CN114369764B

CN114369764B - 一种屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢及其生产方法

Info

Publication number: CN114369764B
Application number: CN202210050093.3A
Authority: CN
Inventors: 沈千成; 吴保桥; 彭林; 邢军; 丁朝晖; 何军委; 汪杰; 陈辉; 夏勐; 吴湄庄; 黄琦
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2023-03-10
Anticipated expiration: 2042-01-17
Also published as: CN114369764A

Abstract

本发明公开了一种屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢及其生产方法，H采用C‑Si‑Mn‑V‑Nb‑Ni‑Ti成分设计思路，经铁水预处理→转炉冶炼→吹氩精炼→LF精炼→RH→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却工序生产得到；按照本发明的方法可生产得到屈服强度460MPa以上，抗拉强度≥640MPa，延伸率为20％以上，0℃纵向V型冲击功KV₂均值70J以上，腹板厚度方向性能及翼缘厚度方向性能在45％以上的综合力学性能优异的翼缘厚度70～140mm，屈服强度为460MPa级高性能厚重热轧H型钢。

Description

一种屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢及其生产方法

技术领域

本发明属于H型钢技术领域，具体涉及一种屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢及其生产方法。

背景技术

近些年，随着我国房地产市场的快速发展，钢结构建筑物特别是超高层建筑物获得较快发展。同时国际能源行业的复苏，增加了国际能源巨头对大型能源设施等行业的投资，增加了国内国际对超厚热轧H型钢的需求。在钢结构用热轧H型钢这一块，一方面考虑建筑结构层数多、跨度大特点，要求H型钢尺寸大、厚度大，另一方面考虑建筑的安全性、经济性及选材的便捷性，又要求H型钢材拥有良好的力学性能，重型热轧H型钢逐渐受到青睐。

当坯料规格尺寸一定时，相较于薄翼缘厚度的热轧H型钢而言，超厚翼缘厚度的热轧H型钢其在轧制过程中翼缘厚度方向的压缩比更小，变形渗透更难，传统的轧制工艺很难达到要求。由于安全要求的严格化，超厚热轧H型钢除了要求高强度外还要求有高韧性，同时附加厚度方向性能。目前国内针对热轧H型钢提出添加大量的V微合金，通过V的碳化物析出，得到析出强化。但随着强度的提升及厚度的增加，当翼缘厚度超过50mm以上的厚重热轧H型钢添加V微合金化进行强化的方式达不到实际强度及韧性要求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢及其生产方法，在不降低轧制终轧温度前提下，能降低轧机的轧制负荷、减少轧辊磨损，并且得到屈服强度460MPa以上，抗拉强度≥640MPa，延伸率为20％以上，0℃纵向V型冲击功KV₂均值70J以上，腹板厚度方向性能(WZ)及翼缘厚度方向性能(FZ)45％以上的综合力学性能优异的翼缘厚度70～140mm，屈服强度为460MPa级高性能厚重热轧H型钢。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢，包括以下质量百分比的元素：C0.16～0.20％，Si 0.35～0.45％，Mn 1.35～1.45％，P≤0.015％，S≤0.015％，V 0.050～0.10％、Nb 0.020～0.030％、Ni 0.25～0.7％、Ti 0.010～0.025％、N 0.0020～0.010％，其余为Fe及不可避免的杂质。

所述屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢中，0.30％≤Ni+Nb≤0.5％；0.08％≤Nb+V+Ti≤0.15％。

所述屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢的翼缘厚度70～140mm，其表层金相组织为回火索氏体，芯部金相组织为铁素体+珠光体的复相组织，翼缘芯部奥氏体晶粒度等级9.0级以上，回火索氏体层厚度大于等于翼缘厚度的1/4。

所述屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢的芯部组织中铁素体晶粒尺寸为12～20μm，铁素体体积占总体积70～85％，10-12μm铁素体占总铁素体90～95％。

所述屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢的屈服强度≥460MPa，抗拉强度≥640MPa，延伸率A≥20％，0℃纵向V型冲击功KV₂≥70J，腹板厚度方向性能(WZ)及翼缘厚度方向性能(FZ)≥45％。

