CN117248167A - 耐腐蚀工字钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耐腐蚀工字钢及其生产方法，工字钢采用低C、低Cr、低Ni和少量Si、Cu、P等经济型合金元素的成分设计，通过洁净钢冶炼和复相组织调控技术，发挥合金元素的耦合强化作用和耐蚀作用，获得高性能工字钢。通过V、Nb、N的关联设计，结合控轧控冷工艺，实现钢材强度和塑性的同步提升。通过C、Cr、Ni、Cu、P的耦合作用，结合制备工艺，获得理想的复相组织，实现钢材耐蚀性能、焊接性和低温韧性的显著提升。
Description
技术领域
本发明涉及合金材料领域，具体地涉及一种耐腐蚀工字钢及其生产方法。
背景技术
工字钢具有承载力高、刚度大、构件截面尺寸小、施工快速方便等优点，已广泛应用于建筑行业。尤其是工字钢-混凝土的组合结构已成为建筑结构重要发展方向之一。当前采用微合金化技术保证工字钢的强度和塑/韧性，结合喷漆、镀锌等表面处理方式，提高工字钢的耐腐蚀性能，但上述生产流程长，生产工艺复杂，表面涂层易老化，服役寿命有限，且影响焊接性能，限制了工字钢的规模化应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐腐蚀工字钢及其生产方法。
本发明提供一种耐腐蚀工字钢生产方法，所述工字钢的化学成分以质量百分比计包括：C:0.01%~0.045%，Si:0.2%~0.45%，Mn:0.5%~1.0%，P:0.05%~0.10%，S≤0.02%，Cr:0.2%~0.5%，Ni:0.11%~0.21%，Cu:0.3%~0.5%，V:0.01%~0.03%，Nb:0.01%~0.03%，N:0.015%~0.025%，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述工字钢的化学成分还满足：
1.0≤([V]+[Nb])/[N]≤3.0，
0.86%≤Cr+Cu+P+Ni≤1.31%，
其中，元素符号为相应元素的质量百分数；
所述生产方法包括步骤：
按照上述化学成分配比，依次通过铁水脱硫、冶炼、LF精炼进行冶炼得到钢液，其中，在所述LF精炼工序中开启底吹氩气，并在钢包等待阶段、升温脱氧阶段、增碳加合金阶段依次逐步调整增大氩气底吹流量；
将所述钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯；
将所述连铸坯加热，轧制得到工字钢，在轧制工序中，依次包括粗轧、中轧和精轧阶段，其中，在粗轧阶段交替采用水平轧机和立辊轧机，在中轧阶段采用万能轧机，在精轧阶段交替采用轧边机和万能轧机；
对所述工字钢进行冷却工序；
在温度为35℃、湿度为70%、5%的NaCl盐雾腐蚀环境下，相对于Q355B钢，所述工字钢的腐蚀速率相对值不大于30%。
作为本发明的进一步改进，所述工字钢的化学成分还满足焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.17%，碳当量Ceq≤0.36%，
焊接冷裂纹敏感指数Pcm的计算公式为：
Pcm=[C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B] ×100%；
碳当量Ceq的计算公式为：
Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%，
其中，括号内元素符号为相应元素的质量百分数，%元素符号表示相应元素的质量百分数乘以100。
作为本发明的进一步改进，在所述LF精炼工序中，在钢包等待阶段，氩气底吹流量控制为50~200L/min；在升温脱氧脱硫阶段，氩气底吹流量控制为150~350L/min；在增碳加合金阶段，氩气底吹流量控制为350~600L/min；在软搅拌阶段，氩气底吹流量控制为30~80L/min。
