CN111172465A - 一种低碳当量大厚度q390gj建筑结构用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板及其制造方法，所述钢板的化学成分及重量百分比为C：0.10％～0.139％、Si：0.20％～0.39％、Mn：1.30％～1.44％、P≤0.010％、S≤0.003％、Nb：0.020％～0.039％、Ti：0.006％～0.016％、Al:0.01％～0.04％，Ceq：0.32～0.38，余量为铁和不可避免的杂质；钢板的微观金相组织以细小的多边形铁素体+珠光体组织为主，其中，多边形铁素体的体积百分比在25％～40％，钢板的最大厚度为120mm，屈服强度≥390MPa，抗拉强度550MPa，断后伸长率≥28％，屈强比≤0.77，厚度方向Z向性能≥60％，‑40℃冲击功≥200J。按照本发明所述化学成分及生产工艺要求生产的产品钢板具有大厚度、高强韧性、高塑性、低屈强比、优异的焊接性能以及抗层状撕裂性能。

Description

一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板及其制造方法。

背景技术

随着建筑工程装备制造技术的不断发展，绿色建筑钢结构需求日益增加，超高层、大跨度建筑结构的建设越来越多，为了保证高层建筑整体安全的需要，具有高强度、高低温韧性、良好焊接性能及大厚度尺寸的建筑用钢板需求旺盛。按照常规生产方法制造高强韧性及大厚度钢板，必然需要大厚度断面的板坯为轧制条件，其碳当量较高，另外还需要对轧制后的钢板进行正火、调质等热处理，这必然增加生产成本和降低生产效率。

目前，国内外对建筑用钢板已经有了一些研究：

公开号为CN101987330A的中国专利申请公开了“一种超厚抗层状撕裂钢板制造方法”，包括冶炼、铸锭、锻造、轧制、热处理，用于生产厚度为130～400mm的抗层状撕裂钢板。其在铸锭工序之间设置有锻造工序，将钢锭锻造成钢板坯料并进行锻后热处理。所述锻造工序始锻温度为1225～1250℃，终锻温度为850～900℃，压缩比不小于3。其不足之外在于：浇注采用模铸，并进行锻造，比当前成熟的板坯连铸方式成本高、效率低。

公告号为CN102876970B的中国专利公开了一种“屈服强度≥390MPa高层建筑用钢及生产方法”，钢的成分质量百分比为：C 0.14～0.18、Si 0.3～0.5、0.6、Mn 1.45～ 1.6、Nb 0.035～0.050、V0.045～0.065、Ti 0.007～0.017、，Al 0.015～0.050、 Ca0.001～0.005、P＜0.025、S＜0.005、其余为Fe和不可避免杂质。其采用铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH处理、连铸、加热、轧制、层流冷却、正火、少量喷水冷却的方法生产出屈服强度370-490MPa，抗拉强度≥490MPa，屈强比≤0.77，-20℃低温冲击功≥100J，断面收缩率≥35％的建筑用厚钢板。其不足之处在于：钢板设计成分含量较高，碳当量超过国家标准GB/T19879-2015中规定的TMCP交货态产品的上限，不符合新国家标准要求。

公告号为CN101676427B的中国专利公开了“一种高强度低屈强比钢板”，所述钢板的化学成分包括：C0.15～0.20％，Si1.0～2.0％，Mn1.8～2.0％，Al≤0.036％，V0.05～0.1％， P≤0.01％，S≤0.005％，Cr0.8～1.0％，余量为Fe和其它不可避免的杂质。其通过传统的 TMCP轧制工艺获得一种具有高强度和低屈强比的热轧钢板，强度达1200～1500MPa，同时具有较好的低温冲击韧性。其不足之处在于：钢板设计成分含量较高，碳当量达到0.65 以上，对钢板的焊接性能有不利的影响。

公告号为CN101613828B的中国专利公开了一种“屈服强度460MPa级低屈强比建筑用特厚钢板及制造方法”，钢板成分重量百分比为：C0.14～0.18％，Si0.35～0.45％，Mn1.40～1.50％，Nb0.025～0.035％，V0.040～0.050％，Ti0.010～0.020％，P＜0.020％，S＜0.008％，其余为Fe；其轧制工艺为：加热温度1220～1250℃，采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制。热处理工艺：钢板加热到两相区800～850℃，保温时间10～20℃，保温后采用水冷淬火，控制终冷温度≤100℃；淬火后的钢板进行450～ 600℃回火处理，最终得到低屈强比高强度建筑用钢板。其不足之处在于：钢板热处理采用淬火+回火，工艺较为复杂，生产周期较长。

