CN113604740A - 一种宽翼缘重型热轧h型钢及生产方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种宽翼缘重型热轧H型钢及生产方法和应用，成分：C：0.11～0.15％，Si：0.35～0.45％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.03～0.05％，Nb：0.030～0.050％，H：≤0.0002％，N：≤0.008％，Alt：0.010～0.015％，其余为Fe及微量残余元素；在粗轧阶段通过孔型设计优化，预留了腹板的厚度，优化了翼缘与腹板的金属分布，为翼缘的宽展提供更多的金属，进而获得翼缘宽度≥500mm，翼缘厚度80～140mm的宽翼缘重型热轧H型钢。产品满足高层、超高层对基坑支护用热轧H型钢的承载力要求。

Description

一种宽翼缘重型热轧H型钢及生产方法和应用
技术领域
本发明属于轧钢生产技术领域，具体涉及一种宽翼缘重型热轧H型钢及生产方法和应用，产品应用于高层超高层建筑的基坑支护结构中。
背景技术
目前随着大型建筑朝着高层、超高层方向发展，对基坑支护用热轧H型钢的承载力要求越来越高，为了避免地面上主体结构的破坏或者坍塌，确保了建筑结构的安全性，这就要求基坑支护用热轧H型钢的翼缘宽度也越来越宽。
而国内市场上没有翼缘宽度≥500mm的热轧H型钢，该类热轧H型钢普遍采用钢板焊接，然而钢板在焊接过程中的高温直接影响母材性能，进而影响基坑支护的整体稳定性，也给高层超高层建筑埋下潜在的风险。
2018年8月21日公开的申请号为2016800769317，名称为“H型钢的制造方法和轧制装置”的专利文献，公开了一种热轧H型钢的制造方法和轧制装置，该专利中介绍了一种利用板坯进行劈分轧制获得热轧H型钢的方法，在制造H型钢粗轧工序中，利用顶端形状呈锐角的突起部在板坯等原材料的端面较深地形成切槽，使由此形成的凸缘部逐渐弯折，从而能够抑制被轧制材中的形状不良的产生，可高效且稳定地制造凸缘宽度比以往的凸缘宽度大的H型钢产品，并且利用同一辊分批制造凸缘宽度较大的H型钢产品中的凸缘宽度不同的H型钢。
2020年3月7日公开的申请号2018800460444，名称为“H型钢的制造方法”，本发明涉及热轧H型钢及其生产方法。该专利中介绍了一种利用板坯进行劈分轧制获得热轧H型钢的方法，在进行所述粗轧工序的轧机刻设有用于造形被轧制件的多个孔型，该多个孔型包括：1个或多个切槽孔型，其形成有相对于被轧制件的宽度方向铅垂地形成切槽而在被轧制件端部形成分割部位的突起部；以及多个弯折孔型，其形成有抵接于所述切槽并依次弯折在所述切槽孔型处形成的分割部位的突起部，形成于所述切槽孔型中的最终的切槽孔型的突起部包括：顶端部，其呈具有预定的顶端角度的锥形状；以及根部，其位于该顶端部的根部，具有与该顶端部相比倾斜平缓的锥形状。
2019年12月6日公开的公开号CN110546295A，名称为“轧制H型钢及制造方法”，本发明涉及一种轧制H型钢，该轧制H型钢的尺寸是高度为700～1000mm、凸缘宽度为200～400mm、凸缘厚度为22～40mm、腹板厚度为16mm以上，翼缘宽度、厚度均不能满足高层超高层建筑的基坑支护结构要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种宽翼缘重型热轧H型钢及生产方法，通过成分设计，生产工艺优化，获得翼缘宽度≥500mm，翼缘厚度80～140mm的宽翼缘重型热轧H型钢。
本发明领域目的在于提供宽翼缘重型热轧H型钢的应用，应用于高层超高层建筑的基坑支护结构。
本发明具体技术方案如下：
一种宽翼缘重型热轧H型钢，包括以下质量百分比成分：