作为本发明的进一步改进，在所述连铸工序中，进行一次冷却和二次冷却处理，在一次冷却阶段和二次冷却阶段，结晶器的水流量控制为2000±50L/min，进出水温差控制为小于10℃。
作为本发明的进一步改进，在所述二次冷却阶段，采用三段式冷却，依次为Ⅰ区冷却、Ⅱ区冷却和Ⅲ区冷却，在Ⅰ区阶段雾化冷却水流量为80L/min，控制冷却水流量为120L/min；在Ⅱ区阶段雾化冷却水流量为120L/min，控制冷却水流量为200L/min；在Ⅲ区阶段雾化冷却水流量为50L/min，控制冷却水流量为90L/min。
作为本发明的进一步改进，在所述轧制工序中，采用15机架轧机组成的全连续轧线，在粗轧阶段依次采用二辊水平轧机、立辊轧机、二辊水平轧机、二辊水平轧机、立辊轧机和二辊水平轧机进行轧制；在中轧阶段采用四台万能轧机进行轧制；在精轧阶段，依次采用轧边机、万能轧机、轧边机、万能轧机和万能轧机进行轧制，并且将精轧入口温度控制为900~1000℃。
作为本发明的进一步改进，在所述铁水脱硫工序中，将脱硫终点的铁水温度控制为≥1300℃，S含量控制为≤0.025%。
作为本发明的进一步改进，在所述冶炼工序中，出钢温度控制为1605±20℃，出钢终点C含量控制为≤0.04%，以硅锰、硅铁、低碳铬铁、铜块、镍板、石灰的顺序进行加料。
作为本发明的进一步改进，在所述冶炼工序中，在开始出钢时，开启钢包底吹氩气，出钢前期压力控制为0.5~0.6MPa、亮圈直径控制为300~500mm，出钢3/4后调整底吹氩气流量为0.4~0.5MPa、亮圈直径控制为250~400mm，吊包时关闭底吹氩气。
作为本发明的进一步改进，在所述LF精炼工序中，采用碳含量为75%~85%、粒度为0.5~5mm的粉末状焦屑作为增碳剂，吨钢加入量控制位15~30kg。
作为本发明的进一步改进，在所述连铸工序中，中间包过热度控制为25~35℃，拉速控制为2.7~3.3m/min，连铸得到坯截面尺寸为150mm×150mm的连铸坯。
作为本发明的进一步改进，在所述连铸坯加热工序中，所述连铸坯加热时长控制为180~220min，均热段温度控制为1200~1250℃。
作为本发明的进一步改进，所述冷却工序包括轧后快冷和上冷床缓冷，在轧后快冷阶段，平均冷速控制为3~8℃/s，上冷床时的温度控制为700~850℃，上冷床后进行空冷。
本发明还提供一种耐腐蚀工字钢，其采用上述的耐腐蚀工字钢生产方法制造得到。
作为本发明的进一步改进，在温度为35℃、湿度为70%、5%的NaCl盐雾腐蚀环境下，相对于Q355B钢，所述工字钢的腐蚀速率相对值不大于30%。
作为本发明的进一步改进，所述工字钢屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥540MPa，断后伸长率≥20%，0℃冲击功KV2≥150J。
作为本发明的进一步改进，所述工字钢的组织包括硬相、软相和析出相，其中软相组织占比为30%~50%，析出相的等效圆直径为10~30nm，单位体积内析出相个数≥5×104个。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种耐腐蚀工字钢，工字钢采用低C、低Cr、低Ni和少量Si、Cu、P等经济型合金元素的成分设计，通过洁净钢冶炼和复相组织调控技术，充分发挥合金元素的耦合强化作用和耐蚀作用，解决了工字钢强度、塑/韧性、焊接性和耐腐蚀性协调匹配难题，获得高性能工字钢。通过V、Nb、N的关联设计，结合控轧控冷工艺，实现钢材强度和塑性的同步提升。通过C、Cr、Ni、Cu、P的耦合作用，结合先进的制备工艺，获得理想的复相组织，实现钢材耐蚀性能、焊接性和低温韧性的显著提升。在生产过程中，通过LF精炼工序底吹制度的控制和小方坯连铸工序二冷水配水的控制实现了高均匀性、高洁净度和高表面质量连铸坯的生产，通过轧机布置和先进控轧控冷工艺，实现了复相组织的调控，得到了综合性能优异的耐腐蚀工字钢。
附图说明
