CN101781736A - 屈服强度225MPa级抗震建筑钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屈服强度225MPa级抗震建筑钢及其生产方法。该钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.01～0.05、Si：0.01～0.04、Mn：0.20～0.70、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、N：0.001～0.003、Re：0.005～0.015、Ti≤0.070、Nb≤0.020、Al≤0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂。其生产方法包括：铁水脱硫、转炉吹炼、真空处理、连铸、热轧、冷却等步骤。在钢产品屈服强度超过245MPa时，所述冷却步骤之后还设有退火处理步骤。实验证明，本发明的屈服强度225MPa级抗震建筑钢具有屈服强度低、延伸率高及冲击韧性优良的特点，并且其生产方法工艺简单，生产成本低。

Description

屈服强度225MPa级抗震建筑钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及建筑用钢，具体地指一种屈服强度225MPa级抗震建筑钢及其生产方法。

背景技术

随着钢结构建筑事业的发展，提高钢结构的抗震性能成为保证建筑安全的必要措施之一。在钢结构建筑耐震设计中，可以通过钢结构塑性变形来吸收地震产生的能量，这就要求建筑用钢材有较低的屈服强度、较好的塑性变形能力和良好的伸长率。

在本发明以前，申请号200710046076.8的中国发明专利公开说明书介绍了一种极低屈服点钢板及其制造方法。该钢板化学成分组成为(质量百分比)：C：0.006～0.018％、Si≤0.10％、Mn：0.10～0.30％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.035～0.055％、V：0.025～0.055％、Als：0.035～0.055％、Ti：0.015～0.025％、N≤0.0025％、Ca：0.001～0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。其中添加微量Ti、Nb、V的目的是消除钢中固溶C、N间隙原子，使钢板在获得极低屈服点和优良室温形变能力的同时，还具有优良焊接性能；添加Ca则是一方面可以纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，抑制硫的热脆性、提高钢板室温变形能力。此外，该发明化学元素还需满足以下关系：Ti/N≥8.0，Als/N≥15，(0.13Nb+0.23V)≥1.02C，Ti/Nb：0.20～0.60，Ca/S：0.50～3.0。通过这些微合金元素的组合设计、热轧工艺(终轧温度≤1050℃)及正火热处理工艺(正火温度960～1000℃，保温时间1.5～2.5min/mm×钢板厚度t)相结合，获得了屈服点YP≤235MPa、延伸率δ5≥50％、钢板显微组织为单相铁素体，适用于制造大型钢结构的抗震阻尼器。日本NIPPON STEEL CORP申请的专利(JP20060113479)“LOW YIELD POINT STEEL FOR DAMPERAND ITS PRODUCTION METHOD”，公开了一种用于制作抗震消能阻尼器低屈服点钢，屈服强度为150～250MPa，其化学成分的重量百分比为：C：0.001～0.050、Si≤0.80、Mn：0.1～2.0、P≤0.020、S≤0.015、Nb：0.01～0.60其含量是C含量的8倍、Al≤0.060、N≤0.006，另外根据需要还可以含有Ti/V/B/Ni/Cu/Cr/Mo/Ca/RE中的一种或多种。该专利钢种有效的降低了钢材的屈服强度，能较好适应建筑抗震性能的需要。但是，该两项专利公开的钢其化学成分较为复杂，合金元素含量高，其钢板杂质含量偏高，其耐候性和焊接性能都不优良。并且，他们的生产合金化成本偏高，生产工艺流程复杂，不能较好适应大规模化生产的需要。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种屈服强度225MPa级抗震建筑钢及其生产方法。该钢具有屈服强度低、延伸率高及抗冲击性能优良的特点，并且其生产工艺流程简单、生产成本低。

为实现上述目的，本发明所设计的屈服强度225MPa级抗震建筑钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.01～0.05、Si：0.01～0.04、Mn：0.20～0.70、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、N：0.001～0.003、Re：0.005～0.015、Ti≤0.070、Nb≤0.020、Al≤0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂。

本发明屈服强度225MPa级抗震建筑钢的生产方法，按通常超纯净钢工艺进行生产，包括铁水脱硫、转炉吹炼、真空处理、连铸、热轧、冷却处理的步骤，其特殊之处在于：

所述真空处理步骤中添加Mg合金、所述连铸步骤中添加Re合金进行合金化处理，使钢中组分满足所述重量百分比的要求；

所述热轧步骤中，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在830～870℃。

进一步地，所述冷却处理步骤之后还设有退火处理步骤，退火温度控制在770～820℃，保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm，退火完毕后再重复冷却处理的步骤。