C：0.11～0.15％，Si：0.35～0.45％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.03～0.05％，Nb：0.030～0.050％，H：≤0.0002％，N：≤0.008％，Alt：0.010～0.015％，其余为Fe及微量残余元素。
Nb元素在钢中形成碳化物粒子，其在奥氏体晶界通过钉扎效应细化晶粒，在轧制过程中，大量细小的NbC析出，利于铁素体形核，细化铁素体组织。V能形成碳、氮形成化合物，能抑制轧制中再结晶，起到析出强化的作用。
所述宽翼缘重型热轧H型钢，组织为珠光体+铁素体，晶粒度9.5级以上。
所述宽翼缘重型热轧H型钢力学性能：屈服强度ReL 390～510MPa，抗拉强度Rm 510～660MPa，屈强比ReL/Rm≤0.83，断后伸长率A≥20％，0℃冲击功KV2≥47J。
所述宽翼缘重型热轧H型钢翼缘宽度≥500mm，厚度80～140mm。
本发明提供的一种宽翼缘重型热轧H型钢的生产方法，包括铸坯加热，具体为：
异型坯坯料，在加热炉内的加热温度1200～1250℃，在炉时间35min～40min。
所述生产方法还包括除鳞，除鳞时轧件运行速度为1.0～1.6m/s，除鳞水压≥15MPa；
所述生产方法还包括开坯轧制：采用两辊可逆式开坯轧机对坯料进行粗轧，开轧温度1180～1210℃，终轧温度1000～1150℃，开坯轧制压缩比≥1.5；此阶段轧制过程中，大量细小的NbC析出，利于铁素体形核，细化铁素体组织。
所述开坯轧制，坯料首先在箱型孔型中立轧两个道次，缩减坯料的高度，从而确保其内宽能够在过渡异形孔中稳定咬入。
所述过渡异型孔为开口平轧的孔型；
所述过渡异型孔包括翼缘孔、腹板孔和凹槽孔；
所述翼缘孔包括第一翼缘孔11和第二翼缘孔12；所述腹板孔和凹槽孔3均位于第一翼缘孔11和第二翼缘孔12之间。
所述腹板孔包括第一腹板孔21和第二腹板孔22；所述凹槽孔3的两端分别与第一腹板孔21、第二腹板孔22连接。
所述第一腹板孔21的一端与第一翼缘孔11连接，第一腹板孔21的另一端与凹槽孔3一端连接；所述第二腹板孔22的一端与所述第二翼缘孔12连接，第二腹板孔22的另一端与凹槽孔3的另一端连接。
本发明所述凹槽孔3为腹板预留更多的金属，防止腹板在轧制过程中，因过多延伸对翼缘根部的金属造成拉拽，避免了翼缘根部金属过多的流向腹板部位，使得万能轧制过程中坯料翼缘沿宽度方向延伸的阻力减小，有利于翼缘高度的增加。凹槽孔3为腹板预留更多的金属，在后续万能轧制过程中压平，不影响腹板尺寸均匀性。
所述生产还包括万能轧制，所述万能轧制具体为：采用X-H轧制工艺，开轧温度960～1000℃，终轧温度810～870℃；万能轧制控温阶段总的压缩比≥3.0；此阶段V能形成碳、氮形成化合物形式析出，能抑制轧制中再结晶，起到析出强化的作用。
所述生产方法还包括轧后冷却；轧后根据不同强度要求，可选择空冷，或采用淬火自回火工艺，其中采用淬火自回火工艺时，其自回火温度应≤600℃；
所述生产方法还包括矫直，成品经压力矫直机进行矫直，其压力矫直机的压力≥7MN。
本发明提供的一种宽翼缘重型热轧H型钢的应用，用于高层超高层建筑的基坑支护结构。
在采用异型坯轧制该类宽翼缘热轧H型钢过程中，在粗轧阶段腹板的压下量大，延伸率大于翼缘，这就造成了腹板的金属对翼缘金属的拉应力，翼缘部位的金属流向腹板，从使得翼缘负宽展，在精轧的过程中这种现象更加明显，使得最终的成品出现翼缘端部塌角，宽度不达标等问题。
