧温度为840～880℃，入水温度为830～870℃，通过层流冷却的方式控制冷速为10～20℃/s，返红温度控制在380～440℃，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，制备的耐火钢全厚度方向具有优异的综合性能，600℃高温拉伸屈服强度≥261MP，屈强比≤0.77，延伸率≥23％，全厚度方向上-40℃低温冲击值≥87J，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均具有重要意义。
附图说明
图1为本发明实施例1中制备的100mm厚热轧抗震耐火钢板厚近表位置显微组织的OM照片；
图2为本发明实施例1中制备的100mm厚热轧抗震耐火钢板厚1/4位置显微组织的OM照片；
图3为本发明实施例1中制备的100mm厚热轧抗震耐火钢板厚1/2位置显微组织的OM照片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例提供一种100mm厚屈服强度345MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.05％，Si：0.15％，Mn：0.70％，P：0.013％，S：0.009％，Cr：0.46％，Mo：0.19％，Nb：0.09％，V：0.02％，Ti：0.015％，Al：0.025％，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)钢水冶炼：钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012％以内，同时，在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化；然后进行LF精炼，采用白渣操作，白渣保持时间15min，精炼总时间保证40min，同时精炼过程中精确控制合金添加顺序，依次添加Ti、Cr、Mo、Nb和V，调整钢水成分至目标成分；
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度300mm，保证轧制过程不小于3倍压缩比；
(3)铸坯再加热：连铸坯加热至1100℃，在炉时间9min/cm；
(4)热轧：利用宽厚板轧机采用两阶段轧制工艺，具体为：粗轧轧制：粗轧轧制3道次，粗轧终轧温度为980℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率44％；精轧轧制：精轧轧制3道次，精轧开始温度为850℃，单次压下量为20mm，精轧后三道次累计压下率大于30％，终轧温度为848℃；
(5)冷却：轧后经过层流冷却，入水温度为840℃，冷速10℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度380℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
将上述工序制备的耐火钢采用光学显微镜进行组织观察，图1、图2、图3分别为试验钢近表、1/4和1/2位置的组织，从图中可以看出，从近表至心部组织类型均为贝氏体+铁素体，不同的是从近表至心部铁素体量增多，贝氏体量减少，但是贝氏体的量均高于铁素体量，且比较均匀，因此保证了耐火钢板全厚度方向上均具有优异的性能。
实施例2
本实施例提供一种100mm厚屈服强度345MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.09％，Si：0.25％，Mn：0.90％，P：0.011％，S：0.008％，Cr：0.56％，Mo：0.16％，Nb：0.051％，V：0.03％，Ti：0.020％，Al：0.035％，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)钢水冶炼：钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012％以内，同时，在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化；然后进行LF精炼，采用白渣操作，白渣保持时间20min，精炼总时间保证45min，同时精炼过程中精确控制合金添加顺序，依次添加Ti、Cr、Mo、Nb和V，调整钢水成分至目标成分；
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度330mm，保证轧制过程不小于3倍压缩比；
(3)铸坯再加热：连铸坯加热至1150℃，在炉时间10min/cm；
(4)热轧：利用宽厚板轧机采用两阶段轧制工艺，具体为：粗轧轧制：粗轧轧制3道次，粗轧终轧温度为1050℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率43％；精轧轧制：精轧轧制4道次，单次压下量为25mm，精轧开始温度为860℃，精轧后三道次累计压下率大于30％，终轧温度为856℃；
(5)冷却：轧后经过层流冷却，入水温度为845℃，冷速15℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度440℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
实施例3
本实施例提供一种100mm厚屈服强度345MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.07％，Si：0.45％，Mn：0.65％，P：0.012％，S：0.007％，Cr：0.73％，Mo：0.12％，Nb：0.08％，V：0.015％，Ti：0.027％，Al：0.045％，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)钢水冶炼：钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012％以内，同时，在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化；然后进行LF精炼，采用白渣操作，白渣保持时间25min，精炼总时间保证50min，同时精炼过程中精确控制合金添加顺序，依次添加Ti、Cr、Mo、Nb和V，调整钢水成分至目标成分；
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度320mm，保证轧制过程不小于3倍压缩比；
(3)铸坯再加热：连铸坯加热至1160℃，在炉时间13min/cm；
(4)热轧：利用宽厚板轧机采用两阶段轧制工艺，具体为：粗轧轧制5道次，粗轧终轧温度为1060℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率45％；精轧轧制：精轧轧制5道次，精轧开始温度为880℃，单次压下量为30mm，精轧后三道次累计压下率大于30％，终轧温度为870℃；
(5)冷却：轧后经过层流冷却，入水温度为860℃，冷速20℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度410℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
