CN112981235A - 一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产方法 - Google Patents

一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产方法，采用在Fe‑Mn‑C系基础上进行Nb、Ti微合金化处理的成分设计，钢板材料的化学成分百分比分别为：C：0.13～0.18％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.40～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：≤0.30％，Mo：≤0.30％，Ni：≤0.30％，Cu：≤0.30％，Al：0.020～0.050％，V：≤0.015％，Nb：0.025～0.050％，Ti：0.010‑0.020％，N：≤0.006％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。生产过程为：冶炼原料依次进行转炉冶炼、炉外精炼、RH炉精炼以获得纯净度较高的钢水，将钢水浇注成370mm～450mm钢坯，然后采用合理的钢坯加热、轧制、在线直接淬火以及回火热处理技术，获得一种适用于高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心及工业厂房等大型钢结构建筑工程用的屈服强度420MPa级的钢板材料。

Description

一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产 方法
技术领域
本发明涉一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产方法。属于冶金行业技术领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展，高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心及工业厂房等大型钢结构建筑工程用钢所选钢板材料逐渐升级至屈服强度420MPa级甚至更高级别，《建筑结构用钢板》GB/T 19879标准中最大厚度拓展至200mm，新增了较严的材料碳当量Ceq、焊接裂纹敏感性系数Pcm控制要求，并对屈服强度厚度效应、屈强比、伸长率及最小冲击吸收能量等性能指标提出了更严格的要求，钢板材料生产难度也随之增加。通常屈服强度420MPa级厚度80mm以下钢板可采用微合金化设计加TMCP、WCR轧制生产工艺实现，但用户提出厚度50mm以上且需热处理状态交货时，钢板材料的屈服强度较难达到标准要求。为了解决这一矛盾，通常采取的主要技术措施：增加正火后的水冷加速冷却过程；采用调质热处理工艺；成分设计时添加较多的微合金化元素等，但这些技术措施也带来了钢板性能均匀性、冷成型性能变差以及制造成本大幅度增加等问题。
公开号CN105603310A发明专利公开的“一种低屈强比Q420GJ建筑用钢板及其生产方法”。该专利采用300mm连铸坯进行控制轧制加控制冷却相结合的TMCP工艺生产厚度80mm钢板，不能满足客户对产品的热处理状态交货技术要求，且该工艺条件下成分设计添加了较多的微合金化元素V(0.050～0.060％)。
公开号CN105648313A发明专利公开的“一种稀土处理的正火型Q460GJ建筑用钢板及其生产方法”。虽然该制造方法也可生产同厚度范围的420MPa级建筑用钢，但该专利采用300mm连铸坯进行控轧控冷后正火热处理生产60-80mm钢板，其中为了保证钢板的屈服强度，成分设计时钢中的C含量提高至0.17～0.19％，添加了0.050～0.060％的V合金元素，同时为了改善低温韧性又增加了Ni(0.20～0.30％),生产合金成本较高。
公开号CN103540848A发明专利公开的“一种420MPa级正火态特厚规格结构用钢板及其制造方法”。该专利提出的100～120mm厚度正火热处理交货的420MPa级钢板及其制造方法中，采用的成分设计加入了较多的V(0.065～0.10％)、Ni(0.2～0.45％)、Cu(0.20～0.27％)等合金元素造成合金成本很高，正火采用水冷加速冷却工艺但未进行回火处理，产品不同厚度位置的性能均匀性较差。
公开号CN101343685A发明专利公开的“一种屈服强度为420MPa级高强度建筑用钢板的热处理方法”。该专利中提出的厚度45mm正火热处理交货的420MPa级钢板及其制造方法中，采用的成分设计加入了较多的V(0.050～0.100％)造成成本较高，正火采用水冷加速冷却工艺但未进行回火处理，产品性能均匀性和冷成型性能较差。
公开号CN101613828A发明专利公开的“一种屈服强度460MPa级低强比建筑用特厚钢板及制造方法”。虽然该制造方法也可生产420MPa级建筑用钢，但该专利中提出的厚度80mm Q460MPa级钢板的生产方法为离线两相区淬火加回火处理，且成分设计中加入了较多的V(0.040～0.050％)，造成流程长，能耗增加，合金成本增加，造成生产总成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板及其生产方法，解决厚度50mm～100mm正火热处理型Q420GJ的屈服强度较难达到标准要求的问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板，所述钢板以Fe为基础元素并包含如下重量百分比的化学成分：C：0.13～0.18％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.40～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：≤0.30％，Mo：≤0.30％，Ni：≤0.30％，Cu：≤0.30％，Al：0.020～0.050％，V：≤0.015％，Nb：0.025～0.050％，Ti：0.010-0.020％，N：≤0.006％，其它不可避免的杂质元素。