CN114369765B - 一种屈服强度550MPa级热轧H型钢及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种屈服强度550MPa级热轧H型钢及其生产方法，所述H型钢包括以下质量百分比的化学元素：C：0.13％～0.16％，Si：0.35％～0.55％，Mn：1.35％～1.55％，P：≤0.02％，S：≤0.015％，V：0.06％～0.12％，Nb：0.02％～0.04％，Cr：0.30～0.55％，Ni：0.15～0.40％，N：0.01％～0.013％，其余为Fe及不可避免的杂质；采用铁水预处理、转炉冶炼、吹氩精炼、LF精炼、异型坯全保护浇铸、坯料加热、轧制、轧后QST冷却的工艺进行生产，低成本的生产出屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥670MPa，延伸率A≥18％，0℃纵向V型冲击功KV2≥100J翼缘厚度40～80mm的屈服强度550MPa级热轧H型钢。

Description

一种屈服强度550MPa级热轧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550MPa级热轧H型钢及其生产方法。
背景技术
近些年，我国高层、超高层建筑和大型钢结构场馆的数量越来越多，这类建筑群的出现对减少我国建筑占地面积具有较大的作用，特别是对我国这样人口较多的国家来说，发展高层建筑和大型场馆建设无疑是解决我国建筑占地面积增多，人均土地减少的重要举措。
热轧H型钢目前已被广泛地应用在各个领域。在高层建筑和大型场馆这一块，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型钢强度高、韧性好、焊接性能优良，重型热轧H型钢逐渐受到青睐。一般厚度超过40mm的H型钢，拥有相当于钢板焊接而成箱型立柱的大界面，相比而言，热轧H型钢需要更少的焊接接头，是高层建筑和大型场馆的理想立柱材料，安全性高、场地占用较少和制造期短。
当坯料尺寸一定时，相较于薄翼缘的热轧H型钢而言，厚翼缘的热轧H型钢其在轧制过程中翼缘厚度方向的压下量小，轧制变形很难渗透到轧件芯部，传统的轧制工艺很难达到高层建筑对H型钢翼缘厚度大且强度高、韧性好、焊接性能优良的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种屈服强度550MPa级热轧H型钢及其生产方法，低成本的生产出屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥670MPa，延伸率A≥18％，0℃纵向V型冲击功KV2≥100J翼缘厚度40～80mm的屈服强度550MPa级热轧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550MPa级热轧H型钢，包括以下质量百分比的化学元素：C：0.13％～0.16％，Si：0.35％～0.55％，Mn：1.35％～1.55％，P：≤0.02％，S：≤0.015％，V：0.06％～0.12％，Nb：0.02％～0.04％，Cr：0.30～0.55％，Ni：0.15～0.40％，N：0.01％～0.013％，其余为Fe及不可避免的杂质。
所述屈服强度550MPa级热轧H型钢的翼缘厚度40～80mm，其表层金相组织为回火索氏体+铁素体，芯部金相组织为铁素体+珠光体的复相组织，铁素体晶粒度等级9.0级及以上，回火层厚度大于等于翼缘厚度的1/4。
所述屈服强度550MPa级热轧H型钢的屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥670MPa，延伸率A≥18％，0℃纵向V型冲击功KV2≥100J。
所述的屈服强度550MPa级热轧H型钢的生产方法，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→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却。
坯料与H型钢翼缘厚度方向压缩比为2.0～3.0。
所述轧制工艺中，粗轧完毕后，无需待温，开启翼缘选择性冷却SFC和腹板底部控制冷却直接进入精轧阶段。
翼缘选择性冷却SFC冷却时，水嘴开口度60％～85％，水压0.8～1.2MPa，以控制翼缘冷却速率在1.0～4.0℃/s。
腹板底部控制冷却时，水嘴开口度70～90％，水压0.3～1.0MPa，以控制腹板冷却速率在0.5～3.0℃/s。
所述坯料加热步骤中，经加热炉加热至1200℃～1280℃，保温时间150～180min，确保合金元素充分固溶，同时避免过烧以及奥氏体晶粒过度粗化。
所述轧制步骤中，粗轧开轧温度控制在1100℃～1180℃，粗轧终轧温度控制在1000℃以上；精轧终轧温度控制在850℃以下。