更进一步地，所述冷却处理步骤中，采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。

以下就本发明屈服强度225MPa级抗震建筑钢的化学成分及其生产方法进行分析说明：

C是钢中提高强度的主要元素之一，对钢的强度、延伸率和冲击韧性影响较大。本发明的抗震建筑钢屈服强度、抗拉强度低，且屈服强度范围窄，其C的重量百分含量控制在0.01～0.05范围。

Si和Mn在钢中具有固溶强化作用，尤其当C含量在较低范围时，二者对强度的影响就较为明显。对于低屈服点钢来说需进一步控制Si、Mn元素含量，本发明的Si的重量百分含量控制在0.01～0.04范围，Mn的重量百分含量控制在0.20～0.70范围。

P和S在本发明的钢中属于有害杂质，为了减少P、S对超低碳钢韧塑性的不良影响，需严格控制钢中的P、S重量百分含量，所以本发明控制在P≤0.010、S≤0.005较低的比例，从而减小P、S对产品性能的不良影响。

Mg与O、S元素有较高的亲和力，本发明加入重量百分含量为0.002～0.007的Mg元素，会明显提高钢板的脱氧和脱硫能力，达到良好的脱硫、脱氧以及控制夹杂物形态和分布的效果，提高钢的纯净度，并降低了夹杂物对组织性能的影响。

N含量对钢的力学性能也有很大影响，随着N含量的下降，钢的延伸率和端面收缩率有明显的提高，但是N含量过多，钢中固溶的N又会导致焊接热影响区韧性恶化。本发明将N重量百分含量限定为0.001～0.003。

Re能起到脱硫、改善氧化物夹杂形态、净化钢液的作用，能进一步降低夹杂物对钢强度、韧性的影响，提高钢板耐候性能和焊接性能。本发明中Re的含量控制在0.005～0.015。

Ti和Nb是两种强烈的碳化物和氮化物形成元素，在超低碳钢IF钢化学成分设计中，单独或复合添加适量的Ti、Nb元素，可以使钢中的C、N原子被固定成碳化物、氮化物，呈现无间隙原子状态。研究表明，在钢中不宜添加过量的Ti元素，较多的Ti会使其碳氮化物颗粒粗化从而失去晶界钉扎作用。一定量的Ti、Nb也能起到提高钢种韧性的作用。本发明抗震建筑钢采用超低碳系钢化学成分设计，但由于其屈服强度处于一个相对较高、容易获得的范围，Ti、Nb元素不是本发明抗震建筑钢的必须添加元素，故本发明中Ti、Nb的重量百分含量控制为Ti≤0.070、Nb≤0.020。

Al能起到传统的脱氧剂作用，本发明中的Al的重量百分含量控制在0.050以下的范围对脱氧起到很好的作用。

本发明屈服强度225MPa级抗震建筑钢在化学成分上采用低C、Si、Mn等合金元素的超低碳系钢设计，冶炼过程中通过添加Mg元素，利用其与O、S元素较高的亲和力，达到良好的脱硫、脱氧以及控制夹杂物形态和分布的效果，提高了钢的纯净度。通过加入适量Re元素进一步降低了夹杂物对钢强度、韧性的影响，提高了钢板耐候性能和焊接性能。

本发明的生产方法采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空处理及连铸工艺，按通常超纯净钢工艺进行生产。依据Hall-Petch关系：σ_y＝σ_i+K_yd^-1/2(式中σ_y为铁素体屈服强度，σ_i相当于单晶的屈服强度，K_y是与晶界结构有关的常数，d为铁素体晶粒的平均直径)可知，增大铁素体晶粒尺寸能够使屈服强度降低，而组织中晶粒尺寸的大小受化学成分、轧制工艺、热处理加热温度和保温时间等因素的影响。因此，本发明采用高温快速轧制的工艺来促使钢板晶粒增大，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，钢的开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在830～870℃。最后采用加防护罩冷却或者堆垛冷却等方式缓慢冷却至室温，以促进晶粒进一步长大，所得钢产品的屈服强度在205～245MPa之间的极低范围。如果此时钢产品的屈服强度仍高于上述设计要求范围的上限，则可将钢产品进一步采用退火处理，退火温度控制为770～820℃，保温时间控制为基本的30～40min，再跟据钢板厚度适当延长(钢板厚度每增加1mm，加热时间延长1min)，即保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm能较好地促进组织晶粒增大，获得足够低的屈服强度，然后采用加防护罩冷却或者堆垛冷却等方式缓慢冷却至室温。

