CN102952994B

CN102952994B - 耐火抗震建筑用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN102952994B
Application number: CN201110247615.0A
Authority: CN
Inventors: 温东辉; 胡晓萍; 宋凤明; 万荣春; 孙峰; 张澜庭; 崔慧然
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: CN102952994A

Abstract

本发明涉及一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.1-0.18％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质。其制造方法包括：加热温度1180℃，保温3h，开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度为860-900℃，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温。这样得到的钢具备优异的耐火性，Rp_0.2(600℃屈服强度)/Rp_0.2(室温屈服强度)≥2/3，具备低的屈强比(屈强比Rp_0.2/Rm≤0.75)，抗震性能好。

Description

耐火抗震建筑用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及建筑用钢，特别是涉及经济型耐火抗震建筑用钢极其制造方法。

背景技术

目前钢结构以其自重轻、基础造价低，施工周期短、能解决大空间的复杂问题，整体性和抗震性较好以及资源的可再生利用等优点，在高层建筑及大跨度建筑中得到广泛的应用，钢结构优势明显，也是未来建筑的发展方向。然而，常规钢结构存在致命弱点即耐火极限低——在火灾发生后的高温环境下容易软化且失去基本的承载能力，严重制约了钢结构建筑的发展。

现有技术已有介绍耐火抗震建筑用钢相关专利的，如CN1354273A公开了一种耐火抗震建筑用钢及其生产方法。该钢经冶炼、轧制、冷却后成材，不需要后续的热处理工艺，就使钢具有高强度、高韧性、优良的耐火和耐候性。但其化学成分中贵金属合金元素Mo含量(0.35-1％)、Cr含量(0.3-0.8％)和Ni(0.1-1％)均较高，而且还附加Cu、Nb、V、Ti、Al、B、RE等微量元素。贵金属合金成分含量高，合金成分较复杂，都大大提高了钢的合金化成本，从而限制了耐火抗震建筑用钢的广泛使用。

CN1970818A也公开了一种耐火抗震建筑用钢及其制造方法，其中钢是以C、Si、Mn、Mo(0.2-0.5％)、Cr(0.3-0.6％)合金元素为主，附加Cu、Nb、V、Ni、Ti、Al、B、RE微量元素。这些钢中Mo和Cr等贵金属合金元素含量可以较低，但生产过程过于复杂，在轧制成型后需采用淬火+回火热处理工艺生产。

因此，非常需要提供一种既能满足耐火抗震建筑用钢的性能要求，又能经济地生产的经济型耐火建筑用钢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐火抗震建筑用钢。该类钢板屈服强度覆盖235MPa到460MPa级别，具有优良的600℃高温性能，表现出良好的耐火性能。钢板的屈强比≤0.75％，碳当量≤0.45％，钢板具有很好的焊接性能和抗震性能。适用领域主要是钢结构建筑及其它要求耐火性能的钢结构领域。

为实现上述目的，本发明的耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.1-0.18％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.030％，V≤0.035％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质。

根据本发明，屈服强度235MPa级别耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.1-0.15％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.40％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质。

根据本发明，屈服强度345MPa级别耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为：C：0.1-0.16％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.60％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且0.015％≤Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质。

根据本发明，屈服强度420MPa级别耐火抗震建筑用钢，其化学成分为(按重量百分比)：C 0.12-0.18％，Si 0.1-0.50％，Mn 1.1-1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，N≤0.007％，Cr≤0.55％，0.10％≤Mo≤0.30％，Al≤0.04％，Ca≤0.006％以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且0.015％≤Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质。

优选地，C：0.10-0.17％，优选地，C：0.10-0.16％，优选地，C：0.10-0.15％，更优选地C：0.103-0.15％。

优选地，Si：0.10-0.45％，更优选地，Si：0.10-0.41％。

优选地，Mn：1.01-1.6％，更优选地，Mn：1.03-1.6％。

优选地，P≤0.015％。

优选地，S≤0.01％，更优选地，S≤0.005％。

优选地，Cr：0.15-0.50％。

优选地，Mo：0.05-0.26％。

优选地，Al：0.01-0.04％。

优选地，Nb：0.010-0.04％，更优选地，Nb：0.010-0.035％。

优选地，V：0.015-0.05％，更优选地，V：0.015-0.04％。

优选地，Ti：0.010-0.03％，更优选地，Ti：0.010-0.02％。

优选地，N：0.003-0.007％。

优选地，Ca：0.0010％-0.0040％。

本发明的另一个目的是提供上述耐火建筑用钢的制造方法，该方法包括：铁水脱硫，转炉冶炼，真空处理，连铸，铸坯清理，铸坯加热，控轧和精整；其中，钢锭加热温度1180±30℃，保温时间3±0.5h，开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度为860-900℃，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温。