材料的碳当量Ceq控制范围为0.38～0.44％，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，材料的焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.26％。在C、Mn成分设计基础上加入的Nb、Ti微合金元素的主要目的是利用其具有的细化奥氏体晶粒、固溶强化和析出强化等作用，配合精轧阶段40％以上的累积变形压下量控制轧制工艺以提高钢的屈服强度、抗拉强度以及低温冲击韧性，保证钢板调质后可满足420MPa屈服强度和D质量等级的-20℃冲击韧性要求。
所述钢板的屈服强度(Rel)410-540MPa，抗拉强度(Rm)530～680MPa，断后伸长率(A)≥20％；屈强比(Rel/Rm)≤0.83，碳当量(Ceq)≤0.44％，纵向0℃、-20℃夏比V型缺口冲击吸收能量KV2≥47J。材料性能满足GB/T 19879-2015标准中QT交货状态钢板的技术质量要求。
所述钢板的焊接裂纹敏感性指数
Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5≤0.26％。
上述钢板的生产方法包括：
1)冶炼采用经过脱硫的铁水和优质废钢作为原料，转炉底(顶)吹冶炼，全程吹氩，LF炉脱氧、脱硫、去除夹质、调整成分及温度的精炼和RH炉脱气工序；最终得到钢水的重量百分比为以Fe为基础元素并包含如下元素成分：C：0.13～0.18％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.40～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：≤0.30％，Mo：≤0.30％，Ni：≤0.30％，Cu：≤0.30％，Al：0.020～0.050％，V：≤0.015％，Nb：0.025～0.050％，Ti：0.010-0.020％，N：≤0.006％，其它不可避免的杂质元素。材料的碳当量Ceq控制范围为0.38～0.44％，材料的焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.26％。在C、Mn成分设计基础上加入的Nb、Ti微合金元素的主要目的是利用其具有的细化奥氏体晶粒、固溶强化和析出强化等作用，配合精轧阶段40％以上的累积变形压下量控制轧制工艺以提高钢的屈服强度、抗拉强度以及低温冲击韧性，保证钢板调质后可满足420MPa屈服强度和D质量等级的-20℃冲击韧性要求。
2)板坯连铸经宽厚板连铸机恒温、恒速及合理的二冷工艺、凝固末端动态轻压下、电磁搅拌生产出370～450mm坯料；按合同订单钢板尺寸的组坯规则，采用在线火焰切割将坯料分段成需要尺寸的板坯；坯料下线堆缓冷≥48小时后进行表面检查清理合格后按生产计划发送轧钢分厂进行轧制成材。
3)板坯加热加热温度1150-1260℃、加热时间总时间8～13(min/mm)*钢板厚度(mm)。加热炉的预热段温度≤900℃、加热一段温度1000-1180℃、加热二段温度：1210-1250℃、均热段温度：1190-1250℃；加热总时间≥400分钟，并确保坯料加热后温度均匀。采用相对较高或较长的加热温度和加热时间保证铌(Nb)、锰(Mn)等合金化元素的充分固溶和板坯温度均匀，以提高钢板的淬透性和组织性能的均匀程度。
4)板坯轧制坯料出炉后经粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮，粗除鳞水压≥20MPa，板坯经粗轧和精轧两阶段达到所需的钢板厚度。粗轧的控制轧制：开轧温度980-1150℃，经3-9道次，待温厚度1.8～3.0倍板厚；粗轧阶段在轧机能力允许条件下采用大压下量规程，道次压下量≥30mm或压下率≥10％；精轧的控制轧制：板坯待温后开轧温度≤880℃，经5-8道次轧制，终轧温度为≤850℃。在双相高温区间完成终轧，使钢板在淬火冷却前获得具有大量变形带的奥氏体和少量先共析铁素体组织，通过变形与相变结合获得较低的屈强比和高强高韧性能。
5)轧后冷却板坯经精轧后钢板直接入在线淬火设备(DQ+ACC)快速水冷至400℃以下，然后堆垛空冷至室温。利用轧后余热直接淬火进行相变强化获得具有细小且含有贝氏体和少量马氏体的铁素体+珠光体组织，提高钢的强度。该工艺无需再次加热进行淬火热处理，可大量节约能源、降低成本。
6)回火热处理采用辊底式加热炉将钢板加热至580～690℃，加热保温总时间为2.0～3.5(min/mm)*钢板厚度(mm)，出炉后空冷至200℃以下。通过回火热处理适当降低强度，提高延性与韧性并降低钢板的内应力，获得具有细小均匀的铁素体+珠光体以及一定量的回火贝氏体组织，最终使钢板具有良好的强韧综合性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明采用将冶炼原料依次进行转炉冶炼、炉外精炼、RH炉精炼以获得纯净度较高的钢水，然后将钢水浇注成370mm～450mm钢坯，采用合理的钢坯加热、轧制、在线直接淬火以及回火热处理的工艺路线,通过压力加工与热处理相结合的金属热处理工艺应用生产出50～100mm厚度、屈服强度达到420MPa级别的钢板材料，并成功避免了通常采取的增加正火后的水冷加速冷却、调质热处理、添加较多的微合金化元素等诸多技术措施条件下所带来的材料性能均匀性、冷成型性能变差以及制造成本大幅度增加等问题。
