CN107385324B - 一种大厚度q500gjcd高强度建筑结构用钢板及其制造方法 - Google Patents

一种大厚度q500gjcd高强度建筑结构用钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大厚度Q500GJCD高强度建筑结构用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为，C：0.12‑0.17%，Si：0.20~0.50%，Mn：1.10‑1.60%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，Cr：0.10‑0.30%，Mo：≤0.30%，Ni：0.10‑0.30%，Cu：≤0.30%，Al：0.02‑0.04%，Nb：0.020‑0.060%，Ti：0.01‑0.02%，V+Nb+Ti≤0.20%，N：≤0.006%及不可避免的杂质元素，碳当量为≤0.46%。工艺流程：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸机铸坯、坯料加热、轧机控制轧制、Acc冷却及精整。本申请建筑结构钢产品的性能均匀，综合性能良好；生产周期短、生产成本低。

Description

一种大厚度Q500GJCD高强度建筑结构用钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及特种钢冶金技术领域，尤其是一种大厚度Q500GJC/D高强度建筑结构钢板及其制造方法。
背景技术
高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程用的结构钢GJ有严格的要求，其是区别于其他用途钢种的特殊钢种存在的，建筑行业对建筑结构钢的分类也格外具体和分明，不同的牌号有不同的用途。
2016年11月实施的《建筑结构用钢板》（GB/T 19879-2015），比GB/T 19879-2005版新增加了多个高强度牌号如Q500GJ、Q550GJ等。这说明我国近年来的高层建筑用钢板应用越来越多，在未来不远的高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程方面，仅有高强度如420MPa、460MPa级的建筑用钢板，已不能满足建筑行业发展要求。该标准的出台将有助于促进企业研发高于Q460GJ以上牌号的建筑结构用钢板。
现有技术中，相关强度的Q500钢板目前只能在机械设备钢中才有，但是机械设备用钢又远达不到建筑行业的使用要求，如屈强比、冲击功，抗震能力都得不到保证。
公告号CN103556075B的发明 “一种调质高强度Q500D特厚钢板生产方法”是采用300mm连铸坯生产100-120mm特厚板，用铸坯轧制+调质热处理。钢板应用于矿山、港口大型设备的生产，生产成本高，生产周期长，且交货状态为QT，限制了客户的使用。公告号CN103556074B的发明 “一种调质高强度Q500E 特厚钢板的生产方法”是采用铸坯轧制+调质热处理的生产工艺，生产Q500E特厚钢板，属于矿山、港口大型设备用钢，生产成本高，生产周期长，且交货状态为QT，限制了客户的使用。
GB/T 19879-2015的标准针对建筑结构用钢要求，开发高强度、低屈强比、低温韧性优异的Q500GJ系列中的新产品，简化生产工艺，缩短生产周期，降低生产成本是本领域技术人员的研发重点。
发明内容
本发明采用150mm-370mm连铸坯生产12-40mm厚度、交货状态为TMCP（控轧控冷）的建筑用结构钢Q500GJC、Q500GJD，钢板的厚度满足GB/T 19879-2015分别规定的：最小、最大厚度规格，其综合性能在完全满足GB/T 19879-2015和高层建筑用钢板的使用要求的基础上，产品的屈服强度、抗拉强度的波动范围小，屈强比达到≤0.83，更优选是在0.75～0.8，其产品的性能均匀、稳定；生产周期短、生产成本低。