CN114438404A - 一种60～100mm厚耐火耐候高层建筑用钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板及其生产方法，其包括采用如下化学成分：C、Si、Mn、P、S、Als、Nb、V、Cr、Mo、Ni、Cu及Ti，其它为Fe和残留元素，其生产方法包括：KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸堆冷24～60小时、连铸加热‑轧制‑堆冷、精整、外检、探伤、入库。通过上述技术方案，本发明获得的钢板屈强比≤0.83，断后伸长率分别≥20％，600℃下3h其屈服强度高于室温屈服强度的2/3，抗层状撕裂性能Z≥35％，耐候系数I≥6.0，能够保Ⅰ级探伤、保耐火耐候性能，为高层建筑技术的进一步发展提供基本材料。
Description
技术领域
本发明属于宽厚板生产领域，具体涉及到一种60～100mm厚耐火耐候高层建筑用钢板及其生产方法。
背景技术
随着高层建筑和重点工程的发展建设，建筑结构用钢高强度、长寿命和安全性等方面的需求越来越迫切，发展420MPa级典型强度级别，兼备抗震、耐蚀及耐火特征的高性能建筑钢，保障钢材性能与质量“稳定与一致”的关键技术，生产具有高强韧性，集抗震、耐蚀、耐火性能为一体的新一代建筑结构钢。屈强比≤0.83，断后伸长率分别≥20％，600℃下3h其屈服强度高于室温屈服强度的2/3，抗层状撕裂性能Z≥35％，耐候系数I≥6.0，要求保Ⅰ级探伤、保耐火耐候性能的抗层状撕裂性能的高层建筑钢，为高层建筑技术的进一步发展提供基本材料。
发明内容
针对上述问题，发明人经过反复理论计算、并不断试验摸索，目的是获得一种60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板，并最终完成了本发明。
因此，本发明的另一目的目的在于提供一种60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板的生产方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板，该钢板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.08～0.16、Si：0.08～0.35、Mn：1.30～1.60、P≤0.015、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.060、V：0.015～0.060，Cr：0.2～0.8、Mo：0.2～0.5、Ni:0.30-1.00、Cu:0.20-0.35,Ti：0.010-0.030，其它为Fe和残留元素；碳当量Ceq≤0.60％，耐侯系数I≥6.0。
上述60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板的生产方法，包括KR铁水预处理、冶炼浇铸、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸堆冷24～60小时、铸坯加热-轧制-堆冷、精整、外检、探伤、入库，其中：
KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤30mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005％，保证脱硫周期≤25min、脱硫温降≤25℃。
冶炼浇铸：入炉铁水S≤0.005％、P≤0.080％，铁水温度≥1280℃，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，保证渣层厚度≤30mm，转炉出钢过程中要求全程吹氩；VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥10min，覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1566±15℃；
浇注过程中可使铸坯内部形成上大下小的补缩通道，避免了缩孔的产生，同时由于凝固时间的大大缩短显著地减轻了连铸内部的疏松和偏析，明显提高钢板内部探伤质量；在冶炼中，对钢水的纯净度严格控制，钢水中非金属夹杂物的总级别控制在2.0以内，并严格钢水中五大有害元素的含量，提高耐腐蚀性能的夹杂物选择控制技术；
铸坯加热：铸坯总加热时间10min/cm，加热段目标保温温度1240～1260℃、保温段目标保温温度1220～1240℃；
加热过程中，通过控制升温速度、保温温度、保温时间及空煤比，保证连铸坯烧透、温度均匀利于轧制，同时保证合金成分在奥氏体中的部分固溶和奥氏体晶粒的均匀化，避免原始铸态晶粒长大；采用缓慢升温，保证连铸均匀透烧，表面氧化铁皮易去除；
铸坯轧制：轧制过程中，采用“高温、低速、大压下”工艺及“硬壳”轧制法，充分发挥3800mm轧机大轧制力优势；轧制过程中单道次压下量按照40～50mm控制，变形系数达到0.5～0.6；
此种轧制方式使形变在厚度方向充分渗透至中心，有效焊合和啮合连铸或铸坯内部疏松等缺陷，充分破碎原始铸态组织，使钢板晶粒均匀细化，同时进一步愈合连铸内部疏松缺陷；
铸坯堆冷：钢板轧后进入ACC装置快速冷却，进一步细化晶粒，使来不及析出的微合金元素固溶在α中，强化铁素体基体，冷却速度控制在10～20℃/s，出水温度控制在600-620℃；为了保证钢板冷却效果，对钢板进行多次冷却的方式进行控冷。