文献“120mm大厚度Q390GJC-Z35高层建筑用钢的研制”(《轧钢》2011年10月第28卷第5期，朱书成著)，针对大厚度高层建筑用钢生产难度大、产量少等问题，通过优化成分、轧制及热处理工艺，试制了120mm大厚度Q390GJC-Z35高层建筑用钢板；钢板的化学成分为C：0.15～0.18％，Si：0.3～0.45％，Mn：1.45～1.55％，P≤0.015％， S≤0.003％，Nb+V+Ti≤0.22，Als：0.03～0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。其采用铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、VD处理、模铸、加热、控制轧制控制冷却、正火、喷水冷却的方法生产出Q390GJC建筑用厚钢板。该文献涉及到的钢板生产工艺为模铸，轧制后需要正火处理，且碳当量较高。

综上所述，现有业内对390MPa级低碳当量大厚度建筑结构用钢的研究尚有不足。

发明内容

本发明提供了一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板及其制造方法，按照本发明所述化学成分及生产工艺要求生产的产品钢板具有大厚度(最厚可达120mm)、高强韧性、高塑性、低屈强比、优异的焊接性能以及抗层状撕裂性能。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板，所述钢板的化学成分及重量百分比为 C：0.10％～0.139％、Si：0.20％～0.39％、Mn：1.30％～1.44％、P≤0.010％、S≤0.003％、Nb：0.020％～0.039％、Ti：0.006％～0.016％、Al:0.01％～0.04％，Ceq：0.32～0.38，余量为铁和不可避免的杂质；

所述钢板的微观金相组织以细小的多边形铁素体+珠光体组织为主，其中，多边形铁素体的体积百分比在25％～40％，晶粒度为9级以上，多边形铁素体的晶粒平均尺寸小于20μm；

所述钢板的最大厚度为120mm，屈服强度≥390MPa，抗拉强度550MPa，断后伸长率≥ 28％，屈强比≤0.77，厚度方向Z向性能≥60％，-40℃冲击功≥200J。

一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却及矫直过程；

1)连铸过程中，连铸坯浇注过热度为10～25℃，连铸坯厚度与成品钢板厚度之比为 2.5～5；连铸坯加热段温度为1201～1249℃，均热段温度为1195～1220℃，均热段加热时间不少于65min；

2)轧制过程中，粗轧开轧温度为1070～1095℃，粗轧终轧温度为1010～1045℃，粗轧阶段至少最后2个道次的每道次变形率大于15％，且道次间隔不超过15s，累计压下率≥50％；中间待温坯厚度为1.25t～2.5t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度为820～849℃，精轧终轧温度为750～779℃，精轧阶段单道次变形率不低于10％；

3)冷却过程中，轧制完成后钢板待温，开始水冷冷却温度为690～720℃，返红温度为450～570℃，冷却速度为12～20℃/s；随后，进行热矫直和空冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明所述钢板的化学成分设计中，通过低C和低Mn设计改善材料韧性，利用Nb、Ti元素抑制奥氏体晶粒长大，并在奥氏体转变过程中的促进形核作用来细化晶粒，控制钢板厚度心部组织，提高组织均匀性；配以相应的生产工艺，解决了建筑用钢高强度、低屈强比及低温韧性等技术指标的匹配难题；

2)本发明所述钢板中的Ceq仅为0.32～0.38，钢板焊接性能优异，可提高构件加工效率；

3)本发明所述钢板中无贵重合金元素，降低了合金成本，并进一步提高钢板的塑韧性；

4)本发明通过冶炼、连铸工艺实现低磷低碳控制，改善了铸坯质量，从而提高了最终产品性能；

5)本发明采用TMCP工艺，获得了适当比例且稳定的铁素体和珠光体组成的复相组织；适当控制二者的含量配比可以使钢板的强度和塑韧性达到最佳配合，实现提高强度并降低屈强比的目的，从而得到良好的抗震性能；