附图说明
图1为本发明实施例1中80mm厚钢板横断面1/4处显微组织图。
图2为本发明实施例2中100mm厚钢板横断面1/4处显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实例1：采用符合本发明设计冶炼化学成分的Q420GJC/D厚370mm连铸坯料，生产轧制80mm厚度钢板实例。用连铸坯370×2120×3605mm，轧制成品板80×2437×L(长度)mm。坯料冷装入加热炉，加热炉的预热段温度≤900℃、加热一段温度1000-1180℃、加热二段温度：1210-1250℃、均热段温度：1190-1250℃；加热总时间≥400分钟。粗轧轧制5道次，待温后精轧机开轧温度≤875℃，精轧经7道次轧制，终轧温度≤850℃；轧制完成后直接水冷淬火处理至320℃后下线堆缓冷；钢板经690℃回火处理后进行质量检验，其理化性能检验结果见表1、金相组织如图1。
实例2：采用符合本发明设计冶炼化学成分的Q420GJC/D厚450mm连铸坯料，生产轧制100mm厚度钢板实例。用连铸坯450×1920×4000mm，轧制成品板100×2660×L(长度)mm。坯料冷装入加热炉，加热炉的预热段温度≤900℃、加热一段温度1000-1180℃、加热二段温度：1210-1250℃、均热段温度：1190-1250℃；加热总时间≥500分钟。粗轧轧制8道次，待温后精轧机开轧温度≤870℃，精轧经9道次轧制，终轧温度≤850℃；轧制完成后直接水冷淬火处理至297℃后下线堆缓冷；钢板经630℃回火处理后进行质量检验，其理化性能检验结果见表1、金相组织如图2。
表1材料性能检验结果及标准要求
Figure BDA0002910694970000051
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板，其特征在于：所述钢板以Fe为基础元素并包含如下重量百分比的化学成分：C：0.13～0.18％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.40～1.70％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：≤0.30％，Mo：≤0.30％，Ni：≤0.30％，Cu：≤0.30％，Al：0.020～0.050％，V：≤0.015％，Nb：0.025～0.050％，Ti：0.010-0.020％，N：≤0.006％，其它不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板，其特征在于：所述钢板的碳当量Ce＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.38～0.44％，焊接裂纹敏感性指数Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5≤0.26％。
3.根据权利要求1所述的一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板，其特征在于：所述钢板的屈服强度(Rel)410-540MPa，抗拉强度(Rm)530～680MPa，断后伸长率(A)≥20％；屈强比(Rel/Rm)≤0.83，纵向0℃、-20℃夏比V型缺口冲击吸收能量KV2≥47J。
4.一种如权利要求1所述的屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板的生产方法，其特征在于：所述方法包括：
1)冶炼采用经过脱硫的铁水和优质废钢作为原料，转炉底/顶吹冶炼,LF+RH炉精炼终得到钢水；
2)板坯连铸钢水经宽厚板连铸机连续凝固成370～450mm厚度板坯；
3)板坯加热加热温度1150-1260℃，加热时间总时间8～13min/mm*钢板厚度mm；
4)板坯轧制轧制成材分粗轧、精轧控制轧制两个阶段，粗轧开轧温度980-1150℃，待温厚度为1.8～3.0倍成品厚度，待温后精轧开轧温度≤880℃，终轧温度为≤850℃；
5)轧后冷却板坯完成轧制后，钢板经预矫直机进行单道次板形矫平后直接送DQ+ACC快速水冷设备进行淬火处理并冷却至400℃以下，并下线堆缓冷；
6)回火热处理采用辊底式加热炉将钢板加热至580～690℃，加热保温总时间为2.0～3.5min/mm*钢板厚度mm，出炉后空冷至200℃以下。
5.根据权利要求4所述的一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板的生产方法，其特征在于：所述板坯加热时采用分段式加热，加热炉的预热段温度≤900℃、加热一段温度1000-1180℃、加热二段温度1210-1250℃、均热段温度1190-1250℃；加热总时间≥400分钟，并确保坯料加热后温度均匀。
6.根据权利要求4所述的一种屈服强度420MPa级的调质型建筑结构用钢板的生产方法，其特征在于：板坯轧制时，粗轧的控制：开轧温度980-1150℃，经3-9道次，待温厚度1.8～3.0倍板厚；粗轧阶段在轧机能力允许条件下采用大压下量规程，道次压下量≥30mm或压下率≥10％；精轧的控制：板坯待温后开轧温度≤880℃，经5-8道次轧制，终轧温度为≤850℃，累积变形压下量40％以上，在双相高温区间完成终轧。
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