CN102605287B

CN102605287B - 一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢及其生产方法

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Publication number: CN102605287B
Application number: CN 201210060844
Authority: CN
Inventors: 童明伟; 郭斌; 卜勇; 张开广; 邹德辉; 梅荣利; 骆海贺; 董中波
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-03-09
Filing date: 2012-03-09
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: CN102605287A

Abstract

本发明涉及屈强比小于0.7的高韧性抗震结构用钢及其生产方法。其化学成分及含量(重量)：C：0.03～0.10％，Si：0.16～0.62％，Mn：1.00～2.20％，P≤0.010％，S≤0.010％，Cu：0.12～0.645％，Cr：0.12～0.64％，Mo：0.06～0.32％，Nb：0.010～0.062％，Ni：0.12～0.38％，及Zr：0.0015～0.020％或RE：0.0010～0.020％或其复合，满足公式：0.60％≤Cu+Cr≤1.20％，Pcm≤0.24％，Zr+RE≤0.025％；其步骤：冶炼并炉外精炼；全流程保护浇注；对铸坯加热；粗轧；精轧；层流冷却；自然冷却至室温。本发明具有Pcm≤0.24，较低的屈强比(R_eL/R_m≤0.70)，安全系数大，且为非调质钢，以控轧状态交货，生产工艺简单，易于实施。

Description

一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及建筑结构工程用钢及其制造方法，具体属于屈强比小于0.7的高韧性抗震结构用钢及其生产方法。

背景技术

随着国内经济的高速发展，钢结构行业正成为国内外钢铁行业看好的一个巨大市场。按照国务院发展循环经济和建设节约型社会的要求，在钢结构工程中应广泛应用高性能钢材，降低钢材消耗，提高钢材的安全系数和使用寿命，提高钢材使用效率，走“资源-产品-废弃物-再生资源”的循环发展过程，以尽可能少的资源获得尽可能大的社会和经济效益。但汶川和日本大地震造成的巨大破坏引发了冶金行业工作者对结构用钢材抗震性能的思考，在使用高性能钢材的同时，必须重视钢材的抗震性能。因此，近年来，超高层建筑、海洋平台、管道用钢、大型桥梁、厂矿及体育场馆等重大钢结构工程对钢材的性能要求越来越高，在要求钢材具有良好基本力学性能的同时，还要求钢材具有优异的抗震性能，即低屈强比。

本发明以前，国内外有关于低屈强比结构钢的报道，也申请了相关专利。如日本专利JP2007260716公开了一种变形能力优良的超高强度焊接钢管及其制造方法，该钢化学成分为：C：0.03-0.12％，Si：≤0.50％，Mn：1.80-3.0％，P≤0.010％，S≤0.002％，Cu≤0.70％，Ni：0.01-3.0％，Cr≤1.0％，Mo≤1.0％，Nb：0.01-0.08％，V≤0.10％，Ti：0.005-0.025％，B≤0.005％，Ca≤0.01％，REM≤0.02％，Zr≤0.03％，Mg≤0.01％，N：0.001-0.006％，Pcm≤0.22％，其余为Fe及不可避免的杂质。但该发明钢添加了较多贵重合金Ni、Mo，且钢板必须进行再加热处理工艺，增加了生产成本，其化学成分、生产工艺及产品强度级别与本发明钢不同。

专利号为201110218100.8的中国专利公开了一种低屈强比高塑性超细晶粒高强钢及其制造方法，其化学成分为：C：0.06-0.09％、Si：0.15-0.25％、Mn：1.20-1.50％、P≤0.015％、S≤0.005％、Nb：0.020-0.040％、V：0.010-0.030％、Ti：0.008-0.015％、Cr：0.10-0.30％、Ni：0.10-0.30％、Cu：0.10-0.30％、Al：0.010-0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。该发明钢化学成分与本发明钢不同，且其生产工艺采用TMCP+离线热处理工艺方法，增加了生产成本。还有专利号为200910012359.X的中国专利公开了一种用热轧卷板制造高强韧性吊臂钢管的制造方法，其化学成分为C：0.10-0.20％、Si：0.10-0.45％、Mn：0.70-1.45％、Ni：0.02-0.80％、Cr：0.15-0.65％、Mo：0.20-0.65％、Cu：0-0.30％、Nb：0.010-0.060％、V：0.020-0.070％、Ti：0.002-0.030％、Al：0.010-0.065％、B：0.0005-0.0040％、Zr：0-0.0005％、P＜0.020％、S＜0.010％、N＜0.0080％，其余为Fe。其存在的不足：贵重合金元素Ni、Mo含量较高，且钢板必须进行淬火+回火处理，增加了生产成本。