所述轧制步骤中，粗轧阶段，在1100℃～1150℃温度区间，道次压下率控制在20％～25％；在1050℃～1100℃温度区间，道次压下率控制在25％～30％；在1050℃～1000℃温度区间，道次压下率控制在30％～35％，坯料总的压下率控制在50％～60％。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控制是为了确保每道次的奥氏体再结晶百分比达到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，使得最终产品的铁素体晶粒度达到9.0级及以上，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900℃～950℃温度区间，道次压下率控制在15％～20％；在850℃～900℃温度区间，道次压下率控制在15％～20％；在850℃以下温度区间，道次压下率控制在10％～15％。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。热轧H型钢中添加Nb，其在高温下通过细化晶粒来提高钢的强度，固溶的Nb对奥氏体晶粒的长大起到溶质拖拽的作用，阻止奥氏体晶粒长大，与此同时，未溶解的Nb与C、N元素形成Nb(C、N)化物可以显著的钉扎在奥氏体晶界，细化奥氏体晶粒，并对最终产品组织起到细化的作用。V作为强碳化物形成元素，随着0.06％～0.12％含量V合金元素的加入，在本阶段形成了大量的V(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1.2～1.4MPa，水流量控制在4500-5000m3/h，冷却时间控制在20s～50s，返温温度控制在500℃～600℃。如果冷却时间过短，回火层厚度达不到翼缘厚度的1/4位置；冷却时间过长，其表层回火层组织将会变成回火托氏体或回火马氏体，该组织对产品的韧性不利。
本发明化学成分采用C-Si-Mn-V-Nb-Cr-Ni成分设计思路，考虑生产成本，为了得到充足的V(C、N)析出凸显低温下析出强化作用和良好的低温冲击值，V元素的添加采用V-N:V-Fe＝7:3合金配入，并严格控制P、S等杂质元素的含量。各成分含量控制如下：
C：0.13％～0.16％，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0.13％，C含量过高将严重恶化钢的塑性、韧性及焊接性，上限设定为0.16％。
Si：0.35％～0.55％，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，研究表明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0.55％。
Mn：1.35％～1.55％，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1.55％。
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，应严格控制，考虑炼钢控制难度，实际生产中控制P：≤0.020％，S：≤0.015％。
V：0.06％～0.12％，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0.06％，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0.12％，且V元素的添加按70％的V-N和30％V-Fe配比。
Nb：0.02％～0.04％，可以有效防止铸坯表面出现裂纹，保证最终产品表面质量，从而能够进一步提高钢的强度和塑性。
Cr：0.30～0.55％，Cr的添加可以显著提高钢的淬透性，增大奥氏体过冷能力，推迟贝氏体相变，从而有利于获得铁素体转变区和贝氏体转变区之间的亚稳奥氏体区，形成以贝氏体为主的显微组织。本发明中将其控制在0.30～0.55％的范围内，在添加了其他合金元素的情况下，能够有效保障产品的强度及淬透性，因为当其含量过高时，在采用本发明的成分设计下，将不利于钢的塑性、韧性及焊接性。
Ni：0.15～0.40％。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0.15％，但其价格昂贵，故其上限应控制在0.40％。
N：0.01～0.013％。N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0.01％。但是，若N含量大于0.013％，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0.013％。
本发明提供了一种在坯料与H型钢翼缘厚度方向压缩比为2.0～3.0的情况下生产屈服强度550MPa级热轧H型钢的生产方法，在轧制工艺中，采用开坯轧制和万能轧制两阶段即包括粗轧阶段和精轧阶段，通过每道次合理的压下量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；轧后采用QST控冷工艺，返温温度控制在500℃～600℃，使得回火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+铁素体组织。