图1是本发明一实施方式中的耐腐蚀工字钢产方法步骤示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施方式及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施方式提供一种耐腐蚀工字钢及其生产方法，本发明所提供的耐腐蚀工字钢采用廉价经济型多元合金元素的耦合设计，在生产方法中，通过控制LF精炼工序中的氩气底吹参数和连铸工序中冷却配水参数等实现了高均匀性、高表面质量连铸坯的生产，之后通过轧机布置和控轧控冷工艺实现了钢材复相组织的调控，解决了工字钢强度、塑/韧性、耐蚀性、焊接性协调匹配难题，最终实现了综合性能优异的建筑结构用耐腐蚀工字钢的开发。
工字钢的化学成分以质量百分比计包括：C:0.01%~0.045%，Si:0.2%~0.45%，Mn:0.5%~1.0%，P:0.05%~0.10%，S≤0.02%，Cr:0.2%~0.5%，Ni:0.11%~0.21%，Cu:0.3%~0.5%，V:0.01%~0.03%，Nb:0.01%~0.03%，N:0.015%~0.025%，余量为Fe和不可避免的杂质。
具体地，工字钢的化学成分的设计原理说明如下：
C：其为奥氏体形成元素，采用较低的碳含量可提高钢组织结构与成分分布的均匀性，从而减少钢材内部各区域之间的电位差，以起到降低腐蚀速率的作用，并且较低的碳含量也可降低碳化物形成几率，从而提升钢材耐腐蚀性能。C含量过高，对钢材塑性、韧性及焊接性能不利。综合考虑，在本实施方式中将C含量定在0.01~0.045%。
Si：其为脱氧剂，通过添加Si可显著降低钢中的氧含量，从而减少氧化物夹杂的形成，并且Si也是强化元素，其固溶于铁素体中，可推迟铁素体和珠光体相变，从而有利于调控组织，优化力学性能，但Si含量过高，不利于焊接。综合考虑。在本实施方式中将Si含量定在0.2~0.45%。
Mn：其固溶强化元素，可提高钢材强度，但Mn含量过高时，容易形成MnS夹杂，降低钢材的塑性、韧性和耐蚀性。综合考虑，在本实施方式中将Mn含量定在0.5~1.0%。
Cu：其被广泛用于耐蚀钢中，其主要作用机制有多种：Cu可阻碍锈层的晶体化，促进α-FeOOH和非晶态Fe3O4的形成；并且，Cu可在锈层薄弱处富集，在腐蚀过程中形成氧化物，紧密连接锈层和钢基体，减少锈层中的裂纹、空隙等，提高耐点蚀性能；另外，Cu元素有活化阴极的作用，使得钢基体被钝化，腐蚀速率下降。但Cu含量较高时，容易引起“铜脆”。综合考虑，在本实施方式中将Cu含量定在0.3~0.5%。
P：其为耐腐蚀元素，与Cu结合，能够显著提升耐大气腐蚀性能；但P含量过高时，影响焊接性能，且容易在晶界偏析，降低钢材的低温韧性。综合考虑，在本实施方式中将P含量定在0.05~0.1%。
S：其与Cu作用生成致密硫化铜，在一定程度上提升钢材耐蚀性能，但S与Mn形成MnS夹杂，会降低钢材耐腐蚀性能，且S含量过低将显著增加冶炼难度与成本。综合考虑，在本实施方式中控制S含量不大于0.02%。
Cr：其为重要耐腐蚀元素，能够在钢材表面富集，促进致密的保护性锈层生成，从而显著提高钢材的耐腐蚀性能；但Cr含量过高时，会恶化冲击韧性和焊接性能。综合考虑，在本实施方式中将Cr含量定在0.2~0.5%。
Ni：其能够显著提升钢材的低温冲击韧性，Ni同时也是耐腐蚀元素，与Cu、Cr复合添加，能够显著提升耐腐蚀性能，但Ni属于贵金属元素，含量过高，成本将显著增加。综合考虑，在本实施方式中将Ni含量定在0.11~0.21%。
Nb和V：其为强化元素，通过析出强化、细晶强化等综合作用，协调钢材的强度与塑性。综合考虑，在本实施方式中将Nb、V含量均控制在0.01~0.03%。
N：与强化元素Nb、V结合，生成碳氮化物，提高强度，但含量过高时，对钢材塑性不利，而含量过低时，冶炼难度增大，且强化元素的作用未能充分发挥。综合考虑，在本实施方式中将N含量定在0.015~0.025%。
进一步的，工字钢的化学成分还满足：
1.0≤([V]+[Nb])/[N]≤3.0，
0.86%≤Cr+Cu+P+Ni≤1.31%，
其中，元素符号为相应元素的质量百分数。