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大厚度Q500GJCD高强度建筑结构用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为，C：0.12-0.17%，Si：0.20~0.50%，Mn：1.10-1.60%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，Cr：0.10-0.30%，Mo：≤0.30%，Ni：0.10-0.30%，Cu：≤0.30%，Al：0.02-0.04%，Nb：0.020-0.060%，Ti：0.01-0.02%，V+ Nb+Ti≤0.20%，N：≤0.006%及不可避免的杂质元素，碳当量为0.36-0.46%。
上述钢板的厚度为12-40mm（12 mm 、40 mm是GB/T 19879-2015分别规定的最小、最大厚度规格），交货状态为TMCP的Q500GJC、Q500GJD建筑结构用钢板，屈服强度530-570MPa，抗拉强度660～710MPa，伸长率≥18%；屈强比≤0.83（而标准是≤0.85），-20℃V型冲击功≥70J（标准是≥47J）。其综合性能完全能满足高层建筑用钢板的客户要求。
本发明设计的冶炼成分各元素的主要作用:
C:C元素在Fe中形成间隙固溶体的溶质元素，其固溶强化效果大于其它元素在Fe中形成置换式固溶体的溶质元素。C在钢的组织中以渗碳体或珠光体形式存在时能产生很大的相变强化，提高了强度；但却降低了韧性；故本发明控制C含量为0.12-0.17%。
Mn: Mn元素在Fe中形成置换式固溶体的溶质元素；Mn主要通过“固溶的Mn具有较强的固溶强化效果、扩大铁的奥氏体区域、Mn含量增加对钢的韧性有显著影响”等多种机制。因此，本发明的设计思路始终围绕在细化晶粒上，将Mn含量控制为1.10-1.60%。
S：在微低合金钢中， S的含量提高将使钢的塑性、韧性下降；因此，优选S含量尽可能低，过低导致生产成本高涨。为此，优选为S为0.002-0.005%。
Nb: Nb能在低合金钢加热时阻止晶粒长大；在轧制过程中通过应变诱导，析出Nb的碳化物沉淀在晶界和位错上，阻止奥氏体形变再结晶，达到细化晶粒；有沉淀强化作用；能改善钢的显微组织，提高性能。
V：V除了具备Nb元素特性外，Nb-V复合加入时，其强度比单独加Nb的高。还可使奥氏体晶粒进一步细化，使冷却后的铁素体晶粒更细小，有利于韧性的改善。
Ti:它是强化固N元素。在复合低微合金钢中，N将优先与Ti形成TiN。TiN阻止加热时奥氏体晶粒粗化的作用比Nb（CN）大；利用高温析出的TiN和VN阻止奥氏体再结晶晶粒粗化。
Si: Si在钢中不形成碳化物。但它在铁中的固溶度较大，能显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn。但Si较高时，强度增加，但韧性下降。故控制其适当含量范围内。
Cr:它是中等碳化物形成元素。溶入铁素体中的Cr，产生固溶强化，具有较强的淬透性，提高钢的强度。但加入过量，会降低材料的韧性同时也降低材料的焊接性能。因此，其含量控制为0.10-0.30%
Ni: Ni是非碳化物形成元素。它降低共析点的含C量，增加珠光体的体积分数，有利于提高强度；同时有利于降低材料的脆性转变温度，提高材料的冲击性能。但Ni不利于生产成本; 因此，本发明Ni含量控制为0.10-0.30%。
碳在钢的组织中以渗碳体或珠光体形式存在时能产生很大的相变强化，提高了强度，尤其是对抗拉强度贡献更显著，有利于本发明产品的屈强比；但对产品的韧性不利。因此，化学成分设计时，既要考虑产品碳当量限制性，又要顾及其产品的综合性能要求；所以，碳元素含量不宜加入过高。强度缺失的部分，或屈强比偏高的部分，可通过加入适量的微合金元素如铌、钒、铝、镍等，和选择合适的轧制工艺；将化学成分和控制工艺结合起来能起到沉淀强化、固溶强化、细化晶粒、改善钢的内在组织，降低材料的脆性转变温度；又能提高力学性能。达到有利于屈强比低、冲击韧性好的目标。
本申请大厚度Q500GJC、Q500GJD高强度建筑结构用钢板的制造方法，工艺流程：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸机铸坯、坯料加热、轧机控制轧制、Acc冷却及精整。