对比例1
提供一种100mm厚屈服强度345MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.08％，Si：0.14％，Mn：0.71％，P：0.013％，S：0.009％，Cr：0.40％，Mo：0.17％，Nb：0.07％，V：0.02％，Ti：0.010％，Al：0.027％，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)钢水冶炼：钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012％以内，同时，在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化；然后进行LF精炼，采用白渣操作，白渣保持时间15min，精炼总时间保证40min，同时精炼过程中精确控制合金添加顺序，依次添加Ti、Cr、Mo、Nb和V，调整钢水成分至目标成分；
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度320mm，保证轧制过程不小于3倍压缩比；
(3)铸坯再加热：连铸坯加热至1100℃，在炉时间9min/cm；
(4)热轧：用宽厚板轧机采用一阶段轧制工艺，具体为：开轧温度990℃，轧制13道次，第一道次压下量30mm，终轧温度为850℃；
(5)冷却：轧后经过层流冷却，入水温度为840℃，冷速10℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度380℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
对比例2
本实施例提供一种100mm厚屈服强度345MPa级抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.062％，Si：0.23％，Mn：0.90％，P：0.011％，S：0.008％，Cr：0.45％，Mo：0.14％，Nb：0.081％，V：0.017％，Ti：0.021％，Al：0.035％，N：0.003％，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)钢水冶炼：钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012％以内，同时，在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化；然后进行LF精炼，采用白渣操作，白渣保持时间15min，精炼总时间保证40min，同时精炼过程中精确控制合金添加顺序，依次添加Ti、Cr、Mo、Nb和V，调整钢水成分至目标成分；
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度320mm，保证轧制过程不小于3倍压缩比；
(3)铸坯再加热：连铸坯加热至1100℃，在炉时间9min/cm；
(4)热轧：利用宽厚板轧机采用两阶段轧制工艺，具体为：粗轧轧制：粗轧轧制3道次，粗轧终轧温度为980℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率44％；精轧轧制：精轧轧制5道次，精轧开始温度为850℃，单次压下量为20mm，精轧后三道次累计压下率大于30％，终轧温度为848℃；
(5)冷却：轧后弛豫至750℃，入水温度为740℃，冷速10℃/s，终冷返红温度500℃，随后空冷至室温。
表1屈服强度345MPa级抗震耐火钢化学成分质量百分比(wt.％)
Figure BDA0002747715120000071
Figure BDA0002747715120000081
表2屈服强度345MPa级抗震耐火钢力学性能
Figure BDA0002747715120000082
Figure BDA0002747715120000091
由表2可知，实施例1～3力学性能屈服强度≥374MPa，抗拉强度≥521MPa，延伸率≥23％，屈强比≤0.77，600℃高温拉伸屈服强度≥261MPa，全厚度方向上-40℃低温冲击值≥87J，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；对比例1中，由于没有采用一段的轧制工艺，其内部组织以贝氏体为主，但是晶粒粗大且不均匀，出现混晶现象，因此，其低温冲击性能低于标准要求，而对比例2中，由于冷却工序中，入水温度低和返红温度过高，使得内部组织类型以多边形铁素体为主，因此，其600℃高温屈服强度低于标准规定的要求。

Claims (5)

1.一种100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢的制备方法，其特征在于：所述耐火钢的化学成分重量百分比为：C：0.07%，Si：0.45%，Mn：0.65 %，P：0.012%，S：0.007%，Cr：0.73%，Mo：0.12%，Nb：0.08%，V：0.015%，Ti：0.027%，Al：0.045%，N：0.005%，余量为Fe以及不可避免的杂质元素；制备方法包括钢水转炉冶炼、连铸、加热、热轧和冷却工序；所述热轧工序中，采用粗轧结合精轧的两阶段轧制工艺，控制粗轧的终轧温度为960~1060℃，控制精轧的终轧温度为840~880℃；所述冷却工序中，控制入水温度为830~870℃，冷速10~20℃/s，返红温度为380℃~440℃；所述粗轧中，轧制3~5道次，单次压下量为30~50mm，总压下率为43~45%；所述精轧中，轧制3~5道次，单次压下量为20~30mm，总压下率为40~50%。
2.根据权利要求1所述的100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢的制备方法，其特征在于：所述连铸工序中，控制连铸坯厚度为300~350 mm。
3.根据权利要求1所述的100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢的制备方法，其特征在于：所述加热工序中，所述加热温度为1100~1160℃，在炉时间为9~13min/cm。
4.根据权利要求1所述的100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢的制备方法，其特征在于：所述钢水转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢P含量控制在0.012%以内，同时在出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化。
5.根据权利要求1所述的100mm特厚规格屈服强度345MPa级抗震耐火钢的制备方法，其特征在于：在钢水转炉冶炼和连铸工序之间还包括LF精炼工序，所述LF精炼采用白渣操作，白渣保持时间15~25 min，精炼总时间为40~50 min，精炼过程中按照Ti、Cr、Mo、Nb和V的顺序依次添加合金，调整钢水成分至目标成分。
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