CN113215499A - 屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板及其制造方法，该钢板采用低钼、加铌钒的成分设计思路，通过低钼的设计来有效降低钢的成本，通过铌钒在高温下的协同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，轧制方式为热机械轧制，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。

Description

屈服强度390MPa级特厚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，具体涉及一种屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板及其制造方法。
背景技术
超高层及大跨度钢结构建筑的建设已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，以前普遍采用的屈服强度235MPa、345MPa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。此外，目前尚没有工业化应用的热轧特厚规格耐火钢的技术。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，该钢板采用低Mo设计，成本较低，并且保证厚规格具有优异的综合性能。
本发明的另一目的是提供一种上述钢板的制造方法。
技术方案：本发明所述的一种屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其厚度规格为100mm，成分以质量百分比计包含C：0.04～0.08％、Si：0.15～0.55％、Mn：0.40～0.80％、P<0.015％，S<0.005％、Cr：0.15％～0.65％、Mo：0.10～0.19％、Nb：0.030～0.050％、V：0.035～0.075％、Ti：0.01～0.03％、Al：0.01～0.04％、N：<0.0060％，余量包含Fe及不可避免的杂质。
该钢板的成分设计思路是：采用低钼、加铌钒微合金化的成分设计思路。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0.19％，低Mo成分设计显著降低耐火钢成本；本发明控制铌含量在0.030～0.050％，钒含量在0.035～0.075％，适量的铌一方面在控轧过程中部分析出起到细化晶粒尺寸的作用，另一方面通过控冷的手段使未析出的部分同钒一起在轧后的冷却过程中固溶，常温下处于固溶状态铌钒起到一定的固溶强化作用，高温拉伸保温过程大量协同析出，从而起到弥补高温屈服强度损失的效果，如果铌钒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。
进一步的，该钢板的成分以质量百分比计包含C：0.045～0.075％、Si：0.17～0.51％、Mn：0.45～0.75％、P<0.011％、S<0.004％、Cr：0.18％～0.58％、Mo：0.12～0.18％、Nb：0.032～0.045％、V：0.038～0.070％、Ti：0.015～0.028％、Al：0.015～0.038％、N：<0.0050％，余量包含Fe及不可避免的杂质。
该钢板的金相组织为贝氏体+铁素体组织，其中贝氏体占40～70％。
对应于上述屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，本发明提供的制造方法所采用的技术方案是：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连铸坯；连铸坯依次经过板坯加热炉加热工序、宽厚板轧机控制轧制、控制冷却、钢板矫直、剪切分段生产出目标钢板；其中，在炼钢连铸工艺中：铁水脱硫后目标硫含量≤0.012％；转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢挡渣；精炼采用白渣操作，白渣保持时间16～22min，精炼总时间40～50min，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；真空处理保持时间20～25min；真空处理结束后进行喂纯钙线处理；连铸中间包温度为液相线温度高出5～15℃，并且在连铸时不采用电磁搅拌，拉速稳定。
板坯加热炉加热工序中，加热温度为1160～1200℃，在炉时间9～13min/cm，使得钢内部获得均匀的原始奥氏体组织。
宽厚板轧机轧制工序中：采用控轧控冷工艺，分两阶段轧制：粗轧温度为1000～1100℃，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820～850℃，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810～840℃；两阶段总压缩比不低于3.0。
抗震耐火钢板冷却工序中：轧后经过层流冷却，入水温度为800～830℃，冷速10～20℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度420℃～460℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
有益效果：与现有技术相比，本发明采用低钼、加铌钒的成分设计思路，通过低钼的设计来有效降低钢的成本，通过铌钒在高温下的协同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。采用热轧交货的方式，通过宽厚板轧机控制终轧温度为810～840℃，入水温度为800～830℃，通过层流冷却的方式控制冷速为10～20℃/s，返红温度控制在420～460℃，以控制耐火钢的组织比例，降低生产成本，相较于现有的用于高层建筑耐火钢更加经济；100mm厚钢板在全厚度方向具有优异的综合性能，包括高室温强度(力学性能屈服强度≥398MPa，抗拉强度≥531MPa)、低屈强比(屈强比≤0.80)、高延伸率(延伸率≥23％)、优异的-40℃低温冲击韧性(-40℃低温冲击值≥161J)以及优异的600℃高温拉伸性能(600℃高温拉伸屈服强度≥276MPa)。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。
附图说明
图1是本发明中实施例1对应的钢板显微组织的OM照片；
图2是本发明中实施例2对应的钢板显微组织的OM照片；
图3是本发明中实施例3对应的钢板显微组织的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。
实施例1的屈服强度390MPa级100mm特厚规格抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.048％，Si：0.31％，Mn：0.55％，P：0.008％，S：0.003％，Cr：0.38％，Mo：0.17％，Nb：0.037％，V：0.061％，Ti：0.015％，Al：0.031％，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：
炼钢连铸工艺：铁水脱硫后目标硫含量0.010％；转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢当渣；精炼采用白渣操作，白渣保持时间19min，精炼总时间46min，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；真空处理保持时间22min；真空处理结束后进行喂纯钙线处理；连铸中间包温度为液相线温度高出10℃，不采用电磁搅拌，拉速稳定，浇筑成厚度为320mm，长度为3000mm的坯料，铸坯最终化学成分达到目标成分。
(2)板坯加热炉加热工序：加热温度为1180℃，在炉时间320min。
(3)宽厚板轧机轧制工序：采用控轧控冷工艺，分两阶段轧制：粗轧开始温度为1080℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率42.18％；精轧开始温度为825℃，精轧后三道次累计压下率35％，终轧温度为818℃。
(4)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为805℃，冷速14℃/s，终冷返红温度425℃，随后空冷至室温。
实施例2的屈服强度390MPa级100mm特厚规格抗震耐火钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.062％，Si：0.42％，Mn：0.76％，P：0.010％，S：0.002％，Cr：0.45％，Mo：0.13％，Nb：0.032％，V：0.065％，Ti：0.022％，Al：0.023％，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)铁水脱硫后目标硫含量0.008％；转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢当渣；精炼采用白渣操作，白渣保持时间22min，精炼总时间确保40min，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；真空处理保持时间20min；真空处理结束后进行喂纯钙线处理；连铸中间包温度为液相线温度高出10℃，不采用电磁搅拌，拉速稳定，浇筑成厚度为320mm，长度为3000mm的坯料，铸坯化学成分达到目标值。
(2)板坯加热炉加热工序：加热温度为1200℃，在炉时间352min/cm，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，分两阶段轧制：粗轧温度为1100℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率43.75％，该阶段为奥氏体再结晶区控制轧制；精轧开始温度为840℃，精轧后三道次累计压下率大于35％，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830℃。
(4)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为825℃，冷速15℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度454℃，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的钢板，其化学成分各元素质量百分比为：C：0.071％，Si：0.28％，Mn：0.46％，P：0.009％，S：0.004％，Cr：0.53％，Mo：0.16％，Nb：0.044％，V：0.041％，Ti：0.017％，Al：0.019％，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)铁水脱硫后目标硫含量0.011％；转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢当渣；精炼采用白渣操作，白渣保持时间16min，精炼总时间确保40min，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；真空处理保持时间25min；真空处理结束后进行喂纯钙线处理；连铸中间包温度为液相线温度高出15℃，不采用电磁搅拌，拉速稳定，浇筑成厚度为320mm，长度为3000mm的坯料，铸坯化学成分达到目标值。
(2)板坯加热炉加热工序：加热温度为1160℃，在炉时间320min/cm，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，分两阶段轧制：粗轧温度为1050℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率44.37％，该阶段为奥氏体再结晶区控制轧制；精轧开始温度为830℃，精轧后三道次累计压下率大于35％，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835℃。
(4)抗震耐火钢板冷却工序：轧后经过层流冷却，入水温度为828℃，冷速12℃/s，使Nb、V的析出被抑制，终冷返红温度442℃，未析出的Nb、V以固溶状态存在于基体中，随后空冷至室温。
表1实施例1-3的力学性能
Figure BDA0003061953790000051
Figure BDA0003061953790000061
表1为三个实施例对应的力学性能，可知，实施例1～3力学性能屈服强度≥398MPa，抗拉强度≥531MPa，延伸率≥23％，屈强比≤0.80，600℃高温拉伸屈服强度≥276MPa，-40℃低温冲击值≥175J，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。
此外还提供实施例4、5以充分支持本发明的保护范围，为了减少篇幅，实施例4、5均以表格形式表示，如下：
表2化学成分质量百分比(wt.％)
Figure BDA0003061953790000062
表3生产工艺
Figure BDA0003061953790000063
表4力学性能
Figure BDA0003061953790000071
可见，各实施例均高于标准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 (10)

