抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼及其生產方法
2023-12-01 00:32:26 1
專利名稱：抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼及其生產方法
技術領域：
本發明涉及建築用鋼及其生產方法，具體屬於抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用 鋼及其生產方法。
背景技術：
汶川大地震引發了行業對建築用鋼抗震性能的思考，從實際來看，如今國內高層 建築建設不斷增多，為確保建築的安全，中國應完善國內建築用鋼系列，提高高強度用鋼的 生產比重。除了確保鋼板的抗震性能外，建築用鋼板的厚度方向性能也是該類鋼材的主要 必檢項目，特別是隨著超高層、超大跨度建築結構的發展，在梁柱節點處使用的鋼板必須具 有優良的抗層狀撕裂性能，即鋼板全厚度方向斷面收縮率必須達到Z25、Z35的高要求。因 此，從上述角度來看，建築用鋼的發展方向主要體現在以下幾個方面(1)高強度，(2)抗層 狀撕裂，(3)改善焊接性，(4)抗震(低屈強比)，也就是說鋼板必須具有同時具有高強度和 優良的抗層狀撕裂性能、抗震性能以及焊接性能等特點。進入21世紀後，隨著國內經濟的快速增長，鋼結構行業得到迅猛發展，逐漸成為 了國內外鋼鐵行業看好的一個巨大市場。我國2015年在建築鋼材方面的目標之一就是可 以供應耐火鋼、抗震鋼，並爭取使我國建築用鋼早日達到國際水平。在本發明以前，在國內有關建築方面的結構用高強鋼多有報導，也申請了專利。 如中國專利號為200910061109. 5的專利文獻，其公開的鋼種化學成分及重量百分比為 C 0. 16、SiO. 10 0. 50、Mn 1. 50、P 彡 0. 015、S 彡 0. 010、Cu 0. 15 0. 60、Cr 0. 25、Ni 0. 10 0. 25,V 0. 01 0. 10,Ti 0. 005 0. 030 及Nb 0. 010 0. 040,Als 0. 010 0. 020、 Ca 0. 0010 0. 0060、RE 0. 0010 0. 020中的至少一種，其餘為Fe及不可避免的雜質。 其存在的不足加入了較多的貴重合金元素Cu、Cr，增加了生產成本。還有中國專利號為 200910063722. 0的專利文獻，其公開的鋼種化學成分及重量百分比為=C 0. 05 0. 35%， Si :0. 01 % 0. 85 %，Mn :0. 30 % 1. 50 %，P 彡 0. 015 %，S 彡 0. 008 %，Cr 0. 15 %
0.85%,Ni 0. 10% 0. 55%，Zr :0. 005 0.055%，其餘為Fe及不可避免的雜質。其存在 的不足貴重合金元素Cr、Ni含量較高，增加了生產成本。專利號為200710054569. 6的中國專利公開說明了一種大厚度高層建築結構用高 強度鋼及其生產方法，該鋼化學成分為c 0. 15 0. 18%、Si 0. 20 0. 40%,Mn :1. 50
1.62%,P ≤ 0. 015%,S ≤0. 005%,Ni 0. 25 0. 45%,V 0. 075 0. 085%,Nb 0. 040
0.050%,Al 0. 020 0. 045%,Cr ≤ 0. 30%,Ti ≤ 0. 20%，其餘為 Fe 及不可避免的雜質。 但該發明鋼添加了 Ni、Cr合金和較多的Nb、V合金，生產工藝採用了電爐冶煉和扁錠模進 行澆注，且鋼板必須進行正火熱處理工藝，增加了生產成本，產品厚度規格為100 110mm。 其化學成分、生產工藝及產品厚度規格與本發明鋼不同。專利號為200410084699. 0的中國發明專利公開說明了一種低屈強比易焊接結構 鋼厚板及其生產方法，其化學成分為c 0. 01 0. 10%, Si 1. 00 1. 50%, Mn 0. 80
1.10%, Ni 0. 30 3. 20%、Ti 0. 010 0. 150% ；鋼板終軋結束後須等待30 150s，待鋼板溫度降至700 750°C後冷卻，終軋結束至冷卻開始之間的等待時間過長，會嚴重影響 生產節奏，降低生產效率。另鋼中添加了較多的貴重金屬Ni，增加了生產成本。專利號為200810104298.5的中國專利公開說明了一種高層建築用鋼板及其 生產方法，其化學成分為C 0. 12 0. 17 Si 0. 30 0. 45 Mn 1. 35 1. 55