专利号为201010218179.X的中国专利公开了一种抗拉强度590MPa级的热轧钢板及其生产方法，其化学成分为C：0.05-0.10％、Si：0.10-0.25％、Mn：1.10-1.50％、P：0.03-0.08％、S≤0.008％、Cr：0.50-0.80％、Als：0.015-0.065％，其存在的不足：P含量较高，抗拉强度级别较低，钢板厚度也仅为2.5-6.0mm。

还有中国专利号为200910061106.1，200910012361.7，200910012360.2和200610125365.2的专利文献，其存在的不足：钢板均必须进行复杂的热处理工序，增加了生产成本。

发明内容

本发明目的在于克服本技术领域目前存在的不足，提供一种低碳Cu(Cr)-Mo系的低温韧性高、抗震性能优良，良好的冷热加工性能和焊接性能，同时制造工艺简单，生产成本低，易于大规模生产的屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：0.16～0.62％，Mn：1.00～2.20％，P≤0.010％，S≤0.010％，Cu：0.12～0.645％，Cr：0.12～0.64％，Mo：0.06～0.32％，Nb：0.010～0.062％，Ni：0.12～0.38％，及Zr：0.0015～0.020％或RE：0.0010～0.020％或其复合，余量为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：0.60％≤Cu+Cr≤1.20％，Pcm≤0.24％，Zr+RE≤0.025％。

其特征在于：还添加有V 0.015～0.050％或Ti≤0.030％或Als≤0.058％或其中任意两种及以上以任意比例的复合。

一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：0.16～0.62％，Mn：1.00～2.20％，P≤0.010％，S≤0.010％，Cu：0.65～1.20％，Mo：0.06～0.32％，Nb：0.010～0.062％，Ni：0.12～0.38％，及Zr：0.0015～0.020％或RE：0.0010～0.020％或其复合，余量为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：Pcm≤0.24％，Zr+RE≤0.025％。

一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.03～0.10％，Si：0.16～0.62％，Mn：1.00～2.20％，P≤0.010％，S≤0.010％，Cr：0.65～1.20％，Mo：0.06～0.32％，Nb：0.010～0.062％，Ni：0.12～0.38％，及Zr：0.0015～0.020％或RE：0.0010～0.020％或其复合，余量为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：Pcm≤0.24％，Zr+RE≤0.025％。

生产一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢的方法，其步骤：

1)冶炼并进行炉外精炼；

2)采用全流程保护浇注成坯；

3)对铸坯加热，控制加热温度在1260～1340℃，加热速率控制在7～10min/cm，并在1180～1250℃下保温至少30min；

4)进行粗轧：控制轧制道次为3～5道次，控制终轧温度为1000～1080℃；

5)进行精轧：控制轧制道次为5～8道次，总下压率为37～80％，终轧温度为770～840℃；

6)进行层流冷却：冷却终止温度控制为580～680℃；

7)自然冷却至室温。

以下详述本发明中化学成分限定量的理由：

本发明的C含量选择在0.03～0.10％，C是提高强度的主要元素，对降低钢的屈强比有利，但高的碳含量会恶化钢的塑性、韧性、焊接性能以及增加碳偏析的倾向，影响钢的冷热加工性能。因此，考虑钢的综合性能水平，将碳含量限定为0.03～0.10％。

本发明的Si含量选择在0.16～0.62％，Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，也是钢中的脱氧元素，对钢的屈强比影响也不大。但Si含量过高，会显著降低钢的低温韧性和焊接性能。综合平衡钢的强度和韧性，本发明中Si含量上限定为0.62％。

本发明的Mn含量选择在1.00～2.20％，Mn是确保钢材强度和韧性不可或缺的元素。在轧制过程中，Mn细化晶粒，提高钢的强度和韧性。但Mn含量过高，则会形成较多的MnS夹杂物，降低钢的低温断裂韧性，提高钢板纵横向性能差异。

本发明的P≤0.010％、S≤0.010％，P、S是钢中的有害杂质元素。高P易导致偏析，影响钢的组织均匀性，降低钢的韧性；S与Mn易形成MnS夹杂，对低温韧性十分不利，并造成性能的各向异性。

本发明的Nb含量选择在0.010～0.062％，Nb是细化晶粒的重要元素，能显著提高奥氏体再结晶温度，易于在高温下轧制，降低轧机负荷，延长其使用寿命。在控轧控冷过程中，铌易于在基体内或沿位错弥散析出细小NbC颗粒，晶粒细化作用明显，从而提高钢的强度和低温韧性。Nb还与C、N形成分布均匀、稳定性高的碳氮化物颗粒，有效抑制奥氏体晶粒的长大，扩大材料热加工和焊接的温度范围。

本发明的V含量限制在0.015～0.050％，V是一种相当强烈的碳化物形成元素。当Nb与V复合加入时，可明显改善横向裂纹现象的发生。但V含量过高，沉淀强化作用显著，但韧性变差，不利于控制低屈强比。