本发明还提供了所述屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢的生产方法，包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→吹氩精炼→LF精炼→RH精炼→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却，在精轧的前三道次和最后三道次均进行SFC冷却。

所述坯料加热步骤中，于1200～1250℃均热60～90min。

所述坯料加热步骤中，采用步进式加热炉进行加热，炉内气氛为弱氧化性气氛，坯料在整个步进式加热炉内的加热时间为180～240min，确保合金元素充分固溶，同时避免过烧、氧化烧损以及奥氏体晶粒过度粗化。

所述弱氧化性气氛为残余烟气，其中氧的过剩系数为1.5～3.5％。

所述轧制步骤中，粗轧阶段开轧温度控制在1150～1200℃，终轧温度控制在1050℃以上；精轧终轧温度控制在930～980℃。

所述轧制步骤中，粗轧分为两个阶段，在1100～1150℃温度区间，翼缘道次压下率控制在15％-20％，应变速率为4s^-1；在1050～1100℃温度区间，翼缘道次压下率控制在20％-25％，应变速率为8s^-1，坯料总的压下率控制在40％～50％。本阶段处于奥氏体再结晶温度范围内，不同温度范围内的道次压下率及应变速率是为了出发该温度范围下奥氏体发生动态再结晶，且通过两道次控制，使得粗轧阶段奥氏体再结晶发生百分比达到50％以上，通过较大的轧制变形和奥氏体的反复再结晶不断细化奥氏体晶粒，使得最终产品晶粒度达到9.0级以上，满足产品最终的综合力学性能要求。

所述轧制步骤中，精轧阶段，在980～1050℃温度区间，道次压下率控制在15％～25％；在930～980℃温度区间，道次压下率控制在5％～15％。

在精轧的前三道次，SFC冷却时，水压控制在0.8～1.0MPa，水嘴开口度为60～80％；在精轧的后三道次，SFC冷却时，水压控制在0.8～1.0MPa，水嘴开口度为60～80％。SFC冷却工艺在精轧前三道次主要降低翼缘表面温度，增加表面硬度，使得高温下钢材的变形向翼缘芯部渗透，增大超厚热轧H型钢翼缘变形的渗透率；在精轧的最后三道次开启SFC冷却工艺，在保证芯部变形渗透作用外，还使得最终轧制温度在目标范围内。在本阶段处于奥氏体非再结晶温度范围内，此温度区间不发生奥氏体再结晶，低温大压下形成的累积变形可以使奥氏体晶粒被拉长，在晶粒内部形成大量的变形带和位错，晶界面积的增加提高了奥氏体的形核密度，进一步细化了晶粒尺寸，提高了钢的强度，改善了钢的韧性。同时被拉长的奥氏体和大量的变形带及位错处也为碳氮化物第二相质点的析出提供了大量的着陆点，低温大压下形成的储存能也为碳氮化物第二相质点的析出提供了足够的动能。Nb、V作为强碳化物形成元素，在本阶段形成了大量的VC、Nb(C、N)弥散化物分布在基体中，进一步提高了钢的强度和韧性。

所述轧后QST冷却步骤中，水压控制在1.20～1.40MPa，水流量控制在4000-4500m³/h，辊道速度为0.5～0.8m/s，返温温度控制在600～650℃。确保淬火-回火后翼缘厚度方向的回火层索氏体厚度达到翼缘厚度的1/4；冷却时间过长，其表层回火层组织将会变成回火马氏体，该组织对产品的韧性不利。

本发明提供的屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢中的各化学成分作用及控制如下：

C：0.16～0.20％，C作为钢中的基本元素，对提高钢的强度起着非常重要的作用，为了获得较高的强度，同时降低炼钢脱C的难度，下限值设定为0.16％，C含量过高将严重恶化钢的塑性、韧性及焊接裂纹敏感性指数Pcm，降低H型钢的焊接性，上限设定为0.20％。

Si：0.35～0.45％，适当含量的Si能起到较强的固溶强化作用，Si还是炼钢过程中重要的还原和脱氧元素，为了获得较高的强度，下限值设定为0.35％，但Si含量不能太高，Si含量过高将加速高温剥层，降低韧性和抗层状撕裂性能，且容易在钢的表面生成红色的氧化铁皮，影响产品的表面质量，上限值设定为0.45％。