通过控制V、Nb和N元素之间的比例，能够有效调整工字钢强度和塑性之间的协调匹配，根据上文，为解决工字钢耐蚀性不足、焊接性能差的难题，本实施方式采用碳含量为0.01%~0.045%的超低碳设计，低碳含量一方面提高了组织结构和化学成分的均匀性，降低了碳化物的形成几率，提升了钢材的耐腐蚀性能，但低碳含量也造成了工字钢强度偏低的问题。为提高强度，添加了强化元素V和Nb，通过后续轧制工艺的开发，实现钒碳氮化物和铌碳氮化物强化作用的充分发挥，从而保证工字钢的高强度与高塑性。综合考虑，当1.0≤([V]+[Nb])/[N]≤3.0时，强化效果最佳。
Cr+Cu+P+Ni：四种元素的关联添加，对于工字钢耐腐蚀性、强度、塑性、低温韧性的协调匹配非常重要。Cu可以促进阳极钝化，并在锈层中富集，显著提升钢材的耐腐蚀性能，与P协同作用，效果更佳。但铜含量高时，容易造成“铜脆”，P含量高时，钢材冷脆倾向大，均对钢材的塑性和韧性造成不利影响。Cr、Ni均为重要耐蚀元素，同时也是淬透性元素。若Cr含量过低，则钢材无法形成稳定钝化膜，影响耐腐蚀性；若Cr含量过高，容易生产硬相组织，影响钢材塑性、韧性和焊接性。Cr与Ni元素协同作用，可显著提升耐腐蚀性能，Ni元素还能显著提升钢材的低温韧性，但Ni元素合金成本高。本发明在超低碳设计的基础上，充分发挥强化元素V、Nb、N的作用，通过Cr、Cu、P、Ni的关联设计，解决工字钢强度、塑性、韧性和耐蚀性协调匹配难题。综合考虑，当0.86%≤Cr+Cu+P+Ni≤1.31%时，效果最佳。
进一步的，工字钢的化学成分还满足焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.17%，碳当量Ceq≤0.36%，
焊接冷裂纹敏感指数Pcm的计算公式为：
Pcm=[C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B] ×100%；
其中，括号内元素符号为相应元素的质量百分数，%元素符号表示相应元素的质量百分数乘以100。
焊接冷裂纹敏感指数Pcm（Phosphorus Carbon Equivalent）是用于评估焊接接头的焊接冷裂纹敏感性的参数，焊接冷裂纹通常在焊接后的冷却过程中出现，对焊接接头的质量和可靠性构成威胁，Pcm的数值越高，表示焊接接头越容易产生冷裂纹。在本实施方式中，元素化学成分的Pcm值小于0.17%，具有较低的冷裂纹产生风险，能够保证焊接接头的质量。
碳当量Ceq的计算公式为：
Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%，
其中，括号内元素符号为相应元素的质量百分数，%元素符号表示相应元素的质量百分数乘以100。
碳当量Ceq（Carbon Equivalent）是用于评估钢材焊接性能的参数，其可以评估钢材的焊接特性和可能的裂纹敏感性。在本实施方式中，元素化学成分的Pcm值小于0.36%，在焊接过程中出现裂纹、变形和其他质量问题的风险较低。
如图1所示，工字钢生产方法包括步骤：
S1：按照上述化学成分配比，依次通过铁水脱硫、冶炼、LF精炼进行冶炼得到钢液，其中，在LF精炼工序中开启底吹氩气，并在钢包等待阶段、升温脱氧阶段、增碳加合金阶段依次逐步调整增大氩气底吹流量。
S2：将钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯。
S3：将连铸坯加热，轧制得到工字钢，在轧制工序中，依次包括粗轧、中轧和精轧阶段，其中，在粗轧阶段交替采用水平轧机和立辊轧机，在中轧阶段采用万能轧机，在精轧阶段交替采用轧边机和万能轧机。
S4：对工字钢进行冷却。
在步骤S1中，首先进行铁水脱硫，去除铁水中硫元素，在铁水脱硫工序中，将脱硫终点的铁水温度控制为≥1300℃，铁水中的硫主要以硫化铁的形式存在，硫化铁在高温下更容易反应，将硫氧化成二氧化硫。因此，将铁水温度升至1300℃以上有助于促进脱硫反应的进行，确保硫得以有效地去除。S含量控制为≤0.025%，确保最终的钢材质量。