P ≤ 0. 022%,S ≤ 0. 010%,Alt 0. 020 0. 050%,V 0. 03 0. 10%，餘量為 Fe 及不可避 免的雜質。但該發明鋼生產工藝不進行真空處理，P、S含量較高，厚度30 60mm鋼板V含 量按0. 05 0. 10%控制，且鋼板的最大厚度僅為60mm。專利號為200910241507. 5的中國專利公開說明了一種低成本建築結構用鋼板 及其生產方法,其化學成分為C 0. 14 0. 17%, Si 0. 20 0. 50%, Mn 1. 30 1. 50%, P≤0. 012%,S≤ 0. 005%,Alt 0. 020 0. 060%，餘量為Fe及不可避免的雜質。該發明 鋼化學成分及生產工藝與本發明鋼不同，且僅能生產厚度為90mm以下的Q345級別產品，強 度級別較低。
發明內容
本發明的目的在於克服本技術領域目前存在的不足，提供一種鋼板具有優良的抗 層狀撕裂性能和抗震性能，良好的冷熱加工性能及優異的低溫韌性和焊接性能，同時生產 流程較短，生產成本低的抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼及其生產方法。實現上述目的的技術措施抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於鋼板厚度為20 40 毫米，其化學組分及重量百分比為為C :0. 10 0. 14 %、Si 0. 20 0. 50 %、Mn 1. 00 1. 60 %、P 彡 0. 015 %、S 彡 0. 005 Nb 0. 010 0. 025 Ti 0. 005 0. 020%, Als 0. 010 0. 060%，其餘為Fe及不可避免的雜質；並滿足碳當量(CE)= C+Mn/6+V/5+Ni/15 ^ 0. 42% 其特徵在於還添加有重量百分比為Ni≤0. 30%, RE 0. 001 0.02%，Ca 0. 001 0. 007%中的一種或一種以上。抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於鋼板厚度為> 40 70毫米，其化學組分及重量百分比為為C :0. 145 0. 17 %、Si 0. 20 0. 50 %、 Mn :1. 20 1. 60 %、P ≤ 0. 015 %、S ≤ 0. 005 Nb 0. 02 0. 04 Ti 0. 005 0. 020%, Als :0. 010 0.060%，其餘為Fe及不可避免的雜質；並滿足碳當量(CE)= C+Mn/6+V/5+Ni/15 ( 0. 44% 其特徵在於還添加有重量百分比為Ni≤0. 30%, RE 0. 001 0.02%，Ca
0.001 0. 007%中的一種或一種以上。抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於鋼板厚度為> 70 100毫 米，其化學組分及重量百分比為為c:0. 145 0. 17%, Si 0. 30 0. 50%、Mn: 1.40
1.60 P ≤ 0. 015 S ≤ 0. 005 Nb 0. 025 0. 05 %、Ti 0. 005 0. 020 Als 0.01 0.06%，V:0.035 0.06%，其餘為Fe及不可避免的雜質；並滿足碳當量(CE)= C+Mn/6+V/5+Ni/15 ( 0. 44% 其特徵在於還添加有重量百分比為Ni彡0. 30%, RE 0. 001 0.02%，Ca 0. 001 0. 007%中的一種或一種以上。
生產抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼的方法，其步驟1)鐵水預處理控制脫硫前鐵水溫度1250 140(TC，S含量控制在不大於 0. 030% ；2)對鐵水進行脫硫處理，處理後的S含量控制在不大於0. 0045% ；3)轉爐冶煉終點目標成分控制要求[C] 0. 05 0. 07% ； [P]彡0. 015%。4)進行鋼包爐精煉處理，處理時間為10 20分鐘，並對鋼水進行常規加餵鋁線， 餵絲速度控制在4 6m/s ；餵鋁線結束後進行4 10分鐘的吹氬，流量為50 60m7min ；5)進行RH真空處理，真空處理前接通氬氣，RH真空處理時間為12 20分鐘；6)加入SiCa線，對鋼水進行夾雜物變性處理，SiCa線加入速度控制在4 6m/s ；7)進行連鑄並採用全流程保護澆注，中包溫度控制在1530 1550°C，過熱度控制 在 20 30°C ；8)對鑄坯加熱，加熱溫度控制在1000 1320°C，均熱溫度為1200 1260°C ；9)進行粗軋，控制其終軋溫度在1000 1050°C，道次壓下率在20 30% ；10)進行精軋，軋制工藝根據鋼板厚度不同而採取不同的精軋工藝參數鋼板厚 度為20 40mm，則開軋溫度控制在900 940°C，終軋溫度控制在860 900°C ；鋼板厚度 為> 40 70mm，則開軋溫度控制為880 920°C，終軋溫度控制為840 880°C ；鋼板厚度 為> 70 100mm，開軋溫度840 880°C，終軋溫度控制在800 860°C，最後3道次的累計 壓下率控制為30 55%，此階段軋制前坯料厚度按成品厚度的1. 