6)本发明所述钢板采用TMCP工艺制造，不需要后续热处理，工序简单，可进一步提高生产效率；

7)本发明所述低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板最大厚度为120mm，屈服强度≥390MPa，抗拉强度550MPa，断后伸长率≥28％，屈强比≤0.77，厚度方向Z向性能≥60％， -40℃冲击功≥200J，满足低温条件下超高层、大厚度建筑结构用钢需求。

附图说明

图1是本发明所述一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板的金相组织照片。

具体实施方式

本发明所述一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板，所述钢板的化学成分及重量百分比为C：0.10％～0.139％、Si：0.20％～0.39％、Mn：1.30％～1.44％、P≤0.010％、S ≤0.003％、Nb：0.020％～0.039％、Ti：0.006％～0.016％、Al:0.01％～0.04％，Ceq：0.32～ 0.38，余量为铁和不可避免的杂质；

所述钢板的微观金相组织以细小的多边形铁素体+珠光体组织为主，其中，多边形铁素体的体积百分比在25％～40％，晶粒度为9级以上，多边形铁素体的晶粒平均尺寸小于20μm；

所述钢板的最大厚度为120mm，屈服强度≥390MPa，抗拉强度550MPa，断后伸长率≥ 28％，屈强比≤0.77，厚度方向Z向性能≥60％，-40℃冲击功≥200J。

一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却及矫直过程；

1)连铸过程中，连铸坯浇注过热度为10～25℃，连铸坯厚度与成品钢板厚度之比为 2.5～5；连铸坯加热段温度为1201～1249℃，均热段温度为1195～1220℃，均热段加热时间不少于65min；

2)轧制过程中，粗轧开轧温度为1070～1095℃，粗轧终轧温度为1010～1045℃，粗轧阶段至少最后2个道次的每道次变形率大于15％，且道次间隔不超过15s，累计压下率≥50％；中间待温坯厚度为1.25t～2.5t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度为820～849℃，精轧终轧温度为750～779℃，精轧阶段单道次变形率不低于10％；

3)冷却过程中，轧制完成后钢板待温，开始水冷冷却温度为690～720℃，返红温度为450～570℃，冷却速度为12～20℃/s；随后，进行热矫直和空冷。

本发明所述一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板的化学成分设计原理如下：

C可以通过间隙固溶发挥强化作用，还可以与Nb等合金元素作用形成细小的碳化物析出，并在轧制变形或奥氏体相变之前析出，从而起到阻碍晶粒长大、提高形核率、细化组织的作用；同时，C还可以阻碍位错移动，有效提高抗拉强度，降低屈强比。所以本发明所述钢板中C含量不宜过低；但是，C的增加对韧性不利，特别是对低温韧性影响较大；而且，C的增加会增加钢的碳当量，恶化钢板的焊接性能。所以，C含量也不能过高；因此，本发明将C含量控制在0.10％～0.139％。

Si是钢中脱氧元素之一，同时Si具有较强的固溶强化作用，可以净化铁素体，减小珠光体的含量，有利于减少基体材料的包辛格效应，降低钢板的屈强比。但过量的Si会降低母材焊接热影响区的韧性，恶化钢的韧性及焊接性能。因此本发明中将Si含量控制在0.20％～0.39％。

Mn通过固溶强化提高钢的强度，降低奥氏体相变温度，抑制钢板加速冷却前的相变晶粒长大，从而发挥细化晶粒作用，提高钢板强度；但是，Mn含量过高会抑制铁素体转变，影响钢的屈服强度，不利于降低屈强比；另外过高的Mn含量会诱发偏析，恶化钢板组织均匀性和层状撕裂性能，且不利于焊接，因此，本发明将Mn含量控制在1.30％～1.44％。

P、S为有害杂质元素，含量越低越好；其中，过高的P会导致组织偏析，对低温韧性有明显的不利影响，本发明控制P≤0.010％；S含量增加会促进夹杂物的生成和长大，恶化低温性能和厚度方向性能，因此本发明控制S≤0.003％。