Mn：1.35～1.45％，Mn作为钢中的强化元素，可以提高钢的强度和淬透性，为了保证钢的强度，下限值设定为1.35％，但Mn含量不能过高，过高将导致铸坯偏析的可行性显著增加，对钢的成形性能产生不利影响，上限值设定为1.45％。

P、S：作为杂质元素，会对钢的塑性、韧性和焊接性产生不利影响。其中P是凝固偏析元素，容易引起焊接裂纹、韧性降低；S会在凝固偏析形成的中心偏析过程中形成MnS，引起焊接裂纹、韧性减低还会导致抗层状撕裂，应严格控制，考虑炼钢控制难度，实际生产中控制P：≤0.015％，S：≤0.015％。

V：0.050～0.10％，V作为强碳化物形成元素，与C、N元素形成的V(C、N)弥散化合物分布在钢的基体中起到析出强化的作用，主要是通过在奥氏体向铁素体的相变过程中，作为铁素体相变形核点，起到细化铁素体晶粒以及相变之后析出来起到析出强化的作用，为了提高强度，下限值设定为0.050％；另一方面，当V含量大于0.10％，析出物会形成粗大而损害韧性，在保证产品综合力学性能指标的情况下同时考虑生产成本因素，上限值设定为0.10％。

Nb:0.020～0.030％，Nb作为强碳化物形成元素，与C、N元素形成的Nb(C、N)弥散化合物分布在钢的基体中起到析出强化的作用，同时改善韧性。Nb的加入可在轧制过程中抑制奥氏体再结晶，扩大奥氏体非再结晶温度区间，在随后的低温大压下形成的累积变形可以使奥氏体晶粒被拉长，在晶界处形成大量的变形带和位错，在随后的相变过程中，提供大量的形核点，细化晶粒。

Ni:0.25～0.70％。Ni具有降低钢韧脆转变温度的作用。Ni能提高碳的活度，增强碳原子在位错周围的偏聚与沉淀，从而阻碍位错的移动而使得钢得到强化，为使其性能得到保证，下线设定为0.25％，但其价格昂贵，故其上限应控制在0.70％。同时为保证良好的厚度方向性能及第二项粒子析出效果，应保证0.30％≤Ni+Nb≤0.5％。

Ti:0.010～0.025％。Ti是形成TiN的主要元素，TiN是高温稳定化合物，通过TiN钉扎高温区的奥氏体晶粒阻碍奥氏体晶粒长大，以实现在加热及轧制过程中细化奥氏体晶粒。为实现该效果，将Ti含量的下线设定为0.010％；当Ti含量过高时，会与钢液中多余的N元素结合，迅速长大，尺寸粗大的TiN粒子在钢中起不到细化晶粒效果，反而会成为钢中裂纹产生的源头，故设定Ti的限为0.020％，同时为保证在加热及轧制过程中晶粒细化，满足产品最终性能要求，应保证0.08％≤Nb+V+Ti≤0.15％。

N：0.0020～0.010％。N(氮)是形成V、Nb碳化物的形成元素，有助于组织的细粒化和析出强化的元素。因此，将N含量的下限设为0.0020％。但是，若N含量大于0.010％，则会引起低温韧性降低、连铸表面裂纹以及钢材应变时效。因此，将N含量的上限设为0.010％。

本发明化学成分采用C-Si-Mn-V-Nb-Ni-Ti成分设计思路，考虑生产成本，为了得到高性能的厚重热轧H型钢，控制TiN的析出数量及大小，通过TiN钉扎高温区的奥氏体晶粒阻碍奥氏体晶粒长大，以实现在加热及轧制过程中细化奥氏体晶粒。同时通过析出Nb(C,N)二相粒子，扩大奥氏体非再结晶区域，控制轧制工艺得到大变形的奥氏体晶粒在随后的冷却过程中，得到较为细小的晶粒。V元素的添加全部采用V-Fe合金配入，使得V以VC的形式析出强化提高钢的强度，并不降低韧性，同时严格控制P、S等杂质元素的含量。