本发明提供的一种宽翼缘重型热轧H型钢的生产方法，其生产的主要特点是：在粗轧阶段通过孔型设计优化，预留了腹板的厚度，优化了翼缘与腹板的金属分布，为翼缘的宽展提供更多的金属，进而获得翼缘宽度≥500mm，翼缘厚度80～140mm的宽翼缘重型热轧H型钢。H型钢翼缘宽度更宽，翼缘厚度更厚，生产工艺上更加困难，本发明在成分设计上采用Nb+V的微合金化设计，在生产工艺上采用开坯轧制和万能轧制两段式控温模式，能够顺利稳定生产屈服强度达到390MPa级的宽翼缘重型热轧H型钢，其翼缘宽度≥500mm，翼缘厚度80～140mm，进一步拓展热轧H型钢应用领域，填补了国内空白，形成差异化竞争优势，而且能够优化产品结构，增强品牌竞争力。本发明提供的H型钢，翼缘宽且翼缘厚，满足高层、超高层对基坑支护用热轧H型钢的承载力要求，避免地面上主体结构的破坏或者坍塌，确保了建筑结构的安全性。
附图说明
图1为开坯轧辊过渡异形孔型；
图中，11为第一翼缘孔，12为第二翼缘孔，21为第一腹板孔，211为第一腹板孔底边，22为第二腹板孔，221为第二腹板孔底边，3为凹槽孔，31为凹槽孔第一侧边，32为凹槽孔第二侧边，33为凹槽孔底边；
图2为本发明宽翼缘重型热轧H型钢典型组织。
具体实施方式
本发明提供的一种宽翼缘重型热轧H型钢的生产方法，在粗轧阶段通过孔型设计，预留了腹板的厚度，优化了翼缘与腹板的金属分布，为翼缘的宽展提供更多的金属，从而获得翼缘宽度厚度≥500mm，翼缘厚度80～140mm的宽翼缘重型热轧H型钢。
所述宽翼缘重型热轧H型钢的生产的工艺流程为：高炉铁水→铁水预处理→转炉冶炼→吹氩站→LF精炼→RH精炼→异型坯全保护浇铸→H型钢轧制。
按质量百分比(wt％)，熔炼化学成分配比为：C：0.11～0.15％，Si：0.35～0.45％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.03～0.05％，Nb：0.030～0.050％，H：≤0.0002％，N：≤0.008％，Alt：0.010～0.015％，其余为Fe及微量残余元素。
其中轧制生产方法步骤包括：
A、坯料加热：坯料为异型坯，在加热炉内的加热温度1200～1250℃，在炉时间35min～40min；
B、除鳞：除鳞时轧件运行速度为1.0～1.6m/s，除鳞水压≥15MPa；
C、开坯轧制：采用两辊可逆式开坯轧机对坯料进行粗轧，开轧温度1180～1210℃，终轧温度1000～1150℃，开坯轧制压缩比≥1.5；在开坯轧制过程中，坯料首先在箱型孔型中立轧两个道次，缩减坯料的高度，使其内宽能够在过渡异形孔中稳定咬入。
坯料再进入过渡异形孔轧制；
所述过渡异型孔为开口平轧的孔型；
所述过渡异型孔包括翼缘孔、腹板孔和凹槽孔；
所述翼缘孔包括第一翼缘孔11和第二翼缘孔12；所述腹板孔和凹槽孔3均位于第一翼缘孔11和第二翼缘孔12之间。
所述腹板孔包括第一腹板孔21和第二腹板孔22；所述凹槽孔3的两端分别与第一腹板孔21、第二腹板孔22连接。
所述第一腹板孔21的一端与第一翼缘孔11连接，第一腹板孔21的另一端与凹槽孔3一端连接；所述第二腹板孔22的一端与所述第二翼缘孔12连接，第二腹板孔22的另一端与凹槽孔3的另一端连接。
本发明所述凹槽孔3为腹板预留更多的金属，防止腹板在轧制过程中，因过多延伸对翼缘根部的金属造成拉拽，避免了翼缘根部金属过多的流向腹板部位，使得万能轧制过程中坯料翼缘沿宽度方向延伸的阻力减小，有利于翼缘高度的增加。腹板预留更多的金属在后续万能轧制过程中压平，不影响腹板尺寸均匀性。
所述过渡异型孔结构示意图如图1所示，以纸面为基准，所述过渡异型孔沿水平中心线对称，沿纵向中心线也对称；
所述水平中心线和纵向中心线垂直；
在所述水平中心线的上方的所述凹槽孔3的孔型依次包括凹槽孔第一侧边31、凹槽孔底边33和凹槽孔第二侧边32；在所述水平中心线的上方的所述第一腹板孔21的孔型包括第一腹板孔底边211；在所述水平中心线的上方的所述第二腹板孔22的孔型包括第二腹板孔底边221；