本发明通过控制道次间压下量即开坯段大压下破碎铸坯柱状组织和动态再结晶行为，以及精轧段翼缘采用选择性冷却方式SFC和底部腹板控制冷却，提高了轧件翼缘全断面的性能均匀性，粗轧完毕后，无需待温，开启翼缘选择性冷却SFC和腹板底部控制冷却直接进入精轧阶段避免待温影响轧制节奏。利用细晶强化、析出强化、相变强化和固溶强化机制，及轧后QST工艺，得到综合力学性能优异的翼缘厚度40mm～80mm、屈服强度550MPa级热轧H型钢，其屈服强度550MPa以上，抗拉强度670MPa以上，延伸率为18％以上，0℃纵向V型冲击功KV2均值100J以上；满足高层建筑对H型钢翼缘厚度大且强度高、韧性好、焊接性能优良的要求。
附图说明
图1为实施例1得到H型钢翼缘表面下1/4处的显微组织，该组织为回火索氏体+铁素体组织，晶粒度等级为9.5级；
图2为实施例1得到H型钢翼缘芯部的显微组织，该组织为铁素体+珠光体组织，晶粒度等级为9.5级；
图3为实施例2得到H型钢翼缘表面下1/4处的显微组织，该组织为回火索氏体组织+铁素体，晶粒度等级为9.5级；
图4为实施例2得到H型钢翼缘芯部的显微组织，该组织为铁素体+珠光体组织，晶粒度等级为9.5级；
图5为实施例3得到H型钢翼缘表面下1/4处的显微组织，该组织为回火索氏体组织+铁素体，晶粒度等级为9.0级；
图6为实施例3得到H型钢翼缘芯部的显微组织，该组织为铁素体+珠光体组织，晶粒度等级为9.0级。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1～实施例3
一种屈服强度550MPa级热轧H型钢，包括以下质量百分比的元素：具体见下表1；其余为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明实施例1～实施例3所述的屈服强度550MPa级热轧H型钢的生产方法工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→吹氩精炼→LF精炼→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却，其中轧制工艺中，包括粗轧阶段和精轧阶段，精轧阶段翼缘采用选择性冷却SFC、腹板底部采用控制冷却。
具体按照以下步骤生产：
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，控制夹杂物析出，进一步控制各合金元素含量，然后连铸成坯；
4)铸坯进入加热炉，经加热炉加热至1200～1280℃，保温时间150～180min，
5)粗轧阶段开轧温度控制在1100℃～1180℃，终轧温度控制在1000℃以上。在1100℃～1150℃温度区间，道次压下率控制在20％～25％；在1050℃～1100℃温度区间，道次压下率控制在25％～30％；在1050℃～1000℃温度区间，道次压下率控制在30％～35％，坯料总的压下率控制在50％～60％。
6)粗轧完毕后，无需待温，开启翼缘选择性冷却SFC和腹板底部控制冷却直接进入精轧阶段，坯料余下的变形在本阶段完成，终轧温度控制在＜850℃。翼缘选择性冷却SFC冷却时，水嘴开口度60％～85％，水压0.8～1.2MPa，以控制翼缘冷却速率在1.0～4.0℃/s；腹板底部控制冷却时，水嘴开口度70～90％，水压0.3～1.0，以控制腹板冷却速率在0.5～3.0℃/s。在900℃～950℃温度区间，道次压下率控制在15％～20％；在850℃～900℃温度区间，道次压下率控制在15％～20％；在850℃以下温度区间，道次压下率控制在10％～15％。
7)H型钢轧后进入QST冷却装置，水压控制在1.2MPa～1.5MPa，水流量控制在4500-5000m3/h，冷却时间控制在20s～50s，返温温度控制在500℃～600℃。
实施例1～实施例3热轧H型钢的生产过程中工艺参数控制如下表2。
对比例1～对比例3
一种热轧H型钢，包括以下质量百分比的元素：具体见下表1；其余为Fe及不可避免的杂质元素。
对比例1、2中的热轧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→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制，其中轧制工艺中，包括粗轧阶段和精轧阶段，精轧阶段中不进行冷却，精轧之后直接空冷。
对比例3中的热轧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→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却，其中轧制工艺中，包括粗轧阶段和精轧阶段，精轧阶段翼缘采用选择性冷却SFC、腹板底部采用控制冷却。
表1本发明实施例1～3及对比例1～3化学成分的取值列表(wt％)，余量为Fe和不可避免的杂质
编号 C Si Mn P S V Nb Cr Ni N
实施例1 0.15 0.36 1.30 0.016 0.010 0.061 0.020 0.38 0.15 0.010