优选地，钢锭加热温度1170-1190℃。

本发明钢具备优异的耐火性，Rp_0.2(600℃屈服强度)/Rp_0.2(室温屈服强度)≥2/3。具备低的屈强比(屈强比Rp_0.2/Rm≤0.75)，抗震性能好。由于本发明钢碳当量较低(Ceq≤0.45)，因此焊接性能优异。本发明钢力学性能涵盖Q235到Q460级别建筑结构钢。本发明钢化学成分简单，用Nb、Ti、V微合金化(Nb+V+Ti≤0.055％)，有效降低钢板的屈强比，使钢板获得良好的抗震性。同时，利用Nb、Ti、V的沉淀强化和固溶强化，显著降低贵金属元素Mo的含量(Mo≤0.3％)，提高钢板的600℃屈服强度，使钢板获得优良的耐火性能。此外，通过降低碳含量，提高钢的纯净度，从而确保该钢具有较好的低温韧性。本发明钢的生产方法容易控制，操作简单，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温。钢板轧后不需要后续热处理，生产成本低，适合规模生产。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行较为详细的说明。

为了得到经济型耐火抗震建筑用钢，按照以下方式控制成分体系：

本发明中C含量控制在0.10-0.18％。碳是钢中廉价的强化元素之一，为保证钢材在轧后空冷工艺下仍然获得需要的室温强度，碳含量下限定为0.10％。但是，碳含量过多时，将对钢材的强韧性匹配以及焊接性等产生不利影响，因而碳含量的上限定为0.18％。优选地，C：0.10-0.15％，或C：0.10-0.16％，更优选地，C：0.11-0.15％。

本发明中Si含量控制在0.10-0.50％。Si是炼钢脱氧的必要元素之一，而且Si通过固溶强化方式可以提高钢的强度，故限定Si的下限为0.10％。但Si对焊接性和韧性等有不利影响，必须限制上限值为0.50％。优选地，Si：0.10-0.45％，Si：0.12-0.45％，更优选地，Si：0.15-0.41％。

本发明中Mn含量控制在1-1.8％，Mn也是炼钢脱氧的必要元素之一，而且Mn是确保强度不可缺少的。为保证钢在空冷工艺下获得合适的强度，其下限定为1.0％。但Mn含量过高对钢的焊接性能有不利影响，并可能使中心偏析更严重，同时可能会引起钢板在水冷工艺下强度偏高，其上限限定为1.8％。优选地，Mn：1.0-1.6％，优选地，Mn：1.01-1.56，更优选地，Mn：1.03-1.55。

本发明中P含量≤0.025％、S含量≤0.015％。S和P是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶化钢的韧性，因此应尽量降低钢中的硫、磷含量。优选地，P≤0.015％。优选地，S≤0.01％，更优选地，S≤0.005％。

本发明中Cr含量控制在≤0.50％。Cr是提高淬透性的元素，能够使钢的强硬度增加。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，其上限为0.50％。优选地，Cr：0.15-0.50％。

本发明中Mo含量控制在≤0.30％。Mo是提高钢板高温强度的最有效元素，Mo含量越高，其高温强度越高。但是Mo成本较高，且引起钢可焊性降低，因而Mo含量最大控制在0.30％。优选地，Mo：0.05-0.26％，更优选地，Mo：0.05-0.20％。

本发明中Nb含量控制为≤0.050％。Nb是强碳氮化合物形成元素，通过在轧后冷却过程中析出碳氮化合物，产生细晶强化和析出强化作用来提高钢的强度。此外，Nb的析出物溶解温度较高，能够提高钢板在600℃的强度，提高耐火性能。Nb含量过高对高温性能影响不大，但可能影响钢的韧塑性，故Nb的上限定为0.050％。优选地，Nb：0.010-0.04％，更优选地，Nb：0.010-0.035％。

本发明中Ti含量控制为≤0.035％。Ti是一种强碳氮化物形成元素，其碳氮化物具有较高的熔点，对加热时奥氏体晶粒的长大有阻碍作用。而且在轧后冷却过程中的析出将提高钢的屈服强度，并对钢板的高温强度有利。Ti含量过高可能出现粗大的析出粒子，其上限定为0.035％。优选地，Ti：0.010-0.03％，更优选地，Ti：0.010-0.02％。

本发明中V含量控制为≤0.055％。V是强碳氮化合物形成元素，强化作用与Nb相似，但效果相对较小。V含量较高时明显恶化钢的低温韧性，尤其是焊接热影响区的韧性，其上限控制为0.055％。优选地，V：0.015-0.05％，更优选地，V：0.015-0.04％。

本发明中Ca含量控制为≤0.006％。Ca在钢中的主要作用是改善钢中硫化物的形态和分布，从而有利于改善钢板的低温冲击性能。优选地，Ca：0.0010％-0.0040％。

本发明中Al含量控制在≤0.040％。Al含量越低越有利于提高钢的高温强度。Al是有效脱氧元素之一，而且可形成氮化物来细化晶粒。但是增加钢中的Al含量将损害钢的韧性，同时也会降低钢的高温强度，因此而且焊接热影响取得韧性也变差。因此Al的上限限定为0.040％。优选地，Al：0.01-0.04％。