所述凹槽孔底边33通过凹槽孔第一侧边31与第一腹板孔底边211连接，所述凹槽孔底边33通过凹槽孔第二侧边32与第二腹板孔底边221连接；
在凹槽孔第一侧边31与第一腹板孔底边211的连接处设置第一过渡外圆角；所述第一过渡外圆角的半径R1，R1取值范围为50-80mm之间；
在凹槽孔第二侧边32与第二腹板孔底边221的连接处设置第二过渡外圆角；所述第二过渡外圆角的半径取值与第一过渡外圆角的半径取值相同；
在凹槽孔第一侧边31与凹槽孔底边33的连接处设置第一过渡内圆角；所述第一过渡内圆角的半径R2，R2取值范围为100～150mm之间；
在凹槽孔第二侧边32与凹槽孔底边33的连接处设置第二过渡内圆角；所述第二过渡内圆角的半径取值与第一过渡内圆角的半径取值相同；
所述凹槽孔3的总长度L值为1/2B～3/5B之间，B指同一系列规格的翼缘宽度值；
以图1为基准，所述凹槽孔3的总长度是指凹槽孔第一侧边31与第一腹板孔底边211的连接处到凹槽孔第二侧边32与第二腹板孔底边221的连接处的水平总长度。
以图1为基准，在纵向上，所述凹槽孔3的高度比所述第一腹板孔21的高度更高；所述凹槽孔3的高度比所述第二腹板孔22的高度更高。
所述凹槽孔3的深度d为10～25mm之间；即所述凸槽孔底边33与第一腹板孔底边211的高度差为d；所述凹槽孔底边33与第二腹板孔底边221的高度差与所述凹槽孔底边33与第一腹板孔底边211的高度差相同；
同时，综合考虑减少开坯轧辊磨损，延长轧辊的使用寿命，并且尽可能在凹槽中预留更多金属，R1取50～80mm之间，R2取100～150mm之间。
D、再进行万能轧制：采用X-H轧制工艺，开轧温度960～1000℃，终轧温度810～870℃；万能轧制控温阶段总的压缩比≥3.0；
E、轧后根据不同强度要求，可选择空冷，或采用淬火自回火工艺，其中采用淬火自回火工艺时，其自回火温度应≤600℃；
F、成品经压力矫直机进行矫直，其压力矫直机的压力≥7MN。
实施例1
本实施例所轧制规格为H500×500系列规格，翼缘厚度130mm，钢的组分按质量百分比为：C：0.12％，Si：0.41％，Mn：1.45％，P：0.011％，S：0.007％；V：0.04％，Nb：0.040％，H：0.00010％，N：0.005％，Alt：0.012％，其余为Fe及微量残余元素。采用本发明的生产工艺进行生产，其中工艺参数控制如下：
A、坯料加热：加热温度1250℃，在炉时间40min；
B、除鳞：除鳞时轧件运行速度为1.6m/s，除鳞水压17MPa；
C、开坯轧制：采用两辊可逆式开坯轧机对坯料进行粗轧，坯料首先在箱型孔型中立轧两个道次，缩减坯料的高度，高度740mm，内宽在340mm，开轧温度1200℃，终轧温度1070℃，开坯轧制压缩比1.6；
再进入上述过渡异型孔轧制，所述过渡异型孔的凹槽孔设计的总长度L值为260mm，凹槽孔的深度d为15mm，R1取70mm，R2取120mm。
D、万能轧制：采用X-H轧制工艺，开轧温度990℃，终轧温度870℃；万能轧制控温阶段总的压缩比3.1。
E、轧后选择空冷；
F、成品经压力矫直机进行矫直，其压力矫直机的压力8MN；采用门式九辊矫直机进行矫直；控制矫直温度为70℃，稳定矫直速度为2.6m/s。
对其力学性能进行测试，其屈服强度为395MPa，抗拉强度为556MPa，屈强比为0.71，断后延伸率为24％，0℃冲击功KV2为95J。成品的截面尺寸中翼缘宽度为510mm。
实施例2
本实施例的规格及钢的组分与实施例1相同。轧后控冷工艺选择轧后淬火自回火工艺，其自回火温度600℃，其余生产工艺控制参数与实施例1相同，对其力学性能进行测试，其屈服强度为436MPa，抗拉强度为621MPa，屈强比为0.70，断后延伸率为22％，0℃冲击功KV2为56J。成品的截面尺寸中翼缘宽度为510mm。