在冶炼工序中，可以采用电炉冶炼或转炉冶炼，出钢温度控制为1605±20℃，出钢终点C含量控制为≤0.04%，以硅锰、硅铁、低碳铬铁、铜块、镍板、石灰的顺序进行加料，以实现所需的合金化和除杂作用。
在开始出钢时，开启钢包底吹氩气，出钢前期压力控制为0.5~0.6MPa、亮圈直径控制为300~500mm，出钢3/4后调整底吹氩气流量为0.4~0.5MPa、亮圈直径控制为250~400mm，吊包时关闭底吹氩气。
在冶炼工序中，吹入氩气可以形成气帷，阻止空气中的氧进入钢液，从而减少钢液的氧化。“亮圈”是钢铁冶炼过程中的一个术语，指的是在钢包或其他冶炼设备中，由底部吹入气体所形成的可见的气体环，控制亮圈直径可以调整底吹氩气的分布和强度。在出钢前期将压力控制为0.5~0.6MPa，有助于确保气帷稳定，充分保护钢液并控制温度。在出钢3/4后，随着钢液的减少，需要调整底吹氩气的流量和亮圈的直径，降低流量，以保持对钢液的控制。
在LF精炼工序中，在钢包等待阶段，氩气底吹流量控制为50~200L/min；在升温脱氧脱硫阶段，氩气底吹流量控制为150~350L/min；在增碳加合金阶段，氩气底吹流量控制为350~600L/min；在软搅拌阶段，氩气底吹流量控制为30~80L/min。
在钢包等待阶段，将氩气底吹流量控制为50~200L/min，较低的流量有助于保持钢液温度稳定和维持钢液的质量，并且可以帮助减少钢液中的氧含量，从而减少氧化。
在升温脱氧脱硫阶段，需要升高钢液的温度以进行下一步的冶炼反应，同时还需要进行脱氧和脱硫。将氩气底吹流量控制为150~350L/min，较高的氩气底吹流量有助于提高温度，并且气体流量的增加也可以帮助将底部的气体混合均匀，以有效地脱氧和脱硫。
在增碳加合金阶段，添加合金和碳来调整钢液的化学成分，此时将氩气底吹流量控制为350~600L/min，较高的氩气底吹流量有助于均匀地混合添加的合金和碳，确保其充分溶解在钢液中。
在软搅拌阶段，对钢液进行搅拌，以进一步改善其均匀性和温度分布，此时将氩气底吹流量控制为30~80L，较低的氩气底吹流量有助于在搅拌时减小气泡的尺寸，从而更好地混合钢液中的成分。
综上，通过对LF精炼工序中底吹氩气流量进行控制，能够有效提高钢材的均匀性和纯净度。
进一步的，在LF精炼工序中，采用碳含量为75%~85%、粒度为0.5~5mm的粉末状焦屑作为增碳剂，吨钢加入量控制位15~30kg。
在步骤S2中，将中间包过热度控制为25~35℃，拉速控制为2.7~3.3m/min，连铸得到坯截面尺寸为150mm×150mm的连铸坯。中间包用于调节和分配熔融钢液，中间包过热度是指中间包内钢液的温度相对于其固化温度的超过程度。控制中间包过热度为25~35℃，有助于确保坯料质量，减少坯料内部缺陷的形成。
进一步的，在连铸工序中，进行一次冷却和二次冷却处理，在一次冷却阶段和二次冷却阶段，结晶器的水流量控制为2000±50L/min，进出水温差控制为小于10℃。
一次冷却阶段指连铸过程中的第一个冷却阶段，其发生在钢液从中间包流入结晶器的过程中，一次冷却的主要目的是快速降低钢液的温度，使其开始凝固。一次冷却之后，坯料仍然需要进一步的冷却和结晶处理，即二次冷却处理。
在一次冷却和二次冷却过程中，结晶器的水流量控制为2000±50L/min，进出水温差控制为小于10℃，可以促进坯料的均匀冷却，以避免内部缺陷的形成，并确保坯料结晶的均匀性。
在二次冷却阶段，采用三段式冷却，在不同区域依次为Ⅰ区冷却、Ⅱ区冷却和Ⅲ区冷却。
Ⅰ区冷却在二次冷却的初始部分，雾化冷却水流量为80L/min，控制冷却水流量为120L/min，这个阶段的目的是进一步冷却坯料的表面，以促使坯料外部更快地凝固和结晶，提高坯料的稳定性，避免出现内部缺陷，确保坯料的质量。
Ⅱ区冷却在二次冷却位于Ⅰ区之后的中间部分，雾化冷却水流量为120L/min，控制冷却水流量为200L/min，Ⅱ区冷却通过较高的水流量促进坯料内部结构的进一步完善和均匀化，使坯料的结晶组织进一步细化，提高金属的力学性能和表面质量。