本发明的Ni含量选择在0.12～0.38％，Ni对钢材强度贡献不大，但能明显改善钢材的低温韧性，特别是对Cu、Cr等固溶强化元素含量高的钢材，其改善低温韧性的作用就更为明显。但Ni含量过高，除增加生产成本外，钢板表面易产生难以脱落的氧化铁皮。

本发明的Mo含量选择在0.06～0.32％，Mo的固溶强化作用很大，Mo的加入还能促进高密度位错贝氏体的形成，产生组织强化。当Mo与Nb同时加入时，钼还能增加碳化物形核位置，促进碳化物形成，产生沉淀强化。但Mo含量过高，会降低钢的低温韧性和提高钢的焊接裂纹敏感性。

本发明的Cu、Cr含量均选择在0.12～0.65以下及0.65～1.20％，其原因在于Cu主要起固溶强化作用，适量的Cr也可提高钢的强度，但Cu含量过高的钢坯在加热过程中易产生网状裂纹，导致废钢；Cr含量过高，导致钢的脆性增加。考虑钢的综合力学性能，Cu、Cr含量还必须满足0.60％≤Cu+Cr≤1.20％。

本发明的Ti≤0.030％，适量的Ti能提高焊缝金属的韧性，但过量的Ti又会使之降低。Ti与Nb、V同时加入，会进一步提高钢奥氏体再结晶温度，扩大轧制工艺范围。Ti的第二相质点TiN、Ti(CN)颗粒可有效阻止加热和焊接过程中奥氏体晶粒长大，使晶粒细化，提高钢的低温韧性。

本发明的Als含量选择在0.010～0.058％，Als是钢中的主要脱氧元素，也是细化晶粒元素。Al含量过高，易引起钢中夹杂增多，降低钢的纯净度，不利于钢的低温韧性。

本发明的Zr含量选择在0.0015～0.020％，适量的Zr可以将钢中粗大的非球形夹杂物球化，净化钢质，提高钢的低温韧性和抗撕裂能力。

本发明的RE含量选择在0.0010～0.020％。RE的主要作用是为使钢中的硫化物夹杂球化，以改善纵横向性能差异，提高韧性。

本发明与现有技术相比，具有Pcm≤0.24，即具有较低的焊接裂纹敏感性，较低的屈强比(R_eL/R_m≤0.70)，安全系数大，使使用寿命得以提高，且为非调质钢，以控轧状态交货，不需经过复杂的热处理工序，生产程序简单，易于大规模生产。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

各实施例的试验条件：各实施及对比例的化学成分及重量百分比含量见表1；

各实施及对比例的主要工艺参数见表2，且按照以下步骤生产：

1)冶炼并进行炉外精炼；

2)采用全连铸保护浇注成坯；

6)进行层流冷却：冷却终止温度控制为580～680℃；

7)自然冷却至室温。

为使铸坯充分奥氏体化，并使Cu、Cr、Mo等合金元素充分溶于奥氏体中，须将上述铸坯在1260～1340℃加热，需要特别指出的是钢坯的加热速率必须控制为7～10min/cm，且在铸坯温度为800℃以下时，加热速率须控制在7～8min/cm之间，目的是确保铸坯在加热过程中不至于因加热速率过快使钢坯出现裂纹甚至断裂事故；当铸坯温度达到800～1000℃时，加热速率控制在8～9min/cm；当铸坯温度达到1000℃以上时，加热速率可提高至10min/cm，以提高钢坯的加热效率。为了确保钢坯内外温度以及各部位合金成分充分均匀化，铸坯必须在1180～1250℃下保温至少30min，但保温时间不易过长，否则奥氏体晶粒严重粗化，恶化钢的低温冲击韧性。

本方明钢对于轧制工艺各参数的限定理由：粗轧采用高温大压下，3～5道次完成粗轧，终轧温度为1000～1080℃，目的是确保道次压下量为15～20mm，以及完全在奥氏体再结晶区进行粗轧并细化奥氏体晶粒，确保钢材具有良好的强韧性匹配。精轧道次控制为5～8道，总下压率为37～80％，终轧温度为770～840℃，精轧阶段须在奥氏体未再结晶区轧制，并确保道次和压下率，目的是使奥氏体晶粒充分被拉长，阻碍先共析铁素体晶粒的长大，大的变形量可增加变形带的数量，从而提供相变形核点，使相变后的铁素体晶粒更加细小均匀；在奥氏体未再结晶区轧制时，变形量的增加还可以促使相变温度提高，从而促进铁素体数量增加，减少珠光体数量，降低钢的屈强比，确保钢板的抗震性能，控制终轧温度的目的是为了进一步细化铁素体晶粒，确保钢的强韧性。本发明钢轧制后必须配合后续的层流冷却工艺，即冷却终止温度控制为580～680℃，由于本发明的主控组织为铁素体和珠光体，且本发明含有恶化钢冲击韧性的Cu、Cr、Mo等合金元素，因此，为确保钢具有良好的低温冲击韧性，除了利用能提高冲击韧性的Ni和Nb的细化晶粒作用外，还必须结合控制轧制以及控制冷却工艺，以进一步细化奥氏体和铁素体晶粒，减少珠光体片层间距，对本发明而言，当终冷温度高于680℃，铁素体和珠光体团粗大，导致钢的强韧性较差；当终冷温度低于580℃时，此时冷却速度过快，钢板厚度方向上冷速和组织不均，即钢板表层为低温转变组织，而心部为铁素体和珠光体组织，导致钢板性能不均，同时降低低温韧性。