（1）采用宽厚板连铸机生产150mm～370mm坯料，其连铸工艺主要参数：过热度为10～45℃，铸机拉速0.5～1.3m/min；使用动态二冷工艺，水比量为0.5～1.0L/kg；凝固未端采用动态轻压下、电磁搅拌；坯料长度按合同订单钢板尺寸的组坯规则，将坯料定尺；坯料下线堆缓冷24小时以上；将精整合格的坯料按生产计划发送轧钢车间。
（2）坯料加热：加热炉的预热段温度：600-900℃、加热一段温度：1000-1180℃、加热二段温度：1200-1240℃、均热段温度：1160-1220℃；加热总时间≥10×H分钟，H为坯料厚度，单位：cm；为确保坯料的加热均匀，坯料在炉内各段应匀速步进。
（3）坯料出炉后，采用粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮；粗除鳞包括精除鳞的水压≥20MPa。
（4）轧制分二阶段：粗轧和精轧，
粗轧的控制轧制：粗轧又包括奥氏体再结晶区控轧和奥氏体未再结晶区控轧，粗轧开轧温度≥980℃，奥氏体再结晶区控轧中，奥氏体再结晶区随着道次变形量的加大，使奥氏体再结晶后的晶粒细化；为避免特大晶粒出现，则在高温区应保证道次压下量达到一定量，至少有2道次在轧机能力允许下，采用大压下量，其压下量≥38mm或压下率≥15％；奥氏体未再结晶区控轧中：采用打压下量，总压下率≥40％，将钢板轧至待温厚度，待温厚度≥50mm，塑性变形使奥氏体晶粒拉长，在晶粒内形成变形带和Nb、V、Ti等微合金元素的碳氮化物的应变锈发沉淀，变形奥氏体晶界是奥氏体向铁素体转变时铁素体优先形核部位；从而得到晶粒细化的铁素体，强度提高，脆性转变温度下降（即韧性提高）。
精轧的控制轧制：带温后进入奥氏体和铁素体二相区轧制，开轧温度820-900℃，在这二相区进行一定道次的压下，在这一温度范围内变形使奥氏体晶粒继续拉长，在其晶粒内部形成变形新的滑移带；并在这些部位形成新的铁素体晶核，而先析出铁素体。经变形后，使铁素体晶粒内部形成大量位错，并由这些位错在高温形成亚结构（铁素体亚晶）。亚结构使强度提高，脆性转变温度降低。为确保成品钢板的综合性能，应细化其晶粒；为此，最后三道累计压下率≥28％，终轧温度≥780℃，优选780-830℃。
（5）为确保控制轧制后的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，达到提高强度、不损害韧性的目的，轧制完成后送Acc冷却装备中水冷却，冷却速率5～18℃/s；终冷温度580-730℃，此时金相组织的晶粒度达8.0级(含)以上；然后直送热矫机矫平，轧件热矫温度≥500℃；之后送冷床自然冷却；冷却至300-400℃则下线堆缓冷，堆缓冷≥300℃，时间≥24小时。
（6）探伤检验、表观质量检验、理化性能检验、剪切或切割、入库。
通常坯料加热温度高于1200℃，在炉的保温时间达到工艺要求时出炉轧制。在高温区不间断地轧制到成品厚度，因此终轧温度偏高，多在950℃以上（特别是成品厚度规格在20mm以上的钢板）。轧后采用空冷，铁素体和珠光体组织粗大，性能偏低、韧性较差。
为获得高强度、高韧性的钢板综合性能，本申请采用控轧和控冷(TMCP)工艺。控轧工艺又分为：奥氏体再结晶区控轧、奥氏体未再结晶区控轧、铁素体和珠光体（A+F）二相区控轧，实现强度和韧性的双提高。尤其地，在未再结晶区轧制可能得到均匀细小的铁素体晶粒，也有可能得到粗细不均的混晶铁素体晶粒。为避免此种不利因素，在总变形量一定时，在轧机能力许可条件下，道次压下率越大，变形带越容易产生，且在整体组织中更容易均匀。因此，为保证获得细小均匀的铁素钵晶粒，需要在未再结晶区采用打压下量，总压下率≥40％较理想。
2016年11月实施的GB/T 19879-2015《建筑结构用钢板》，比GB/T 19879-2005版新增加了多个高强度牌号如Q500GJ、Q550GJ等，当前市场上还没有出现 Q500GJC、Q500GJD建筑用钢板产品。
本发明能满足高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程需求460 MPa级以上的高强度建筑用钢板；且生产成本低，制造周期短。