Ⅲ区冷却在二次冷却尾部，雾化冷却水流量为50L/min，控制冷却水流量为90L/min，Ⅲ区冷却采用较低的冷却水流量，以保持坯料的温度在适宜范围内，避免冷却过度，防止出现过度凝固导致的不良情况，确保坯料的内部结构和表面质量。
综上，通过控制二冷阶段的水流量控制可以帮助调整连铸坯料的温度分布，调整坯料的凝固速度和晶粒结构，控制坯料的均匀性和表面质量。
在步骤S3中，先对连铸坯进行加热，连铸坯加热时长控制为180~220min，均热段温度控制为1200~1250℃。轧制前进行加热处理，确保连铸坯达到适当的温度，以促使内部的组织和温度达到均匀分布，改善钢材的内部晶粒结构，减少缺陷，提高力学性能和加工性能，降低坯料在通常是轧制中发生裂纹或变形的风险。
在轧制工序中，采用15机架轧机组成的全连续轧线，在粗轧阶段依次采用二辊水平轧机、立辊轧机、二辊水平轧机、二辊水平轧机、立辊轧机和二辊水平轧机进行轧制；在中轧阶段采用四台万能轧机进行轧制；在精轧阶段，依次采用轧边机、万能轧机、轧边机、万能轧机和万能轧机进行轧制，并且将精轧入口温度控制为900~1000℃。
在步骤S4中，冷却工序包括轧后快冷和上冷床缓冷，在轧后快冷阶段，平均冷速控制为3~8℃/s，上冷床时的温度控制为700~850℃，上冷床后进行空冷。
本实施方式还提供一种耐腐蚀工字钢，其采用上述的耐腐蚀工字钢生产方法制造得到。
工字钢的组织包括硬相、软相和析出相，其中软相组织占比为30%~50%，析出相的等效圆直径为10~30nm，单位体积内析出相个数≥5×104个。软相指具有较高的韧性和延展性的微观组织或组分，如面心立方结构或其他具有可塑性和变形能力的相，软相的存在有助于提高材料的冲击韧性和抗变形能力，使其更适合承受动态荷载。硬相指具有较高硬度的组分或结构，如体心立方结构或其他具有高硬度的相，硬相的存在有助于提高钢材的抗磨损性、抗切削性和抗压缩性，使其适合用于要求高强度和硬度的应用。通过上述工艺的调控，特别是对轧制工艺和冷却工艺的调控，使得软相组织在钢种的占比达到30%~50%，并通过大量析出相进一步增强了工字钢的强度和硬度，解决了工字钢强度、塑/韧性、焊接性和耐腐蚀性协调匹配难题，获得高性能工字钢。
工字钢的型号为10-25b（参照标准GB/T 706-2016热轧型钢），成品工字钢按标准GB/T2975取样，并按标准GB/T228、GB/T229开展拉伸和冲击试验，工字钢屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥540MPa，断后伸长率≥20%，0℃冲击功KV2≥150J。
工字钢在温度为35℃、湿度为70%、5%的NaCl盐雾腐蚀环境下，相对于Q355B钢，工字钢的腐蚀速率相对值不大于30%。
综上，本实施方式提供了一种耐腐蚀工字钢。采用低C、低Cr、低Ni和少量Si、Cu、P等经济型合金元素的成分设计，通过洁净钢冶炼和复相组织调控技术，充分发挥合金元素的耦合强化作用和耐蚀作用，解决了工字钢强度、塑/韧性、焊接性和耐腐蚀性协调匹配难题，获得高性能工字钢。通过V、Nb、N的关联设计，结合控轧控冷工艺，实现钢材强度和塑性的同步提升。通过C、Cr、Ni、Cu、P的耦合作用，结合先进的制备工艺，获得理想的复相组织，实现钢材耐蚀性能、焊接性和低温韧性的显著提升。在生产过程中，通过LF精炼工序底吹制度的控制和小方坯连铸工序二冷水配水的控制实现了高均匀性、高表面质量连铸坯的生产，通过轧机布置和先进控轧控冷工艺，实现了复相组织的调控，得到了综合性能优异的耐腐蚀工字钢。
以下通过5个实施例和4个对比例，进一步对本发明的具体实施方式予以介绍。
实施例1~5和对比例1~4的成分百分比，如表1和表2所示，表1和表2中没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。
表1
表2
通过上述生产方法进行生产，实施例1~5和对比例1~4的生产工艺参数如表3和表4所示。
表3
表4