经本发明人反复验证，严格采用上述限定成分和工艺参数生产的钢板具有良好的强韧性匹配、优异的焊接性能和抗震性能(R_eL/R_m≤0.70)以及冷加工性能，因此，本发明钢无需进行热处理处理，工艺流程简单有效，生产成本低，易于大规模生产。

表3为各实施及对比例的力学性能试验结果列表。

表1本发明钢与对比钢的化学成分对比(wt，％)

表2各实施及对比例的主要工艺参数列表

表3各实施及对比例的的力学性能检测结果列表

本发明钢板是在进行常温拉伸性能、Z向拉伸性能、-20℃钢板纵向冲击韧性的试验。从表3可看出，在常温下，本发明钢的屈服强度与对比钢处于同一水平，而抗拉强度比对比钢高100MPa以上，且本发明钢屈强比(R_eL/R_m)均小于0.65，而比较钢则大于0.77，这说明本发明钢具有更优的抗震性能；本发明钢-20℃温度下的冲击功均在150J以上，厚度方向断面收缩率在50％以上，均远高于对比钢，这说明本发明钢具有优良的低温韧性和抗层状撕裂能力。总之，本发明钢具有更优异的综合机械性能。

本发明钢以控轧状态交货，不需经过复杂的热处理工序，制造程序简单，易于大规模生产。本发明钢R_eL≥420MPa，R_m≥650MPa，A≥25％，R_eL/R_m≤0.70，-20℃KV₂≥150J，具有优异的低温韧性和抗震性能。本发明钢用途广泛，可应用于各类超高层建筑、海洋平台、管道、大型桥梁、厂矿及体育场馆等各种钢结构工程。

Claims

1.一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.03～0.10%，Si：0.16～0.62%，Mn：2.18～2.20%，P≤0.010%，S≤0.010%，Cu：0.12～0.645%，Cr：0.12～0.64%，Mo：0.06～0.32%，Nb：0.056～0.062%， Ni：0.12～0.38%，及Zr：0.011～0.020%或RE：0.0010～0.020%或其复合，余量为Fe及不可避免的杂质；并满足公式：0.60%≤Cu+Cr≤1.20%，Pcm≤0.24%，Zr+RE≤0.025%。

2.一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.03～0.10%，Si：0.16～0.62%，Mn：1.00～2.20%，P≤0.010%，S≤0.010%，Cu：0.65～1.20%， Mo：0.06～0.32%，Nb：0.010～0.062%， Ni：0.12～0.38%，及Zr：0.01～0.020%或RE：0.0010～0.020%或其复合，余量为Fe及不可避免的杂质；并满足公式： Pcm≤0.24%，Zr+RE≤0.025%。

3.一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢，其化学成分及重量百分比为：C：0.03～0.10%，Si：0.16～0.62%，Mn：1.00～2.20%，P≤0.010%，S≤0.010%，Cr：0.65～1.20%， Mo：0.06～0.32%，Nb：0.010～0.062%， Ni：0.12～0.38%，及Zr：0.008～0.020%或RE：0.0010～0.020%或其复合，余量为Fe及不可避免的杂质；并满足公式： Pcm≤0.24%，Zr+RE≤0.025%。

4.生产权利要求1至3所述的一种屈强比≤0.70的高韧性抗震结构用钢的方法，其步骤：

1）冶炼并进行炉外精炼；

2）采用全流程保护浇注成坯；

3）对铸坯加热，控制加热温度在1310～1340℃，加热速率控制在7～10min/cm，并在1180～1250℃下保温至少30 min；

4）进行粗轧：控制轧制道次为3～5道次，控制终轧温度为1000～1080℃；

5）进行精轧：控制轧制道次为5～8道次，总下压率为37～80%，终轧温度为810～840℃；

6）进行层流冷却：冷却终止温度控制为580～680℃；

7）自然冷却至室温。