本发明提供的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的生产方法中，通过控制加热段的铸坯原始晶粒尺寸、轧制段奥氏体变形再结晶行为、“温控-变形”耦合的渗透性轧制、冷却段相变行为来实现综合力学性能优异的翼缘厚度70～140mm、屈服强度460MPa级热轧H型钢的生产。具体是采用两阶段轧制，通过合理的压下率分配和温度控制避开奥氏体部分再结晶温度范围内变形，加大奥氏体再结晶温度范围内的变形进一步细化晶粒尺寸；通过合理的SFC工艺，加大厚重H型钢在轧制过程中的变形渗透；轧后采用QST控冷工艺，返温温度控制在600-650℃，使得回火索氏层厚度达到整个翼缘厚度的1/4，得到回火层组织为综合力学性能优异的回火索氏体组织。

与现有技术相比，本发明在综合考虑成本及质量的情况下，提供了屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢及其生产工艺，采用合理的成分配比以及轧制工艺，特别是压下量的分配，再配合控温轧制及SFC工艺以及轧后QST工艺；利用细晶强化、析出强化、“温控-变形”耦合的渗透性轧制、相变强化机制，得到表层金相组织为回火索氏体，芯部金相组织为铁素体+珠光体的复相组织，芯部铁素体晶粒度等级9.0级以上，回火索氏体层厚度大于等于翼缘厚度的1/4的屈服强度460MPa级高性能厚重热轧H型钢。

通过本发明的方法生产的H型钢，其屈服强度460MPa以上，抗拉强度≥640MPa，延伸率为20％以上，0℃纵向V型冲击功KV₂均值70J以上，腹板厚度方向性能(WZ)及翼缘厚度方向性能(FZ)≥45％；满足下游客户对H型钢尺寸大、厚度大且强度高、韧性好、焊接性能、Z向性能优良的要求。

附图说明

图1为实施例1中的热轧H型钢翼缘表层金相组织；

图2为实施例1中的热轧H型钢翼缘芯部金相组织；

图3为实施例2中的热轧H型钢翼缘表层金相组织；

图4为实施例2中的热轧H型钢翼缘芯部金相组织。

具体实施方式

一种屈服强度460MPa级热轧H型钢，包括以下质量百分比的元素：

C 0.16～0.20％，Si 0.35～0.45％，Mn 1.35～1.45％，P≤0.015％，S≤0.015％，V 0.050～0.10％、Nb 0.020～0.030％、Ni 0.25～0.7％、Ti 0.010～0.025％、N 0.0020～0.010％，其余为Fe及不可避免的杂质。

所述屈服强度460MPa级热轧H型钢的生产方法为：铁水预处理→转炉冶炼→吹氩精炼→LF精炼→RH精炼→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却，在精轧的前三道次和最后三道次均进行SFC冷却；

具体步骤如下：

1)铁水经预处理后至转炉冶炼；

2)冶炼过程中吹惰性气体氩气，清除钢种溶解的气体和悬浮的非金属夹杂物，净化钢水；

3)经LF炉精炼，同时进行电加热，温度控制在液相线60～90℃，待达到温度后，取样进行钢水中N含量检测，视情况加入含氮的包芯线，控制钢液中的氮含量在设计范围内。同时向钢液中吹入惰性气体，时间为10min，以保证LF炉中各合金均匀性；

4)经过RH炉进行真空脱气，并对钢种的成分进行均匀化控制。待达到温度后，取样进行钢水中N含量检测，视情况加入含氮的包芯线，控制钢液中的氮含量在设计范围内，随后浇注成坯。

4)铸坯进入加热炉，经加热炉加热至1200～1250℃，均热段时间为60～90min，

5)粗轧阶段开轧温度控制在1150～1200℃，终轧温度控制在1050℃以上；在1100～1150℃温度区间，道次压下率控制在15％-20％，应变速率为4s^-1；在1050～1100℃温度区间，道次压下率控制在20％-25％，应变速率为8s^-1；坯料总的压下率控制在40％～50％。

