CN1132958C - 高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。本发明钢含有C、Si、Mn、P、S、Mo、Ti、Al、N、O、Cr、Ni、Cu、Ca、B，此外还含有Nb、V、RE中的一种或一种以上，余量为Fe。本发明的钢经冶炼、轧制和热处理，使钢具有高强度、高韧性和优良的耐火、耐候性。本发明的钢以非调质状态交货，生产工艺简单，钢材成本低，在各冶金企业均可实施。本发明为建筑、土木及海洋结构等领域提供的厚度为4～100mm的钢制作的各种结构件，在气电焊、电渣焊、高频电阻焊等大线能量(50～100kJ/cm)焊接条件下其热影响区(HAZ)仍具有优良的韧性，大大提高了工程结构的焊接效率，降低制造成本。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。
背景技术
在本发明前，有如1993年公开的特开平5-279735专利“大线能量焊接热影响区韧性优良的建筑用耐火钢板的生产方法”，该专利所涉及的钢能承受大线能量焊接，能满足耐火的要求，其不足之处在于对耐候性能没有提出要求。另外，按照该专利的要求，仅能生产出厚度在50mm以上的钢板，而没有涉及厚度为50mm以下的钢板。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，能克服已有技术之不足，本发明为建筑、土木及海洋结构等领域提供的厚度为4～100mm的钢板，制作的各种结构件具有优良的耐火、耐候性能，且在大线能量焊接时热影响区仍具有优良的韧性，本发明提出的生产方法简单，钢材成本较低。
为达到上述目的，本发明设计了一种高性能耐火耐候建筑用钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分数计为：C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P 0.074～0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni 0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％。
本发明钢的化学成分的限定理由如下：
C对本发明钢的高温强度来说是极为重要的元素，添加0.01％以上，才能有效提高高温强度，但是C含量过多，在大线能量焊接热影响区，就不能生成针状铁素体(AF)，所以，以0.15％作为C含量的上限。
Si是为了对钢进行脱氧而添加的元素，Si含量多了会导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，因而将其上限规定为0.55％。
Mn在确保钢的强度和韧性方面是不可缺少的元素，其下限为0.50％；但是Mn含量过多，淬透性就将增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以规定Mn的上限为1.60％。
P是对抗大气腐蚀性能有利的元素，但其对钢板的韧性和厚度方向性能影响极大，故在本发明钢中P的上限规定为0.150％。
S和P一样，对钢板的韧性和厚度方向性能影响极大，所以S的含量控制在≤0.010％。
Mo在钢中形成弥散分布的碳氮化物，能有效提高高温强度，确保耐火性能，其下限控制在0.35％是必须的；但Mo含量过高，就会恶化焊接性和焊接热影响区韧性，所以必须将其上限限定在1.00％。
Ti在钢中以氧化物形式存在，其含量必须达到0.005％以上，这样可提高钢材的抗大线能量焊接性能；其含量一旦超过0.025％，又会招致焊接热影响区韧性恶化，所以将其含量范围限定在0.005％～0.025％。
Al是为了脱氧而加入到钢中的元素，但是在本发明中，则是一种有害的元素，钢中的Al会与O结合，从而不能生成Ti的氧化物，所以，对本发明钢来说，Al含量应控制在0.010％以下。
N是为确保TiN所必需的元素，为了确保所需要的最低数量的TiN，必须含有0.001％以上的N；但是N含量多了，钢中的固溶N又会导致焊接热影响区韧性恶化，所以将其含量范围限定在0.001％～0.004％。
O是生成Ti的氧化物所必需的元素，所需要的最低含量是0.001％；当其含量超过0.006％时，就会降低钢的洁净度，恶化钢的韧性，所以，其含量范围应限定在0.001％～0.006％。
Cr的含量在0.30％以上时，能有效提高耐大气候腐蚀性能；当其含量超过0.80％，就会恶化焊接性能，所以将Cr含量限定在0.30％～0.80％。
Ni是提高钢的耐候性和强韧性的有利元素，不会对钢的可焊性和焊接热影响区韧性造成不利影响，但少于0.10％，效果甚微；而高于1.00％则会大大提高钢的成本，使钢丧失原本具有的经济性，所以将其上限规定为1.00％。
Cu除了具有与Ni大体相同的作用外，Cu的析出物还有提高钢的高温强度和耐大气腐蚀性能，在这种情况下，Cu含量在0.10％以上是必须的，但是，如果超过0.80％，热轧时就会发生龟裂，给生产带来困难，所以将Cu含量限定在0.10％～0.80％范围。