实施例2 0.14 0.41 1.38 0.016 0.011 0.085 0.032 0.45 0.22 0.012
实施例3 0.15 0.51 1.49 0.017 0.012 0.113 0.039 0.55 0.30 0.013
对比例1 0.15 0.35 1.31 0.017 0.011 0.062 0.021 0.39 0.16 0.009
对比例2 0.14 0.42 1.40 0.015 0.012 0.088 0.033 0.44 0.25 0.012
对比例3 0.15 0.52 1.30 0.017 0.009 0.040 0.015 - 0.10 0.005
对比例1～对比例3所述的热轧H型钢的生产工艺步骤同本申请实施例，不同在于各步骤参数控制，具体工艺参数如下表2。
表2本发明实施例1～3及对比例1～3的主要工艺参数列表
Figure BDA0003473807860000091
Figure BDA0003473807860000101
实施例1～实施例3及对比例1～对比例3所生产的H型钢性能检测情况如表3。
表3本发明实施例1～3及对比例1～3的性能检测情况的列表
Figure BDA0003473807860000102
需要说明的是对比例1～2为采用的本发明钢的成分，并在所限定的范围内取值，工艺采用现有技术；对比例3为采用现有技术的成分，工艺采用本发明的工艺。
上述参照实施例对一种屈服强度550MPa级热轧H型钢及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种屈服强度550MPa级热轧H型钢，其特征在于，包括以下质量百分比的化学元素：C：0.13%～0.16%，Si：0.35%～0.55%，Mn：1.35%～1.55%，P：≤0.02%，S：≤0.015%，V：0.06%～0.12%，Nb：0.02%~0.04%，Cr：0.30%～0.55%，Ni：0.15%～0.40%，N：0.01%～0.013%，其余为Fe及不可避免的杂质；
所述屈服强度550MPa级热轧H型钢的表层金相组织为回火索氏体＋铁素体；0℃纵向V型冲击功KV2≥100J；
所述屈服强度550MPa级热轧H型钢的翼缘厚度40~80mm；
所述屈服强度550MPa级热轧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→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却；
所述轧制步骤中，粗轧阶段，在1100℃～1150℃温度区间，道次压下率控制在20%～25%；在1050℃～1100℃温度区间，道次压下率控制在25%～30%；在1000℃～1050℃温度区间，道次压下率控制在30%～35%，坯料总的压下率控制在50%～60%；粗轧终轧温度控制在1000℃以上；
所述轧制工艺中，粗轧完毕后，无需待温，开启翼缘选择性冷却SFC和腹板底部控制冷却直接进入精轧阶段；
翼缘选择性冷却SFC冷却时，水嘴开口度60%~85%，水压0.8~1.2MPa，以控制翼缘冷却速率在1.0~4.0℃/s；
腹板底部控制冷却时，水嘴开口度70~90%，水压0.3~1.0 MPa，以控制腹板冷却速率在0.5~3.0℃/s；
所述轧制步骤中，精轧终轧温度控制在850℃以下；
所述轧制步骤中，精轧阶段，在900℃～950℃温度区间，道次压下率控制在15%～20%；在850℃～900℃温度区间，道次压下率控制在15%～20%；在850℃以下温度区间，道次压下率控制在10%～15%；
所述轧后QST冷却步骤中，水压控制在1.2～1.4MPa，水流量控制在4500-5000m3/h，冷却时间控制在20s～50s，返温温度控制在500℃～600℃。
2.根据权利要求1所述的屈服强度550MPa级热轧H型钢，其特征在于，所述屈服强度550MPa级热轧H型钢的其芯部金相组织为铁素体+珠光体的复相组织，铁素体晶粒度等级9.0级以上，回火层厚度大于等于翼缘厚度的1/4。
3.根据权利要求1或2所述的屈服强度550MPa级热轧H型钢，其特征在于，所述屈服强度550MPa级热轧H型钢的屈服强度≥550MPa，抗拉强度≥670MPa，延伸率A≥18%。
4.如权利要求1-3任意一项所述的屈服强度550MPa级热轧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→异型坯全保护浇铸→坯料加热→轧制→轧后QST冷却。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述坯料加热步骤中，经加热炉加热至1200℃～1280℃，保温时间150～180min。
6.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，所述轧制步骤中，粗轧开轧温度控制在1100℃～1180℃；精轧终轧温度控制在850℃以下。
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