实施例1~5和对比例1~4的组织及性能如表5所示
表5
由表可知，实施例1 ~ 5焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.17%，碳当量Ceq≤0.36%，屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥540MPa，断后伸长率≥20%，0℃冲击功KV2＞150J，在温度为35℃、湿度为70%、5%的NaCl盐雾腐蚀环境下，相对于Q355B钢，实施例1 ~ 5的腐蚀速率相对值不大于30%，综合性能显著优于对比例1 ~ 4。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (16)
1.一种耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，所述工字钢的化学成分以质量百分比计包括：C:0.01%~0.045%，Si:0.2%~0.45%，Mn:0.5%~1.0%，P:0.05%~0.10%，S≤0.02%，Cr:0.2%~0.5%，Ni:0.11%~0.21%，Cu:0.3%~0.5%，V:0.01%~0.03%，Nb:0.01%~0.03%，N:0.015%~0.025%，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述工字钢的化学成分还满足：
1.0≤([V]+[Nb])/[N]≤3.0，
0.86%≤Cr+Cu+P+Ni≤1.31%，
其中，元素符号为相应元素的质量百分数；
所述生产方法包括步骤：
按照上述化学成分配比，依次通过铁水脱硫、冶炼、LF精炼进行冶炼得到钢液，其中，在所述LF精炼工序中开启底吹氩气，并在钢包等待阶段、升温脱氧阶段、增碳加合金阶段依次逐步调整增大氩气底吹流量；
将所述钢液通过连铸工序铸造形成连铸坯；
将所述连铸坯加热，轧制得到工字钢，在轧制工序中，依次包括粗轧、中轧和精轧阶段，其中，在粗轧阶段交替采用水平轧机和立辊轧机，在中轧阶段采用万能轧机，在精轧阶段交替采用轧边机和万能轧机；
对所述工字钢进行冷却；
在温度为35℃、湿度为70%、5%的NaCl盐雾腐蚀环境下，相对于Q355B钢，所述工字钢的腐蚀速率相对值不大于30%；
所述工字钢的组织包括硬相、软相和析出相，其中软相组织占比为30%~50%，析出相的等效圆直径为10~30nm，单位体积内析出相个数≥5×104个，所述工字钢屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥540MPa，断后伸长率≥20%，0℃冲击功KV2≥150J。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，所述工字钢的化学成分还满足焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.17%，碳当量Ceq≤0.36%，
焊接冷裂纹敏感指数Pcm的计算公式为：
Pcm=[C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B] ×100%；
碳当量Ceq的计算公式为：
Ceq=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%；
其中，括号内元素符号为相应元素的质量百分数，%元素符号表示相应元素的质量百分数乘以100。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述LF精炼工序中，在钢包等待阶段，氩气底吹流量控制为50~200L/min；在升温脱氧脱硫阶段，氩气底吹流量控制为150~350L/min；在增碳加合金阶段，氩气底吹流量控制为350~600L/min；在软搅拌阶段，氩气底吹流量控制为30~80L/min。