Nb在本发明中的有益作用包括(1)固溶强化；(2)在轧制过程中和加速冷却前析出，钉扎晶界，促进形核，有效细化晶粒，从而提高强度和改善韧性；(3)降低奥氏体相变温度，能够细化晶粒。但是，Nb含量过高会恶化焊缝和热影响区韧性，还会增加成本；因此，本发明将Nb含量控制在0.02％～0.039％。

Ti可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，也可以改善焊后热影响区韧性；在焊接过程中，TiN粒子能够阻止热影响粗晶区晶粒长大，提高焊接接头低温韧性。另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，有利于提高强度。但过多的Ti会降低钢的韧性；因此，本发明将Ti含量控制在0.006％～0.016％。

Al是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用，提高低温冲击韧性，降低钢的脆性转变温度。如果形成AlN还有细化组织的作用。但是，当Al的含量超过0.040％，过量的氧化铝夹杂会降低钢的洁净度。Al含量过低则脱氧不充分，Ti等易氧化元素就会形成氧化物；因此，本发明将Al含量控制0.01％～0.04％。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板的化学成分见表1；相应的冶炼连铸及板坯加热工艺参数见表2；相应的粗轧工艺参数见表3；相应的精轧工艺参数见表4；相应的冷却工艺参数见表5；最终生产的成品钢板的性能和微观组织比例见表 6。

表1 钢板的化学成分wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Al	Ceq
										1	0.101	0.20	1.30	0.010	0.003	0.021	0.006	0.015	0.32
2	0.114	0.22	1.33	0.009	0.002	0.023	0.008	0.023	0.34
										3	0.135	0.36	1.44	0.008	0.003	0.036	0.015	0.033	0.38
4	0.125	0.30	1.41	0.010	0.001	0.039	0.013	0.037	0.36
										5	0.128	0.38	1.38	0.009	0.002	0.029	0.010	0.019	0.36
6	0.134	0.24	1.40	0.008	0.003	0.030	0.014	0.028	0.37
										7	0.138	0.32	1.43	0.010	0.002	0.034	0.015	0.034	0.38
8	0.116	0.25	1.32	0.008	0.003	0.025	0.011	0.025	0.34

表2 连铸及铸坯加热工艺参数

表3 粗轧工艺参数

表4 精轧工艺参数

表5 冷却工艺参数

表6 成品钢板性能和微观组织比例

表6中，Rel表示屈服强度；Rm表示抗拉强度；A表示断后伸长率；Zz表示厚度方向 Z向性能；-40℃KV2/J表示-40℃冲击功。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分及重量百分比为C：0.10％～0.139％、Si：0.20％～0.39％、Mn：1.30％～1.44％、P≤0.010％、S≤0.003％、Nb：0.020％～0.039％、Ti：0.006％～0.016％、Al:0.01％～0.04％，Ceq：0.32～0.38，余量为铁和不可避免的杂质；

所述钢板的微观金相组织以细小的多边形铁素体+珠光体组织为主，其中，多边形铁素体的体积百分比在25％～40％，晶粒度为9级以上，多边形铁素体的晶粒平均尺寸小于20μm；

所述钢板的最大厚度为120mm，屈服强度≥390MPa，抗拉强度550MPa，断后伸长率≥28％，屈强比≤0.77，厚度方向Z向性能≥60％，-40℃冲击功≥200J。

2.一种如权利要求1所述低碳当量大厚度Q390GJ建筑结构用钢板的制造方法，包括铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制、冷却及矫直过程；其特征在于:

1)连铸过程中，连铸坯浇注过热度为10～25℃，连铸坯厚度与成品钢板厚度之比为2.5～5；连铸坯加热段温度为1201～1249℃，均热段温度为1195～1220℃，均热段加热时间不少于65min；

2)轧制过程中，粗轧开轧温度为1070～1095℃，粗轧终轧温度为1010～1045℃，粗轧阶段至少最后2个道次的每道次变形率大于15％，且道次间隔不超过15s，累计压下率≥50％；中间待温坯厚度为1.25t～2.5t，t为成品钢板厚度；精轧开轧温度为820～849℃，精轧终轧温度为750～779℃，精轧阶段单道次变形率不低于10％；

3)冷却过程中，轧制完成后钢板待温，开始水冷冷却温度为690～720℃，返红温度为450～570℃，冷却速度为12～20℃/s；随后，进行热矫直和空冷。

Images