5 4. 0倍控制；其特徵在於壓縮比至少為3. 0。以下詳述本發明中化學成分限定量的理由本發明的C含量選擇在0. 10 0. 17%，C是鋼中不可缺少的提高鋼材強度的元素 之一，碳含量每增加0. 10%抗拉強度大約提高90MPa，屈服極限大約提高40 50MPa。隨著 碳含量的增加，鋼中Fe3C增加，淬硬性也增加，鋼的抗拉強度和屈服極限會提高，而塑性和 韌性指標會下降，焊接性能變差。在焊接C含量較高的鋼材時，在焊接熱影響區還會出現淬 硬現象，這將加劇焊接時產生冷裂紋的傾向。所以規定C的上限為0. 17%，在此範圍內，既 提高鋼的強度又適合生產操作，提高其在大生產中的適用性和可行性。本發明的Si含量選擇在0. 20 0. 50%, Si主要以固溶強化形式提高鋼的強度， 也是鋼中的脫氧元素。但如果鋼中Si含量過高，則會引起面縮率下降，特別是衝擊韌性下 降較為明顯，同時對鋼的焊接性也不利，因此鋼中Si含量不應過高，本發明鋼Si含量上限 定為0. 50%。本發明的Mn含量選擇在1. 00 1. 60%，在確保鋼的強度和韌性方面，Mn是不可 缺少的元素。一般說來，Mn含量在2%以下對焊縫金屬的韌性是有利的，因此，在低碳高強 度鋼中，普遍提高Mn的含量，最高可達2%。本發明的P彡0.015%、S彡0.005%，這是由於鋼中的P、S含量必須控制在較低 的範圍，只有冶煉純淨鋼，才能保證本發明鋼的綜合性能(尤其是抗層狀撕裂性能)。本發明的Nb含量選擇在0. 01 0. 05%, Nb是強碳化物形成元素，是細化晶粒的 重要元素，尤其對奧氏體晶粒的細化和再結晶組織的細化作用。Nb在鋼中主要通過與C、N 形成微細的碳氮化物來提高鋼材的強度和韌性，即使添加0. 01%的Nb也能表現出其效果。 在控軋微合金鋼中，Nb元素細化晶粒尺寸的效果和延緩奧氏體再結晶的能力是最突出的，微量Nb對奧氏體再結晶有強烈的抑制作用，使含Nb鋼可以在較高的溫度下進行控制軋制。本發明的Als含量選擇在0.01 0.06%，Al是鋼中的主要脫氧元素，也是細化 晶粒元素。當鋼中Al含量過高時，容易引起鋼中夾雜增多，降低鋼的純淨度，不利於鋼的韌 性。本發明中還含有V 0. 035 0. 060%,Ni ≤ 0. 30%,RE 0. 0010 0. 020%或 Ca 0. 001 0. 007%中的一種或一種以上V含量限制V是一種相當強烈的碳化物形成元素，它通過細化晶粒與碳化物的形 成提高鋼材的強度，當含Nb鋼中加入適量V時，可明顯改善橫向裂紋現象的發生。但隨著 鋼中V含量的增加，控軋態鋼的衝擊韌性變差。有研究表明，V的主要作用是產生固溶強化、 細晶強化和析出強化，但在鈮、釩、鈦複合微合金鋼中，當V含量低於0. 035%時，V的固溶強 化、細晶強化和析出強化作用都很小。因此，需對鋼中V含量進行限制0. 035 0. 060%。Ti含量選擇在0. 005 0. 020%，適量的Ti能提高焊縫金屬的韌性，但過量的Ti 又會使之降低。在低合金高強鋼中從提高焊縫金屬的韌性考慮，加入量不超過0. 02 %的Ti 較為合適。利用Ti形成的第二相質點TiN、Ti(CN)等阻止大線能量焊接過程中熱影響區中 粗晶區的晶粒長大，使晶粒細化，提高鋼的低溫韌性。本發明適量添加Ni，並將含量控制在0. 30%以下。Ni具有一定的強化作用，加入 的Ni可提高鋼材強度約20MPa。Ni還能顯著地改善鋼材的韌性，特別是低溫韌性。鋼
中加入Ni，無論是基材，還是模擬焊接熱影響區都明顯地提高了低溫韌性。但含量過高時， 除增加生產成本外，還造成鋼板氧化鐵皮難以脫落，故上限控制在0. 30%。本發明的RE含量選擇在0. 001 0. 02%。RE的主要作用是為使鋼中的硫化物夾 雜球化，以改善縱橫向性能差異，提高鋼的抗層狀撕裂性能。本發明的Ca含量選擇在0.001 0.006%。鋼中Ca可以控制硫化物的形態、提高 夏比吸收能、改善低溫韌性，但Ca含量低於0. 001%時，效果不明顯；而如果超過0. 006%, 則會生成許多CaO、CaS的大型夾雜物，從而影響鋼的純淨度和低溫衝擊韌性，也可能對鋼 的焊接性能和抗層狀撕裂性能產生不利的影響。本發明鋼具有如下優點1.本發明鋼碳當量要求不大於0. 44%，鋼板具有優良的焊接性能，製作過程中可 大大簡化焊接生產工藝，提高焊接效率；2.本發明鋼具備優良的抗震性能(ReH/Rm ≤ 0. 77)；3.本發明鋼全厚度方向斷面收縮率為40 70%，鋼板具有優良的抗層狀撕裂性 能，完全滿足鋼結構工程等重大建築關鍵受力點的技術要求。