本发明采用150mm- 370mm厚连铸坯料，生产厚度12-40 mm交货状态为TMCP的Q500GJC、Q500GJD钢板，产品的性能均匀，综合性能良好；生产周期短、生产成本低。
附图说明
图1为本发明实施例1的钢板金相组织图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
采用经过脱硫的铁水和优质废钢作为原料，转炉底（顶）吹冶炼，全程吹氩，LF炉脱氧、脱硫、去除夹质、调整成分及温度的精炼和RH炉脱气工序；最终得到钢水的重量百分比为以Fe为基础元素并包含如下元素成分：C：0.12-0.17%，Si：0.20~0.50%，Mn：1.10-1.60%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，Cr：0.10-0.30%，Mo：≤0.30%，Ni：0.10-0.30%，Cu：≤0.30%，Al：0.02~0.04%， Nb：0.020-0.060%，Ti：0.01-0.02%，V+ Nb+Ti≤0.20%，N：≤0.006%及不可避免的杂质元素；碳当量≤0.46%的Q500GJC、Q500GJD。
经宽厚板连铸机恒温、恒速及合理的二冷工艺、凝固未端动态轻压下、电磁搅拌生产出150mm-370mm的连铸坯料。按合同订单钢板尺寸的组坯规则，将坯料定尺；坯料下线堆缓冷24小时以上。将精整合格的坯料按生产计划发送轧钢生产。加热工艺：加热炉的预热段温度：600-900℃、加热一段温度：1000-1180℃、加热二段温度：1200-1240℃、均热段温度：1160-1220℃；加热总时间≥10×H分钟（H为坯料厚度，单位：cm）。为确保坯料的加热均匀，坯料在炉内各段应匀速步进。坯料出炉后采用粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮；粗除鳞、精除鳞水压≥20MPa。
获得高强度、高韧性的钢板综合性能，应采用控轧和控冷(TMCP)工艺
轧制分二阶段：粗轧控制轧制和精轧控制轧制。
粗轧的控制轧制：开轧温度≥980℃，包括奥氏体再结晶区控轧和奥氏体未再结晶区控轧，奥氏体再结晶区控轧道次中至少有2道次在轧机能力允许下，采用大压下量，压下量≥38mm或压下率≥15％；奥氏体未再结晶区控轧的总压下率控制在≥40％，轧至待温厚度，待温厚度不低于50mm。精轧的控制轧制：即铁素体和珠光体（A+F）二相区控轧，待温后开轧温度820-900℃，终轧温度为780-830℃；精轧后三道累计压下率≥28％。
轧制完成后送Acc冷却装备中开水冷却，冷却速率5～18℃/s；终冷温度580-730℃；然后直送热矫机矫平，轧件热矫温度≥500℃；之后送冷床自然冷却；冷却至300-400℃则下线堆缓冷，堆缓冷≥300℃，其时间≥24小时。再探伤检验、表观质量检验、理化性能检验、剪切或切割、入库。
实例1：本发明设计冶炼化学成分提供的Q500GJC、Q500GJD厚370mm连铸坯料，生产轧制40mm厚度钢板实例。用连铸坯370×2300×3200mm，轧制成品板40×2500×L（长度）mm。坯料冷装入加热炉，加热炉的预热段温度：750-900℃、加热一段温度：1000-1150℃、加热二段温度：1210-1230℃、均热段温度：1200-1220℃；加热总时间375分钟。经粗轧轧制，待温厚度88mm；待温后精轧机开轧温度820℃，经精轧机轧制，终轧温度815℃；轧制完成后轧件直送入Acc装备中浇水即加速冷却，冷却速率12-13℃/s，终冷温度590℃；再经热矫机矫平；之后送冷床自然冷却，冷却至330℃时下线堆缓冷；经27小时堆缓冷后吊板取样、理化检验及质量检验。理化性能检验结果见表1、金相组织（铁素体+珠光体，晶粒度8.0级以上）如图1。