实施例3
本实施例的规格为H600×500系列，翼缘厚度90mm；钢种组分按质量百分比为：C：0.13％，Si：0.41％，Mn：1.45％，P：0.012％，S：0.008％，V：0.041％，Nb：0.039％，H：0.00013％，N：0.004％，Alt：0.013％，其余为Fe及微量残余元素。采用本发明的生产工艺进行生产，其中轧制工艺参数控制如下：
A、坯料加热：坯料为异型坯，在加热炉内的加热温度1240℃，在炉时间38min；
B、除鳞：除鳞时轧件运行速度为1.4m/s，除鳞水压16MPa；
C、开坯轧制：采用两辊可逆式开坯轧机对坯料进行粗轧，坯料首先在箱型孔型中立轧两个道次，缩减坯料的高度，高度835mm，内宽在435mm，开轧温度1200℃，终轧温度1060℃，开坯轧制压缩比1.61；
再进入上述过渡异型孔轧制，所述过渡异型孔的凹槽孔总长度L值为275mm，凹槽孔的深度d为20mm，R1取80mm，R2取130mm。
D、万能轧制：采用X-H轧制工艺，开轧温度980℃，终轧温度860℃；万能轧制控温阶段总的压缩比3.2；
E、轧后选择空冷。
F、成品经压力矫直机进行矫直，其压力矫直机的压力7.5MN。
对其力学性能进行测试，其屈服强度为405MPa，抗拉强度为612MPa，屈强比为0.66，断后延伸率为23％，0℃冲击功KV2为86J。成品的截面尺寸中翼缘宽度为508mm。
对比例1
本对比例中的规格及钢种组分配比与实施例1相同，其开坯轧机的过渡异型孔的设计没有凹槽孔，产品H型钢的翼缘宽度B值为475mm，小于500mm。对其力学性能进行测试，其屈服强度为396MPa，抗拉强度为564MPa，屈强比为0.70，断后延伸率为25％，0℃冲击功KV2为115J。
对比例2
本对比例组分配比与实施例1相同，其开坯轧机的过渡异型孔采用本发明设计，只是凹槽孔深度d为32mm，造成H型钢的腹板出现折叠缺陷。
对比例3
本对比例组分配比与实施例1相同，其开坯轧机的过渡异型孔采用本发明设计，只是凹槽孔深度d为7mm，产品H型钢的翼缘宽度B值为486mm，小于500mm。对其力学性能进行测试，其屈服强度为405MPa，抗拉强度为596MPa，屈强比为0.68，断后延伸率为25％，0℃冲击功KV2为103J。
对比例4
本实施例所轧制规格为H500×500系列规格，钢的组分按质量百分比为：C：0.17％，Si：0.27％，Mn：1.25％，P：0.018％，S：0.016％；V：0.025％，Nb：0.004％，H：0.0005％，N：0.008％，Alt：0.015％，其余为Fe及微量残余元素。采用本发明的生产工艺进行生产，其中工艺参数控制与实施例1相同：
对其力学性能进行测试，其屈服强度为356MPa，抗拉强度为493MPa，屈强比为0.72，断后延伸率为27％，0℃冲击功KV2为77J。成品的截面尺寸中翼缘宽度为511mm。该对比例的屈服强度及抗拉强度都不满足要求。
对比例5
本对比例中的规格及钢种组分配比与实施例3相同，其开坯轧机的过渡异型孔的设计与实施例3也相同，但轧制工艺中温度的控制较低，其中，开坯轧制：坯料首先在箱型孔型中立轧两个道次，缩减坯料的高度，高度835mm，内宽在435mm，开轧温度1165℃，终轧温度990℃，开坯轧制压缩比1.61。万能轧制：采用X-H轧制工艺，开轧温度956℃，终轧温度807℃，万能轧制控温阶段总的压缩比3.2。产品H型钢的翼缘宽度B值为463mm，小于500mm。对其力学性能进行测试，其屈服强度为480MPa，抗拉强度为665MPa，屈强比为0.72，断后延伸率为18％，0℃冲击功KV2为50J。该对比例抗拉强度超出要求的上限值，且断后延伸率无法满足要求。
对比例6