具體實施例方式下面對本發明做進一步描述表1為本發明實施例及對比例各化學元素的取值列表；表2為本發明實施例及對比例工藝參數的取值列表；表3為本發明實施例的力學性能試驗結果。本實施方式的具體方法是按照本發明鋼化學成分及生產工藝要求，冶煉並軋制 了九批本發明的鋼，分別為發明鋼1 發明鋼12，軋制鋼板厚度分別為20mm、20mm、30mm、40mm、45mm、45mm、60mm、70mm、75mm、75mm、85mm、IOOmm0為了更好的反映出本發明鋼的各種性能優點，本實施方式中提供了 3組比較鋼， 軋制厚度分別為30mm、60mm和85mm。本發明鋼與比較鋼的化學成分見表1，各種力學性能 實驗結果見表2。表1各實施例及對比例各化學元素的取值
元素/ 實施俠1234劉比例 15678劉比例9101112劉比例 3C0. 1350. 100. 1210. 140.090. 150. 1450. 1550. 170. 1350. 150. 1450. 1550. 170. 175Si0. 310. 200. 330. 500. 300. 300. 250. 350. 300. 290. 300. 250. 350. 300. 28Mn1.451. 601. 301.001.651. 501.601. 551. 201. 181. 501.601. 551.401. 35P0. 012C. 0110. 0130. 0150. 0110. 0100. 0030. 0070. OOS0. 016C. 0110. 0030. 007C. 0090. 015S0. 003C. 0030.0050.0020. 0110. 0030. 0020.0010.0040. 009C. 0030.0020. 001C. 0040.012Nb0. 0200. 0250. 0150. 0100. 0310. 0220. 0400. 0250. 0200. 0190. 0300. 0450. 0350. 0250. 023Ti0. 012C. 0200.0130.0110. 0170.0120. 0190.0150.0120.0150.0120.0190. 0150.013-Als0. 025C. 0550. 0350.0100. 0340.0250. 0320.0150.0450.028C. 0250. 0320. 015C. 0450. 043V0. 0400. 0350. 0460. 0600. 033Ni---0. 15----0. 17--0. 15-0. 22-RE--0. 007----0. 009----0. 011--Ca-0.001----0. 003----0.005---表2本發明實施例及對比例工藝參數的取值列表
元素/實施例1234對比例15678對比例29101112對比例3鋼板成品厚度/mm2020304030454560706075758510085精軋開軋溫度/"C930940920900980910920900880960860870855840940精軋結束溫度/"C87089087086093286088087050922840850830800910返紅溫度/V770780750720850700750680670833650700650600822壓縮比10.010.06.676.255.05.565.564.173.573.284.04.03.533.02.95注實施例冶煉工藝嚴格按本發明鋼生產工藝要求執行；對比例冶煉工藝(未進行鋼包及真空處理)按常規工藝制度執行。表3本發明實施例的力學性能試驗結果
權利要求
抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於鋼板厚度為20～40毫米，其化學組分及重量百分比為為C0.10～0.14％、Si0.20～0.50％、Mn1.00～1.60％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb0.010～0.025％、Ti0.005～0.020％、Als0.010～0.060％，其餘為Fe及不可避免的雜質；並滿足碳當量＝C+Mn/6+V/5+Ni/15≤0.42％。
2.如權利要求1所述的抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於還添加有 重量百分比為:Ni ^ 0. 30%,RE 0. 001 ~ 0. 02%,Ca 0. 001 0. 007%中的一種或一種以 上。
3.抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於鋼板厚度為>40 70毫米，其 化學組分及重量百分比為為C 0. 145 0. 17%,Si 0. 20 0. 50%,Mn 1. 20 1. 60%, P 彡 0. 015 %、S 彡 0. 005 %、Nb 0. 02 0. 04 %、Ti 0. 005 0. 020 Als 0. 010 0.060%，其餘為Fe及不可避免的雜質；並滿足碳當量=C+Mn/6+V/5+Ni/15彡0. 44%。