6)粗轧完毕后，待温至1050℃以下，然后进入精轧阶段，坯料余下的变形在本阶段完成，在980～1050℃温度区间，道次压下率控制在15％-25％，在进精轧机的前三道次开启SFC工艺，水压控制在0.8～1.0MPa，水嘴开口度为80％；在930～980℃温度区间，道次压下率控制在5％-15％，同时在最后3道次开启SFC工艺，水压控制在0.8～1.0MPa，水嘴开口度为60％；

7)H型钢轧后进入QST冷却装置，水压控制在1.2～1.4MPa，水流量控制在4000-4500m³/h，辊道速度控制在0.5～0.8m/s，返温温度控制在600～650℃。

下面结合实施例对本发明金相详细说明。

各实施例及对比例中的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的化学成分及重量百分比如表1所示，余量为Fe和不可避免的杂质。

表1

各实施例及对比例中的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的主要生产工艺参数如表2所示，并在精轧的前三道次和最后三道次均进行SFC冷却，在精轧的前三道次，SFC冷却时，水压控制在0.8MPa，水嘴开口度为80％，在精轧的后三道次，SFC冷却时，水压控制在0.9MPa，水嘴开口度为60％，QST冷却步骤中，水压控制在1.35MPa，水流量控制在4300m³/h。

Claims

1.一种屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢，其特征在于，由以下质量百分比的元素组成：C 0.16～0.20%，Si 0.35～0.45%，Mn 1.35～1.45%，P≤0.015%，S≤0.015%，V 0.050～0.10%、Nb 0.020~0.030%、Ni 0.25~0.7%、Ti 0.010~0.025%、N 0 .0020～0 .010％，其余为Fe及不可避免的杂质；0.30%≤Ni+Nb≤0.5%；0.08%≤Nb+V+Ti≤0.15%；

所述屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的延伸率A≥20%，0℃纵向V型冲击功KV₂≥70J，腹板厚度方向性能WZ及翼缘厚度方向性能FZ≥45%；

所述屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的生产方法包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→吹氩精炼→LF精炼→RH精炼→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却，在精轧的前三道次和最后三道次均进行SFC冷却；

在精轧的前三道次，SFC冷却时，水压控制在0.8~1.0MPa，水嘴开口度为60~80%；

在精轧的后三道次，SFC冷却时，水压控制在0.8~1.0MPa，水嘴开口度为60~80%；

所述轧后QST冷却步骤中，水压控制在1.20～1.40MPa，水流量控制在4000-4500m³/h，辊道速度为0.5~0.8m/s，返温温度控制在600～650℃。

2.根据权利要求1所述的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢，其特征在于，所述屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的翼缘厚度70~140mm，其表层金相组织为回火索氏体，芯部金相组织为铁素体+珠光体的复相组织，翼缘芯部奥氏体晶粒度等级9.0级以上，回火索氏体层厚度大于等于翼缘厚度的1/4。

3.根据权利要求2所述的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢，其特征在于，所述屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的芯部组织中铁素体晶粒尺寸为12～20μm，铁素体体积占总体积70～85％，10-12μm铁素体占总铁素体90～95％。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢，其特征在于，所述屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的屈服强度≥460MPa，抗拉强度≥640MPa。

5.如权利要求1-4任意一项所述的屈服强度460MPa级厚重热轧H型钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→吹氩精炼→LF精炼→RH精炼→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却，在精轧的前三道次和最后三道次均进行SFC冷却。

6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述坯料加热步骤中，于1200～1250℃均热60~90min。

7.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述轧制步骤中，粗轧阶段开轧温度控制在1150～1200℃，终轧温度控制在1050℃以上；精轧终轧温度控制在930～980℃。

8.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述轧制步骤中，粗轧分为两个阶段，在1100～1150℃温度区间，翼缘道次压下率控制在15%-20%，应变速率为4s^-1；在1050～1100℃温度区间，翼缘道次压下率控制在20%-25%，应变速率为8s^-1，坯料总的压下率控制在40%～50%。

9.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，所述轧制步骤中，精轧阶段，在980～1050℃温度区间，道次压下率控制在15%-25%；在930~980℃温度区间，道次压下率控制在5%-15%。