本发明中N含量控制在N≤0.007％。通常N是钢中的有害元素，N含量较高，将明显恶化钢板的低温韧性，因此N的上限定为0.007％。钢中少量的N能够有助于析出细小的氮化物，有利于改善钢板的耐火性能。优选地，N：0.003-0.007％。

通过将铁水脱硫→转炉冶炼→真空处理→连铸→铸坯清理→铸坯加热→控轧→精整，其中开轧温度控制在1180℃以上，控轧末三道累计压下率在35％以上，终轧温度在860-900℃，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温，得到本发明的上述经济型耐火抗震建筑用钢板。

实施例

具体地，按照本发明钢成分要求，在真空感应电炉冶炼了七批本发明的钢，将钢锭加热温度1180±10℃，保温时间3h，精轧开轧厚度为60mm最终厚度的三倍，终轧温度为860-900℃，终轧后空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温。实施例钢板共轧制7道次，钢板的最终厚度为20mm。

本发明实施例的化学成分如表1所示。

表1

试验例1：室温拉伸性能

按照GB/T228方法，测定实施例钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率，其结果如表2所示。

试验例2：冲击性能

按照GB/T229对实施例钢进行冲击性能试验，其结果如表2所示。

表2本发明实施例钢的室温拉伸性能

试验例2：600℃高温拉伸性能

按照GB/T4338方法，测定实施例钢的600℃高温拉伸性能(屈服强度、抗拉强度、延伸率)，其结果如表3所示。

表3本发明钢的600℃拉伸性能

编号	R_p0.2/Mpa	Rm/MPa	R_p0.2(600℃)/R_p0.2(RT)	A/％
					1	212	271	0.84	47
2	201	275	0.74	46
					3	232	288	0.69	43
4	215	282	0.74	44
					5	237	289	0.66	44
6	239	301	0.69	41
					7	241	298	0.67	41
8	252	302	0.71	38
					9	335	375	0.73	28
10	345	392	0.74	28
					11	340	383	0.69	29

12

358

412

0.70

33

RT：室温。

由表2可知，上述发明钢都有很低的屈强比，基本在0.75以下，远低于建筑行业为保证钢结构建筑的抗震性能而要求的屈强比小于0.8。其中，1-4发明钢的屈服强度可以达到Q235强度等级，5-8钢的屈服强度可以达到Q345强度等级，而9-12钢的屈服强度可以达到Q420及以上级别。此外发明发钢都有很好的延伸率(≥23％)，以及良好的0℃冲击功(≥80J)，可以满足钢结构建筑对钢板塑性和冲击韧性的要求。发明钢在600℃下有良好的高温拉伸性能，耐火性能的指标Rp0.2(600℃)/Rp0.2(室温)都大于2/3，能够达到相应级别耐火钢对高温性能的要求。

Claims

1.一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.103-0.18％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.030％，V≤0.035％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质；

所述钢通过包含如下步骤的方法制造：

加热温度1150-1210℃，保温2.5-3.5h；开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度为860-900℃，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温。

2.一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.103-0.15％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.40％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.20％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质；

所述钢通过包含如下步骤的方法制造：

加热温度1150-1210℃，保温2.5-3.5h；开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度为860-900℃，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温；

所述钢为屈服强度235MPa级别。

3.一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.103-0.16％，Si：0.1-0.50％，Mn：1-1.60％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且0.015％≤Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质，

所述钢通过包含如下步骤的方法制造：

所述钢为屈服强度345MPa级别。

4.一种耐火抗震建筑用钢，其化学特征为按重量百分比：C：0.12-0.18％，Si：0.1-0.50％，Mn：1.1-1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.55％，0.10％≤Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且0.015％≤Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质，

所述钢通过包含如下步骤的方法制造：

所述钢为屈服强度420MPa级别。

5.如权利要求1所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，C：0.103-0.17％。

6.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Si：0.10-0.45％。

7.如权利要求1-3任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Mn：1.01-1.4％。

8.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，P≤0.015％。

9.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，S≤0.01％。

10.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Cr：0.15-0.50％。

11.如权利要求1-3任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Mo：0.05-0.20％。

12.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Al：0.01-0.04％。

13.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Nb：0.010-0.03％。

14.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，V：0.015-0.035％。

15.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，某特征在于，Ti：0.010-0.03％。

16.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，N：0.003-0.007％。

17.如权利要求1-4任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Ca：0.0010％-0.0040％。

18.如权利要求1-4任一所述的耐火建筑用钢，其600℃屈服强度Rp_0.2与室温屈服强度Rp_0.2的比值≥2/3，屈强比Rp_0.2/Rm≤0.75。

19.如权利要求1-4任一所述的耐火建筑用钢，其特征在于，所述方法还包括：铁水脱硫，转炉冶炼，真空处理，连铸和铸坯清理。