本发明的抗震建筑钢显微组织为铁素体加少量珠光体组织，晶粒尺寸大，具有良好的冲击韧性和冷热加工性能以及优良的耐腐蚀性能、焊接性能和减震性能，适用于各种钢结构建筑以及其它具备减震性能要求的低合金钢结构及装置。同时，本发明的生产方法工艺简单，合金化成本低，并且利用本发明方法生产的钢产品屈服强度范围控制在40Mpa的较窄区域，较好地保障了生产的钢产品具有稳定的性能。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的屈服强度225MPa级抗震建筑钢及其生产方法作进一步的详细描述。

表1列出了本发明实施例1～8的抗震建筑钢化学成分重量百分含量(余量为Fe及不可避免在杂质)，以及市售普通建筑钢(对比钢)的成分重量百分含量(余量为Fe及不可避免在杂质)。

表1：

对上述实施例1～8中的钢材按通常超纯净钢工艺进行生产，通过铁水脱硫，转炉顶底吹炼，真空处理时添加Mg合金、连铸时添加Re合金进行合金化，连铸，热轧、冷却至室温。在热轧时，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，钢的开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在830～870℃；对实施例1～8钢轧制钢板的规格依次为18mm、20mm、35mm、30mm、20mm、35mm、30mm、25mm。最后，采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。对其中屈服强度高于245MPa的钢产品，再采用退火处理，退火温度控制在770～820℃，保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm，再重复采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。

对表1所述实施例1～8的抗震建筑钢产品和对比钢1～4进行屈服强度、冲击韧性、延伸率等力学性能以及夹杂物级别采用国标方法进行测试，测试结果见表2。

表2：

	屈服强度(MPa)	冲击韧性(20℃，AKV，J)	延伸率(％)	晶粒度	夹杂物级别
						实施例1	210	275	50	7级	B1.5

	屈服强度(MPa)	冲击韧性(20℃，AKV，J)	延伸率(％)	晶粒度	夹杂物级别
						实施例2	235	285	40	6级	B1
实施例3	230	290	51	5.5级	B1
						实施例4	205	280	50	7级	B2
实施例5	220	295	51	7.5级	B1.5
						实施例6	240	285	50	7级	B2
实施例7	230	280	52	5级	B1
						实施例8	245	275	53	5级	B2
对比钢1	255	80	41	5级	A3、B2
						对比钢2	260	105	45	6级	A2、B3
对比钢3	285	90	43	5级	A2、B2
						对比钢4	260	95	46	7级	A3、B2

通过表2的数据可以看出，本发明抗震建筑钢产品的屈服强度在205～245MPa之间的极低范围，其冲击韧性比普通钢更优异，延伸率表现极好均超过40％，并且本发明抗震建筑钢夹杂物主要为氧化物，夹杂物级别低，钢质纯净，晶粒度集中在6级左右，晶粒尺寸容易控制。试验表明，本发明的钢板具有良好的抗震性能、焊接性能及耐候性能。

本发明抗震建筑钢可进行手弧焊、埋弧焊或气体保护焊等方法的焊接，用于建造各种钢结构建筑、塔架以及其它具备减震性能要求的低合金钢结构及装置，可在地震时首先屈服，有效地吸收地震波，有效降低地震或其他剧烈振动带来的损坏作用，避免结构主体的破坏。

Claims (4)

1.一种屈服强度225MPa级抗震建筑钢，其化学成分按重量百分数计为：C：0.01～0.05、Si：0.01～0.04、Mn：0.20～0.70、P≤0.010、S≤0.005、Mg：0.002～0.007、N：0.001～0.003、Re：0.005～0.015、Ti≤0.070、Nb≤0.020、Al≤0.050，其余为Fe及不可避免的夹杂。

2.一种权利要求1所述屈服强度225MPa级抗震建筑钢的生产方法，包括铁水脱硫、转炉吹炼、真空处理、连铸、热轧、冷却处理的步骤，其特征在于：

所述真空处理步骤中添加Mg合金、所述连铸步骤中添加Re合金进行合金化处理，使钢中组分满足所述重量百分比的要求；

所述热轧步骤中，钢坯加热温度控制在1200～1230℃，加热速率控制在8～14min/cm，开轧温度控制在1100～1200℃，控轧末三道累计压下率30～50％，终轧温度控制在830～870℃。

3.根据权利要求2所述的屈服强度225MPa级抗震建筑钢的生产方法，其特征在于：所述冷却处理步骤之后还设有退火处理步骤，退火温度控制在770～820℃，保温时间控制在(30～40)min+板厚(mm)×1min/mm，退火完毕后再重复冷却处理的步骤。

4.根据权利要求2或3所述的屈服强度225MPa级抗震建筑钢的生产方法，其特征在于：所述冷却处理步骤中，采用加防护罩冷却或堆垛冷却的方式缓慢冷却至室温。