4.如權利要求3所述的抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於還添加有 重量百分比為:Ni ^ 0. 30%,RE 0. 001 ~ 0. 02%,Ca 0. 001 0. 007%中的一種或一種以 上。
5.抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於鋼板厚度為>70 100毫 米，其化學組分及重量百分比為為c:0. 145 0. 17%, Si 0. 30 0. 50%、Mn :1. 40 1.60 P ^ 0. 015 S ^ 0. 005 Nb 0. 025 0. 05 %、Ti 0. 005 0. 020 Als 0. 01 0. 06 %，V 0. 035 0. 06 %，其餘為Fe及不可避免的雜質；並滿足碳當量= C+Mn/6+V/5+Ni/15 ( 0. 44%
6.如權利要求5所述的抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼，其特徵在於還添加有 重量百分比為:Ni ^ 0. 30%,RE 0. 001 ~ 0. 02%,Ca 0. 001 0. 007%中的一種或一種以 上。
7.生產權利要求1或3或5所述的抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼的方法，其步驟1)鐵水預處理控制脫硫前鐵水溫度1250 140(TC，S含量控制在不大於0.030% ；2)對鐵水進行脫硫處理，處理後的S含量控制在不大於0.0045% ；3)轉爐冶煉終點目標成分控制要求[C]0. 05-0. 07% ； [P]彡0.015%。4)進行鋼包爐精煉處理，處理時間為10 20分鐘，並對鋼水進行常規加餵鋁線，餵絲 速度控制在4 6m/s ；餵鋁線結束後進行4 10分鐘的吹氬，流量為50 60m7min ；5)進行RH真空處理，真空處理前接通氬氣，RH真空處理時間為12 20分鐘；6)加入SiCa線，對鋼水進行夾雜物變性處理，SiCa線加入速度控制在4 6m/s；7)進行連鑄並採用全流程保護澆注，中包溫度控制在1530 1550°C，過熱度控制在 20 30 8)對鑄坯加熱，加熱溫度控制在1000 1320°C，均熱溫度為1200 1260°C；9)進行粗軋，控制其終軋溫度在1000 1050°C，道次壓下率在20 30%；10)進行精軋，軋制工藝根據鋼板厚度不同而採取不同的精軋工藝參數鋼板厚度為 20 40mm，則開軋溫度控制在900 940°C，終軋溫度控制在860 890°C ；鋼板厚度為> 40 70mm，則開軋溫度控制為880 920°C，終軋溫度控制為840 880°C ；鋼板厚度為> 70 100mm，開軋溫度840 880°C，終軋溫度控制在800 860°C，最後3道次的累計壓下率控制為30 55%，此階段軋制前坯料厚度按成品厚度的1. 5 4. 0倍控制；11)進行冷卻鋼板厚度為20 40mm，鋼板返紅溫度控制範圍為700 800°C;鋼板厚 度> 40 70mm鋼板返紅溫度控制範圍為650 750°C ；鋼板厚度> 70 IOOmm鋼板返紅 溫度控制範圍為600 700°C。
8.如權利要求7所述的抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼的生產方法，其特徵在 於壓縮比至少為3.0。
全文摘要
本發明涉及抗層狀撕裂性能優良的抗震建築用鋼及生產方法。其適用於鋼板厚度為20～100毫米，其主要化學組分有C、Si、Mn、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb、Ti、Als，餘為Fe；其方法鐵水預處理；進行脫硫處理；冶煉終點目標成分控制[C]0.05～0.07％；[P]≤0.015％；進行鋼包爐精煉處理，並加餵鋁線及吹氬；進行RH真空處理，並在處理前接通氬氣；加入SiCa線；連鑄並採用全流程保護澆注；將鑄坯加熱；粗軋；精軋；冷卻。本發明鋼具備優良的抗震性能(ReH/Rm≤0.77)；全厚度方向斷面收縮率為40～70％，完全滿足鋼結構工程等重大建築關鍵受力點的要求。
文檔編號C22C33/04GK101994058SQ201010582378
公開日2011年3月30日 申請日期2010年12月10日 優先權日2010年12月10日
發明者習天輝, 卜勇, 張俊峰, 張開廣, 梅榮利, 王世森, 童明偉, 董中波, 董漢雄, 郭斌 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司