为保证钢板焊接性能，要求碳当量Ceq≤0.60％，其公式为
Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14，并且保证I≥6.0来提高其耐大气腐蚀性能，其中耐候系数I＝26.01(Cu％)+3.88(Ni％)+1.20(Cr％)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2，该公式以Larrabee和Coburn公布的大量数据为基础，Lcgault和Leckie总结并发布的基于钢的化学成分来预测暴露与不同大气环境下15.5年后的低合金钢的腐蚀情况的公式，并在工业环境(Kearny，N，J)下修改以便能计算基于化学成分的耐大气腐蚀性指数I。且需保证其为低温冲击韧性较好的组织，并保证其抗震性即屈强比符合要求，利用Ni、Cr、Mo的固溶强化和微合金化元素Nb、V、Ti碳化物的沉淀析出强化，使原始奥氏体晶粒保持细化，以保证调质后组织充分细化，从而得到优异的强韧性。本发明采用低P设计，P虽能提高钢的耐大气腐蚀性能，但能使钢材偏析严重，增加回火脆性，且显著降低钢的塑性和韧性，不利于钢材后续的焊接。采用低Si设计，虽硅的氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密而强固地结合在一起，氧化皮紧密地被贴在金属上，甚至在高温下也不剥落，使钢具有很强的抗氧化性和耐热性能，但硅能显著提高韧脆转变温度且降低钢的焊接性能，故通过Cu、Cr、Ni、Mo元素的合理配比对低合金钢的耐大气腐蚀性能有重要贡献，特别是Mo元素能大幅提高耐沿海大气腐蚀性能。低碳设计有利于提高耐大气腐蚀性能。另外，Nb、V、Ti等微合金元素对韧性、强度以及可焊性都至关重要，其共同特征是在TMCP工艺中形成各类M(C、N)纳米析出相，各类纳米析出相提高铁素体高温组织稳定这一原理在低成本前提下实现高耐火性。
利用连续浇注工艺稳定性及轻压下、电磁搅拌技术，连铸内部补缩通道，使得连铸凝固补缩产生的缩孔移至部位，达到近似定向凝固的效果，来改善连铸内部偏析、疏松等缺陷，并使内部组织致密、成分相对均匀。
通过上述技术方案，本发明获得的钢板屈强比≤0.83，断后伸长率分别≥20％，600℃下3h其屈服强度高于室温屈服强度的2/3，抗层状撕裂性能Z≥35％，耐候系数I≥6.0，能够保Ⅰ级探伤、保耐火耐候性能，为高层建筑技术的进一步发展提供基本材料。
附图说明
下面结合附图实施例，对本发明的技术特征作进一步论述。
图1是本发明实施例获得的钢板在轧制过程中不同压下率下内部缺陷愈合的趋势图。
图2是本发明实施例获得的钢板在上部1/4厚度截面上的金相组织示意图。
图3是本发明实施例获得的钢板在下部1/4厚度截面上的金相组织示意图。
图4是本发明实施例获得的钢板在1/2厚度截面上的金相组织示意图。
具体实施方式
实施例
附图1-4是本发明的一种实施例，制造一种60～100mm厚耐火耐候高层建筑用钢板，成分设计：该钢板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.08～0.16、Si：0.08～0.35、Mn：1.30～1.60、P≤0.015、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.060、V：0.015～0.060，Cr：0.2～0.8、Mo：0.2～0.5、Ni:0.30-1.00、Cu:0.20-0.35,Ti：0.010-0.030，其它为Fe和残留元素；且Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.60％，I＝26.01(Cu％)+3.88(Ni％)+1.20(Cr％)+1.49(％Si)+17.28(％P)-7.29(％Cu)(％Ni)-9.10(％Ni)(％P)-33.39(％Cu)2≥6.0；
上述钢板采用转炉冶炼、连铸浇注，3800m宽厚板轧机轧制的方法生产，其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸堆冷24～60小时、连铸加热-轧制-堆冷、精整、外检、探伤、入库，具体为：
KR铁水预处理工艺：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤30mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005％，保证脱硫周期≤25min、脱硫温降≤25℃。
冶炼浇铸工艺：入炉铁水S≤0.005％、P≤0.080％，铁水温度≥1280℃，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，保证渣层厚度≤30mm，转炉出钢过程中要求全程吹氩。VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥10min，覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1566±15℃。浇注过程中可使铸坯内部形成上大下小的补缩通道，避免了缩孔的产生，同时由于凝固时间的大大缩短显著地减轻了连铸内部的疏松和偏析，明显提高钢板内部探伤质量。
加热过程中，通过控制升温速度、保温温度、保温时间及空煤比，保证连铸坯烧透、温度均匀利于轧制，同时保证合金成分在奥氏体中的部分固溶和奥氏体晶粒的均匀化，避免原始铸态晶粒长大。采用缓慢升温，保证连铸均匀透烧，表面氧化铁皮易去除。铸坯总加热时间10min/cm，加热段目标保温温度1240～1260℃、保温段目标保温温度1220～1240℃；