实例2：本发明设计冶炼化学成分提供的Q500GJC、Q500GJD厚150mm连铸坯料，生产轧制12mm厚度钢板实例。用连铸坯150×2500×3300mm，轧制成品板12×2800×L（长度）mm。坯料冷装入加热炉，加热工艺同实例1。经粗轧轧制，待温厚度50mm，待温后精轧机开轧温度900℃，再经精轧轧制，终轧温度≥796℃；轧制完成后轧件直送入Acc装备中浇水即加速冷却，冷却速率6-7℃/s，终冷温度690-710℃；再经热矫机矫平；之后送冷床自然冷却，冷却至320℃时下线堆缓冷；经24小时堆缓冷后取样、理化检验及质量检验。理化性能检验结果见表1。
性能检验结果表
表1
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大厚度Q500GJCD高强度建筑结构用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为，C：0.12-0.17％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.10-1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：0.10-0.30％，Mo：≤0.30％，Ni：0.10-0.30％，Cu：≤0.30％，Al：0.02-0.04％，Nb：0.020-0.060％，Ti：0.01-0.02％，V+Nb+Ti≤0.20％，N：≤0.006％及不可避免的杂质元素，碳当量为0.36-0.46％；
该钢板的生产工艺流程：铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、RH炉精炼、连铸机铸坯、坯料加热、轧机控制轧制、Acc冷却及精整，
(1)采用宽厚板连铸机生产150mm～370mm坯料，其连铸工艺主要参数：过热度为10～45℃，铸机拉速0.5～1.3m/min；使用动态二冷工艺，水比量为0.5～1.0L/kg；凝固未端采用动态轻压下、电磁搅拌；坯料长度按合同订单钢板尺寸的组坯规则，将坯料定尺；坯料下线堆缓冷24小时以上；将精整合格的坯料按生产计划发送轧钢车间；
(2)坯料加热：加热炉的预热段温度：600-900℃、加热一段温度：1000-1180℃、加热二段温度：1200-1240℃、均热段温度：1160-1220℃；加热总时间≥10×H分钟，H为坯料厚度，单位：cm；为确保坯料的加热均匀，坯料在炉内各段应匀速步进；
(3)坯料出炉后，采用粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮；粗除鳞包括精除鳞的水压≥20MPa；
(4)轧制分二阶段：粗轧和精轧，
粗轧的控制轧制：粗轧又包括奥氏体再结晶区控轧和奥氏体未再结晶区控轧，粗轧开轧温度≥980℃，奥氏体再结晶区控轧中至少有2道次在轧机能力允许下，采用大压下量，其压下量≥38mm或压下率≥15％，奥氏体未再结晶区控轧：采用打压下量，总压下率≥40％，塑性变形使奥氏体晶粒拉长，在晶粒内形成变形带和Nb、V、Ti等微合金元素的碳氮化物的应变锈发沉淀，将钢板轧至待温厚度，待温厚度≥50mm；
精轧的控制轧制：带温后进入奥氏体和铁素体二相区轧制，开轧温度820-900℃，最后三道累计压下率≥28％，终轧温度≥780℃；
(5)为确保控制轧制后的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，达到提高强度，不损害韧性轧制完成后送Acc冷却装备中水冷却，冷却速率5～18℃/s；终冷温度580-730℃，此时金相组织的晶粒度达8.0级(含)以上；然后直送热矫机矫平，轧件热矫温度≥500℃；之后送冷床自然冷却；冷却至300-400℃则下线堆缓冷，堆缓冷≥300℃，时间≥24小时；
(6)探伤检验、表观质量检验、理化性能检验、剪切或切割、入库。
2.根据权利要求1所述的大厚度Q500GJCD高强度建筑结构用钢板，其特征在于：钢板厚度12-40mm，交货状态为TMCP，屈服强度530-570MPa，抗拉强度660～710MPa，伸长率≥18％；屈强比≤0.83，-20℃V型冲击功≥70J。
3.根据权利要求1所述的大厚度Q500GJCD高强度建筑结构用钢板，其特征在于：所述精轧的终轧温度为780-830℃。
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