1.一种屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其特征在于，厚度规格为100mm，成分以质量百分比计包含C：0.04～0.08％、Si：0.15～0.55％、Mn：0.40～0.80％、P<0.015％，S<0.005％、Cr：0.15％～0.65％、Mo：0.10～0.19％、Nb：0.030～0.050％、V：0.035～0.075％、Ti：0.01～0.03％、Al：0.01～0.04％、N：<0.0060％，余量包含Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其特征在于，成分以质量百分比计包含C：0.045～0.075％、Si：0.17～0.51％、Mn：0.45～0.75％、P<0.011％、S<0.004％、Cr：0.18％～0.58％、Mo：0.12～0.18％、Nb：0.032～0.045％、V：0.038～0.070％、Ti：0.015～0.028％、Al：0.015～0.038％、N：<0.0050％，余量包含Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其特征在于，金相组织为贝氏体+铁素体组织，其中贝氏体占40～70％。
4.根据权利要求1所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其特征在于，屈强比≤0.80。
5.根据权利要求1所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其特征在于，600℃高温拉伸屈服强度≥276MPa。
6.根据权利要求1所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板，其特征在于，-40℃低温冲击值≥161J。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板的制造方法，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连铸坯；连铸坯依次经过板坯加热炉加热工序、宽厚板轧机控制轧制、控制冷却、钢板矫直、剪切分段生产出目标钢板，其特征在于，在炼钢连铸工艺中：铁水脱硫后目标硫含量≤0.012％；转炉冶炼采用高吹低拉法脱磷，转炉出钢挡渣；精炼采用白渣操作，白渣保持时间16～22min，精炼总时间40～50min，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；真空处理保持时间20～25min；真空处理结束后进行喂纯钙线处理；连铸中间包温度为液相线温度高出5～15℃。
8.根据权利要求7所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板的制造方法，其特征在于，板坯加热炉加热工序中，加热温度为1160～1200℃，在炉时间9～13min/cm。
9.根据权利要求7所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板的制造方法，其特征在于，宽厚板轧机轧制工序中：采用控轧控冷工艺，分两阶段轧制：粗轧温度为1000～1100℃，第一道次压下量30mm，粗轧总压下率42～45％；精轧开始温度为820～850℃，精轧后三道次累计压下率大于30％；终轧温度为810～840℃；两阶段总压缩比不低于3.0。
10.根据权利要求7所述的屈服强度390MPa级特厚抗震耐火钢板的制造方法，其特征在于，抗震耐火钢板冷却工序中：轧后经过层流冷却，入水温度为800～830℃，冷速10～20℃/s，终冷返红温度420℃～460℃，随后空冷至室温。
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