CN102851596A

CN102851596A - 一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法

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Publication number: CN102851596A
Application number: CN2011101799408A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 侯华兴; 王小强; 黄磊; 张涛; 杨颖�; 张哲�
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: CN102851596B

Abstract

本发明公开了一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法，其化学成分为：C0.03％～0.09％、Si0.10％～0.38％、Mn0.55％～1.50％、Nb0.011％～0.039％、Ti0.012％～0.050％、Als0.007％～0.045％、Cr0.12％～0.49％、Cu0.10％～0.40％，B0.0008％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质，钢中的杂质元素控制在P≤0.016％，S≤0.006％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0030％。其钢坯加热到温度1150～1270℃，加热时间为钢板厚度60～110秒/厘米；第一阶段轧制钢板表面除磷后开始，终轧温度控制在不小于960℃；第二阶段开始温度960～840℃，再结晶区积累变形量大于55％，终轧温度720～880℃；在终轧和冷却之间需保留20～100秒；开始冷却为680～840℃，终冷为650～420℃；快速堆垛缓冷保温，堆垛温度600～300℃，保温时间8～16小时。

Description

一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种抗拉强度490MPa级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法。

背景技术

耐火钢(FR钢)其耐热温度为600℃以上(一般钢材仅为350℃以下)使用这种钢材对可燃物较少且空间较大的建筑物和体育馆、博物馆等有可能不用防火涂料，节省大量投资。美国“911”事件发生后，世界各国对于建筑物、特别是高层建筑结构的耐火性能提出了迫切而严格的要求。因此建筑用高性能耐火钢板成为近年来研究开发的热点。

日本是建筑钢结构发展最快，新钢材、新技术开发最先进、应用范围最广的国家，其建筑领域所用的钢材约占普通钢的30％左右，是日本钢材用量最大的领域。日本耐火钢的研究开发工作引人处于世界领先地位，主要产品为板材和H型钢。

中国从20世纪90年代末开始从事耐火钢方面的研究。马钢、鞍钢、宝钢和武钢等钢厂先后研发了耐火钢，由于耐火钢中的主要合金元素是高Mo，导致耐火钢的成本较高，影响了耐火钢的大量推广和使用。

国际国内有关490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及制造方法已经形成多项专利，例如以下5个专利：

专利1，鞍钢申请的专利申请号为CN03111076.2的“耐火钢及其制造方法”，该发明性能已经达到耐火钢的性能要求，但合金设计中存在V、RE、Ni以及较高水平的Mo元素，这样难以控制耐火钢合金成本。

专利2，武钢提供一种专利申请号为CN011335629的“耐火钢及其生产方法”，该钢虽然达到了600℃1～3小时内屈服强度下降不低于其常温的2/3，但是也存在不控制碳当量和屈强比的弊端，且合金含量高，价格昂贵，不能满足国内建筑用钢市场的需求。

专利3，日本新日铁钢铁公司申请的专利号为JP2000256791的发明专利“Low yield ratio type fire resistant hot rolled steel sheet and itsand its production”中所公开的低屈强比带钢，其钢的化学成分按质量百分比为：0.01～0.1C，0.05～0.8Si，0.5～1.5Mn，0.3～1.5Mo，0.005～0.05Nb，0.02～0.1V，0.0003～0.0025B，该钢种屈强比小于0.8，并且焊接性能良好，但耐火性能较差Rel_(600℃)/Rel_(室温)＜2/3。

专利4，新日本制铁株式会社渡部义之、植森龙治等人2008年1月发明的申请号为JP060601/2005“焊接性和气割性优良的高强度耐火钢及其制造方法”的专利，公开了一种耐火钢及其制造方法，其钢的化学成分按质量百分比为：0.04～0.14C，0.05以下Si，0.5～2.0Mn，0.3～0.7Mo，0.01～0.05Nb，0.06以下Al，0.05～1.0Ni，0.05～1.0Cu，0.0005～0.010REM，钢种加工工艺为钢坯或铸坯加热到1100～1300℃的温度，接着在800～950℃的温度下进行轧制后，以比该轧制结束时的温度低150℃或750℃之中较高的一个温度以上的温度进行直接淬火，接着在Ac1以下的温度进行回火处理，或轧制后再次加热到900～950℃的温度进行淬火，然后在Ac1以下的温度进行回火处理。该钢种应用了Mo、Cu、Ni、REM等贵重合金增加了合金成本，复杂的生产工艺提高了生产成本，无疑对钢厂生产设备提出了较高的要求。