4.根据权利要求3所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述连铸工序中，进行一次冷却和二次冷却处理，在一次冷却阶段和二次冷却阶段，结晶器的水流量控制为2000±50L/min，进出水温差控制为小于10℃。
5.根据权利要求4所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述二次冷却阶段，采用三段式冷却，依次为Ⅰ区冷却、Ⅱ区冷却和Ⅲ区冷却，在Ⅰ区阶段雾化冷却水流量为80L/min，控制冷却水流量为120L/min；在Ⅱ区阶段雾化冷却水流量为120L/min，控制冷却水流量为200L/min；在Ⅲ区阶段雾化冷却水流量为50L/min，控制冷却水流量为90L/min。
6.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述轧制工序中，采用15机架轧机组成的全连续轧线，在粗轧阶段依次采用二辊水平轧机、立辊轧机、二辊水平轧机、二辊水平轧机、立辊轧机和二辊水平轧机进行轧制；在中轧阶段采用四台万能轧机进行轧制；在精轧阶段，依次采用轧边机、万能轧机、轧边机、万能轧机和万能轧机进行轧制，并且将精轧入口温度控制为900~1000℃。
7.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述铁水脱硫工序中，将脱硫终点的铁水温度控制为≥1300℃，S含量控制为≤0.025%。
8.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述冶炼工序中，出钢温度控制为1605±20℃，出钢终点C含量控制为≤0.04%，以硅锰、硅铁、低碳铬铁、铜块、镍板、石灰的顺序进行加料。
9.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述冶炼工序中，在开始出钢时，开启钢包底吹氩气，出钢前期压力控制为0.5~0.6MPa、亮圈直径控制为300~500mm，出钢3/4后调整底吹氩气流量为0.4~0.5MPa、亮圈直径控制为250~400mm，吊包时关闭底吹氩气。
10.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述LF精炼工序中，采用碳含量为75%~85%、粒度为0.5~5mm的粉末状焦屑作为增碳剂，吨钢加入量控制位15~30kg。
11.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述连铸工序中，中间包过热度控制为25~35℃，拉速控制为2.7~3.3m/min，连铸得到坯截面尺寸为150mm×150mm的连铸坯。
12.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，在所述连铸坯加热工序中，所述连铸坯加热时长控制为180~220min，均热段温度控制为1200~1250℃。
13.根据权利要求1所述的耐腐蚀工字钢生产方法，其特征在于，所述冷却工序包括轧后快冷和上冷床缓冷，在轧后快冷阶段，平均冷速控制为3~8℃/s，上冷床时的温度控制为700~850℃，上冷床后进行空冷。
14.一种耐腐蚀工字钢，其特征在于，采用权利要求1~13中任一项所述的耐腐蚀工字钢生产方法制造得到。
15.根据权利要求14所述的耐腐蚀工字钢，其特征在于，在温度为35℃、湿度为70%、5%的NaCl盐雾腐蚀环境下，相对于Q355B钢，所述工字钢的腐蚀速率相对值不大于30%。
16.根据权利要求14所述的耐腐蚀工字钢，其特征在于，所述工字钢的组织包括硬相、软相和析出相，其中软相组织占比为30%~50%，析出相的等效圆直径为10~30nm，单位体积内析出相个数≥5×104个，所述工字钢屈服强度≥400MPa，抗拉强度≥540MPa，断后伸长率≥20%，0℃冲击功KV2≥150J。
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