本对比例中的规格及钢种组分配比与实施例3相同，其开坯轧机的过渡异型孔的设计与实施例3也相同，但轧制工艺中温度的控制较高，其中，开坯轧制：坯料首先在箱型孔型中立轧两个道次，缩减坯料的高度，高度835mm，内宽在435mm，开轧温度1220℃，终轧温度1155℃，开坯轧制压缩比1.61。万能轧制：采用X-H轧制工艺，开轧温度1035℃，终轧温度910℃，万能轧制控温阶段总的压缩比3.2。H型钢的翼缘宽度B值为515mm，对其力学性能进行测试，其屈服强度为387MPa，抗拉强度为516MPa，屈强比为0.75，断后延伸率为21％，0℃冲击功KV2为43J。该对比例的屈服强度及0℃冲击功无法满足要求。

Claims (10)

1.一种宽翼缘重型热轧H型钢，其特征在于，所述宽翼缘重型热轧H型钢包括以下质量百分比成分：
C：0.11～0.15％，Si：0.35～0.45％，Mn：1.30～1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.015％，V：0.03～0.05％，Nb：0.030～0.050％，H：≤0.0002％，N：≤0.008％，Alt：0.010～0.015％，其余为Fe及微量残余元素。
2.根据权利要求1所述的宽翼缘重型热轧H型钢，其特征在于，所述宽翼缘重型热轧H型钢翼缘宽度≥500mm，厚度80～140mm。
3.一种权利要求1或2所述的宽翼缘重型热轧H型钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括铸坯加热，具体为：
异型坯坯料，在加热炉内的加热温度1200～1250℃，在炉时间35min～40min。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括除鳞，除鳞时轧件运行速度为1.0～1.6m/s，除鳞水压≥15MPa。
5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括开坯轧制：开轧温度1180～1210℃，终轧温度1000～1150℃，开坯轧制压缩比≥1.5。
6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述开坯轧制：坯料在箱型孔型中立轧；再进入过渡异型孔轧制；
所述过渡异型孔为开口平轧的孔型；
所述过渡异型孔包括翼缘孔、腹板孔和凹槽孔；
所述翼缘孔包括第一翼缘孔和第二翼缘孔；所述腹板孔和凹槽孔均位于第一翼缘孔和第二翼缘孔之间；
所述腹板孔包括第一腹板孔和第二腹板孔；所述凹槽孔的两端分别与第一腹板孔、第二腹板孔连接；
所述第一腹板孔的一端与第一翼缘孔连接，第一腹板孔的另一端与凹槽孔一端连接；所述第二腹板孔的一端与所述第二翼缘孔连接，第二腹板孔的另一端与凹槽孔的另一端连接。
7.根据权利要求6所述的生产方法，其特征在于，所述凹槽孔的总长度L值为1/2B～3/5B之间，所述B为宽翼缘重型热轧H型钢的翼缘宽度；所述凹槽孔的的深度d为10～25mm之间。
8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括万能轧制：采用X-H轧制工艺，开轧温度960～1000℃，终轧温度810～870℃；万能轧制控温阶段总的压缩比≥3.0。
9.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括轧后冷却；轧后冷却选择空冷，或采用淬火自回火工艺。
10.一种宽翼缘重型热轧H型钢的应用，其特征在于，用于高层超高层建筑的基坑支护结构。
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