并且从所有专利查新得到，其发明专利低温韧性要求都为0～-20℃，不能满足北方低温地区用户使用要求。

由以上对比专利可知，目前490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板的生产存在以下不足：

(1)最重要因素：钢板合金设计中Mo等贵重元素含量较高，增加了合金成本，难以普及应用；

(2)耐火性差难以满足建筑耐火性能设计要求；

(3)大部分需要配合复杂轧制工艺或采用淬火、回火等热处理工艺，生产成本较高；

(4)普遍采用轧后控冷的生产方式，钢板容易变形；

(5)屈服强度变化范围较大，部分钢种不控制屈强比，这不利于减震结构的设计和制造；

(6)低温韧性要求基本为0～-20℃难以满足北方低温地区冬季对钢结构的设计和施工需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低成本490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法，该钢板具有在600℃保温1～3小时屈服强度下降不低于常温状态的2/3；其屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8，延伸率A％≥20％；-20℃～-40℃冲击韧性KV₂≥47J；板型良好且生产工艺简单。

本发明钢化学成分以低C、无Mo、含B为基本特征，在本发明中，其化学成分范围按重量百分比为：C0.03％～0.09％、Si0.10％～0.38％、Mn0.55％～1.50％、Nb0.011％～0.039％、Ti0.012％～0.050％、Als0.007％～0.045％、Cr0.12％～0.49％、Cu0.10％～0.40％，B0.0008％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元素控制在P≤0.016％，S≤0.006％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0030％。

C：为了保证钢的强度需要0.03％以上的C含量，同时为了保证钢的焊接性能和低温韧性，C的含量不宜超过0.09％。

Si：为了使钢的延伸性能以及保证可焊性，将Si的含量控制在小于0.38％，但Si小于0.10％降低了耐火钢强度，因此其下限不低于0.10％。

Mn：Mn的主要作用是固溶强化和脱氧，过多时会使强度过高，太低对后部轧制的控制不起作用，所以Mn含量控制在0.55％～1.50％。

P、S为钢中的有害元素含量控制越低越好，一般控制在P≤0.016％，S≤0.006％。

Nb和Ti、Al主要作用是抑制加热时晶粒长大，同时起固溶和析出强化的作用，Ti、Al配合脱氧可以减少强度的增加过多，增强Ti脱氧产物的有益作用。

Cu的析出物有提高钢的高温强度和耐大气腐蚀性能，常规添加Cu0.10％～0.40％。

Mo：Mo是钢种提高耐火性能最有效的合金元素，但Mo价格昂贵，导致耐火钢的成本较高。本发明通过合理的轧制及后续辅助工艺，在满足性能的前提下完全取消Mo元素。

Cr：Cr对提高钢的高温性能有明显作用，并且含量超过0.30％时具有耐大气腐蚀作用，并且与Mo复合作用更易于提高钢的耐火性能，也提高钢的耐盐雾腐蚀能力；过高的Cr0.60％以上无意义，只有增加合金成本，所以Cr0.49％为设计上限。

B：B是表面活性元素，容易偏聚于晶界处，对抑制先共析铁素体的形核及长大有较强作用，能抑制γ-α相变，在控制合金成本的基础上有效提高钢材强度。但B含量达到一定范围后易形成B的碳化物和氮化物，并偏聚在原奥氏体晶界，造成晶界位错密度升高，易于此处发生晶界开裂，因此，B含量上限控制在0.0020％。

本发明钢的具体生产工艺特征如下：

生产工艺流程：炼钢-精炼-连铸-钢坯加热-两阶段控制轧制-控制冷却-保温自回火-成品。

冶炼工艺：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述成分范围；根据钢水中氧含量，控制Als含量在0.007％～0.045％，加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

轧制工艺特征：轧制过程采用再结晶控轧工艺。轧前将钢坯加热到温度1150℃～1270℃范围内，控制加热时间为根据钢板厚度60秒/厘米～110秒/厘米，采用这种加热工艺既能保证钢坯温度均匀性，又能有效的溶解钢中合金元素；采用两阶段控轧，目的在于控制终轧温度，细化组织，第一阶段轧制只需要钢板表面除磷后即可开始，第一阶段终轧温度控制在不小于960℃，目的在于保证钢板回复再结晶过程具有足够的驱动力；第二阶段轧制开始温度控制在960℃～840℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于55％，终轧温度控制在720℃～880℃，这一阶段的轧制是在较高温度下进行的，这样对轧制设备的能力要求大大降低，同时也提高了生产效率；在终轧和开始冷却之间需要保留20秒～100秒的时间，目的在于为钢板提供充分的弛豫时间，让弛豫作用能够进一步促进高温转变组织发生转变，繁杂的组织造成有效晶粒尺寸更加细小；之后进行控制冷却，开始冷却温度为680℃～840℃，终冷温度为650℃～420℃，控冷至这一温度相变已经结束，形成了硬相组织，满足强度级别的需要；最后将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度需控制在600℃～300℃之间，保温时间为8～16小时，利用钢板自回火作用改善钢板板型，并使组织、性能均匀化，同时Nb等合金的析出强化可以一定程度上弥补Mo等贵重合金含量降低的强度缺失。