轧制过程中，采用“高温、低速、大压下”工艺及“硬壳”轧制法，充分发挥3800mm轧机大轧制力优势；轧制过程中单道次压下量按照40～50mm控制，变形系数达到0.5～0.6，使形变在厚度方向充分渗透至中心，有效焊合和啮合连铸或铸坯内部疏松等缺陷，充分破碎原始铸态组织，使钢板晶粒均匀细化，同时进一步愈合连铸内部疏松缺陷。钢板轧后进入ACC装置快速冷却，进一步细化晶粒，使来不及析出的微合金元素固溶在α中，强化铁素体基体。为了保证钢板冷却效果，对钢板进行多次冷却的方式进行控冷。
图1为钢板在不同压下率下，在扫描电镜下观察，其内部缺陷不同愈合情况，可以看出轧制过程中，内部缺陷经历了紧密贴合、间断性局部愈合、愈合区扩展及完全愈合等阶段。一般的轧机及轧制方法单道次压下＜30mm，无法保证内部微缺陷的焊合，本采用40～50mm单道次压下量、0.5～0.6变形系数的“高温、低速、大压下”工艺及“硬壳”轧制法解决了特厚板中心内部疏松的问题，为后续使用内部质量要求以及低温冲击韧性做准备。利用“差温轧制”减少待温时间、提高轧制效率、减少二次氧化铁皮生产、减少再结晶及未再结晶区混晶以提高组织均匀性、解决特厚板轧制过程中存在的轧制变形难以渗透到钢板心部、钢板微裂纹难以压合及钢板再结晶不充分心部和钢板表面晶粒差距大的问题,增加钢板轧制时的心部变形，提高钢坯中心缺陷(微裂纹、疏松、缩孔)的愈合效率。
根据奥氏体再结晶终止温度与细化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了再结晶区轧制温度在980℃以上；待温厚度为成品厚度的2.0～2.5倍，为精轧阶段累计变形量及细化晶粒、位错强化奠定基础，二阶段开轧温度≤860℃，二阶段保证单道次压下率≥15％，累计压下率≥60％，，确保变形渗透使奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到细化奥氏体晶粒的目的，终轧温度780～820℃。轧制结束后，采用ACC层流冷却，冷却速度控制在10～20℃/s，出水温度控制在600-620℃；
钢板下线后及时进行堆垛缓冷以实现热扩散处理，促进钢板中[H]的扩散，进一步释放残余应力，以及改善钢板中心线区域的组织结构，提高钢板的塑韧性。
表1 90mm耐火耐候特厚高层建筑钢板拉伸性能
从以上数据来看，钢板有良好的低温冲击韧性，并且板厚1/4、1/2，钢板冲击韧性良好，抗层状撕裂性能良好，耐火性能良好。耐火耐候特厚高层建筑钢板厚度截面上的金相组织如图2-4所示。
由上述试验结果可见，耐火耐候特厚高层建筑钢板组织致密，偏析轻微，成分及杂质含量均满足Z35级别抗撕裂钢的技术要求，各项性能及指标均满足耐火耐候特厚高层建筑钢板用钢要求。
外检及探伤：所研制的钢板外检，正品率100％，最终钢板探伤达到JB/T 5000.15-1998《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》的I级探伤要求。
以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板，其特征在于：该钢板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.08～0.16、Si：0.08～0.35、Mn：1.30～1.60、P≤0.015、S≤0.003、Als：0.015～0.050、Nb：0.015～0.060、V：0.015～0.060，Cr：0.2～0.8、Mo：0.2～0.5、Ni:0.30-1.00、Cu:0.20-0.35,Ti：0.010-0.030，其它为Fe和残留元素；碳当量Ceq≤0.60％，耐侯系数I≥6.0。
2.根据权利要求1所述的60～100mm厚耐火耐候特厚高层建筑钢板的生产方法，其特征在于包括以下步骤：
KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤30mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005％，保证脱硫周期≤25min、脱硫温降≤25℃。
冶炼浇铸：入炉铁水S≤0.005％、P≤0.080％，铁水温度≥1280℃，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，保证渣层厚度≤30mm，转炉出钢过程中要求全程吹氩；VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥10min，覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1566±15℃；
铸坯加热：铸坯总加热时间10min/cm，加热段目标保温温度1240～1260℃、保温段目标保温温度1220～1240℃；
铸坯轧制：轧制过程中，采用“高温、低速、大压下”工艺及“硬壳”轧制法，充分发挥3800mm轧机大轧制力优势；轧制过程中单道次压下量按照40～50mm控制，变形系数达到0.5～0.6；
铸坯堆冷：钢板轧后进入ACC装置快速冷却，进一步细化晶粒，使来不及析出的微合金元素固溶在α中，强化铁素体基体，冷却速度控制在10～20℃/s，出水温度控制在600-620℃；为了保证钢板冷却效果，对钢板进行多次冷却的方式进行控冷。
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