钢板组织及机理特征：

试验钢进入贝氏体转变区后，由于减缓了碳化物从奥氏体中析出，促使奥氏体富碳保持下来，因此得到粒状贝氏体组织，特别是B的加入提高淬透性增加一定贝氏体组织比例。钢板组织为铁素体+珠光体+一定量粒状贝氏体+MA多相组织，这种混合组织对提高钢的高温强度是有利的。这是由于相对于晶界而言，这种混合组织的相界对位错运动的阻碍作用更强。同时，在高温下，混合组织的相界对合金元素及碳的扩散具有不同的阻碍作用，有利于阻碍铁素体晶粒长大，抑制析出相的粗化，可以更有效提高钢的高温强度。

MA岛状组织作为组织中一种不易分解的高温稳定相，但在高温或长时间保温等具备MA组织分解条件下，MA会分解形成稳定的合金渗碳体依然促进和保持高温性能，减缓高温屈服强度的降低。粒状贝氏体中MA岛的数量、形状、分布、尺寸对材料的机械性能起着致关重要的作用，发生回火转变后强度的变化与残余奥氏体的数量、析出物的种类、分布密切相关。一方面，马氏体发生回火分解，硬度降低；另一方面，残余奥氏体转变为回火马氏体使硬度升高，析出相也会产生明显的回火抗力，两方面的共同作用使硬度的降低明显减缓。

通过轧制工艺过程产生的大量亚结构组织很稳定，能起到细晶粒的作用，有较高的位错密度，并具有很高的抗回火稳定性。在发生火灾时，钢中会形成各种应变诱导析出，相对位错亚结构起到钉扎作用，提高其高温稳定性。Nb、Cu、Ti等合金元素高温下M、MC和M2C等析出相大量析出，同时还能保持细小尺寸，这种沉淀强化作用有效地提高了耐火钢的高温力学性能。

上述这些高温强化机理同时作用，拖曳和减缓了高温下的强度损失，使该钢获得优异的高温性能。无Mo耐火钢在此基础上已经可以达到很好的耐火性能。

按上述技术方案生产的建筑结构用耐火钢具有以下有益效果：

(1)具有较好的耐火性能，具有在600℃保温1～3小时屈服强度下降不低于常温状态的2/3；

(2)-20℃～-40℃纵向低温韧性大于100J，可以满足寒冷地区建筑行业减震设计、施工的需求；

(3)具有良好的塑性，延伸率A％≥20％；并具有较低的屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8；

(4)热轧控冷并配合自回火即可获得良好且均匀的板型和性能；

(5)化学成分简单，除基本元素外，只适量添加B、Ti、Cu、Cr和Nb等，不含Mo元素，成本较低。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明：

根据本发明的化学成分及生产工艺，冶炼轧制本发明的钢种实际化学成分如表1，本发明钢实例的实际工艺参数如表2(轧制实验钢厚度规格为16～40mm)，本发明实物性能检验结果如表3。

表1本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％

实例编号	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Als	Cr	Cu	B
												1#	0.066	0.30	1.22	0.013	0.0035	0.031	0.029	0.0097	0.42	0.33	0.0010
2#	0.086	0.32	0.58	0.011	0.0043	0.039	0.047	0.045	0.12	0.27	0.0014
												3#	0.073	0.24	0.97	0.015	0.0038	0.024	0.012	0.0032	0.27	0.11	0.0011
4#	0.035	0.12	1.50	0.012	0.0029	0.037	0.039	0.0016	0.31	0.39	0.0019
												5#	0.047	0.35	1.15	0.015	0.0032	0.013	0.042	0.0028	0.38	0.19	0.0013
6#	0.055	0.19	1.48	0.014	0.0030	0.030	0.035	0.0039	0.29	0.28	0.0017
												7#	0.069	0.33	1.31	0.014	0.0033	0.029	0.027	0.0042	0.33	0.22	0.0018
8#	0.077	0.27	1.37	0.012	0.0028	0.031	0.032	0.00073	0.14	0.35	0.0016

表2本发明钢实例的实际工艺参数

表3本发明钢实施例的力学性能

Claims

1.一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板，其特征在于化学成分范围按重量百分比为：C0.03％～0.09％、Si0.10％～0.38％、Mn0.55％～1.50％、Nb0.011％～0.039％、Ti0.012％～0.050％、Als0.007％～0.045％、Cr0.12％～0.49％、Cu0.10％～0.40％，B0.0008％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质，钢中的杂质元素控制在P≤0.016％，S≤0.006％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0030％。

2.一种根据权利要求1所述低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板制造方法，其特征在于生产工艺流程为炼钢-精炼-连铸-钢坯加热-两阶段控制轧制-控制冷却-保温自回火-成品，其中轧前将钢坯加热到温度1150～1270℃，控制加热时间为根据钢板厚度60～110秒/厘米；采用两阶段控轧，第一阶段轧制只需要钢板表面除磷后即可开始，第一阶段终轧温度控制在不小于960℃；第二阶段轧制开始温度960～840℃，第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于55％，终轧温度720～880℃；在终轧和开始冷却之间需要保留20～100秒；之后进行控制冷却，开始冷却温度为680～840℃，终冷温度为650～420℃；最后将钢板快速堆垛缓冷保温，堆垛温度600～300℃之间，保温时间为8～16小时。