Ca有着控制硫化物(MnS)形态、提高夏比吸收能、改善低温韧性的效果，可是Ca含量少于0.001％时，没有实用效果；而如果超过0.006％，则会生成许多CaO、CaS，并形成大型夹杂物，不仅会影响到钢的洁净度，对钢的韧性造成损害，甚至会对焊接性和耐层状撕裂性带来不利影响，所以，规定Ca的添加量范围为0.001％～0.006％。
B是表面活性元素，极易偏聚到晶界，有效地抑制先共析铁素体的形核及长大，强烈抑制γ-α相变，提高钢材的强度；B与N的交互作用，能明显提高钢材的低温韧性。但B含量过高时易形成B的碳化物和氮化物，并集聚在原奥氏体晶界，促使附近地区位错密度增高，作为氢在局部地区的陷阱，从而促使此处发生晶界开裂，因此，B含量上限控制在0.0015％。
本发明的为进一步提高性能，还选择性地添加Nb、V、RE等元素，在提高强度和韧性方面能得到更好的结果。
Nb能形成微细的碳氮化物，提高钢的高温强度，但含量超过0.03％时，则对大线能量焊接热影响区韧性有不利的影响。
V与Nb具有大体相同效果，其提高高温屈服强度的效果比Nb稍差，含量超过0.06％时，则对大线能量焊接热影响区韧性有不利的影响。
本发明还提供了一种高性能耐火耐候建筑用钢的生产方法，采用超纯净方法进行冶炼，获得钢的化学成分按重量百分数计为：C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P 0.074～0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％，其特征在于：在900℃以下控制轧制，累计压下率≥48％，终轧温度≤830℃，采用正火(890℃～950℃)+回火(630～700℃)。
本发明具有如下优点：
1.本发明钢具有良好的耐火性能，即在600℃高温下确保高屈服强度(600℃σs不低于室温下σs的2/3)。
2.本发明钢具有良好的耐候性能，在钢中添加了Cu、P、Ni、Cr等抗大气腐蚀性能的元素，确保其耐候性能为普通钢材的2～8倍，钢材使用时间愈长，愈能显示其优越性。
3.本发明钢具有优良的大线能量(50～100kJ/cm)焊接性能，可大幅度提高钢结构的焊接效率。
4.本发明钢还具有良好的综合性能，该钢同时具有高强度、高韧性、高Z向性能、优良的耐火性能、耐候性能和焊接性能。
5.本发明的钢以非调质状态交货，生产工艺简单，钢材成本较低，在各冶金企业均可实施。
具体实施方式
实施例1：按照本发明钢成分要求，在真空感应电炉冶炼了三炉钢，将钢锭加热到1220℃出炉轧制，轧制钢板厚度分别为16mm、40mm、72mm，经900℃分别保温45分钟、70分钟、100分钟的热处理后，测试了常温的拉伸性能、0℃冲击韧性、600℃的拉伸性能和30、60、100kJ/cm大线能量焊接后的0℃时HAZ的冲击韧性，并与相应比较钢做了对比，见表1。
本发明钢的常温拉伸性能和比较钢处于同一水平，但0℃时的冲击韧性高于对比钢，30、60、100kJ/cm大线能量焊接后0℃时HAZ的冲击韧性更是明显高于对比钢，本发明钢的盐雾试验结果也优于比较钢(试验时间为1080h，测定年腐蚀深度(mm/a))。
从表1可见，本发明钢设计的化学成分合理，生产的钢耐火、耐候且在大线能量焊接时热影响区仍具有优良韧性。本发明钢以非调质状态交货，生产工艺简单，钢材成本较低，在各冶金企业均可实施，并可大大提高工程结构的焊接效率，降低制造成本。
表1发明钢与对比钢的化学成分和HAZ冲击韧性对比
| 发明钢1 | 比较钢 | 发明钢2 | 比较钢 | 发明钢3 | 比较钢 | ||
| 成分 | C | 0.05 | 0.15 | 0.07 | 0.16 | 0.08 | 0.17 |
| Si | 0.27 | 0.28 | 0.25 | 0.27 | 0.27 | 0.31 | |
| Mn | 1.29 | 1.30 | 1.11 | 1.33 | 1.32 | 1.36 | |
| P | 0.081 | 0.012 | 0.074 | 0.013 | 0.110 | 0.012 | |
| S | 0.010 | 0.013 | 0.008 | 0.009 | 0.007 | 0.011 | |
| Ti | 0.007 | -- | 0.010 | -- | 0.012 | -- | |
| B | 0.0007 | -- | 0.0009 | -- | 0.0006 | -- | |
| Al | 0.005 | 0.025 | 0.007 | 0.035 | 0.003 | 0.029 | |
| N | 0.0034 | 0.0038 | 0.0035 | 0.0042 | 0.0037 | 0.0040 | |
| Ni | 0.41 | -- | 0.47 | -- | 0.52 | -- | |
| Cr | 0.53 | -- | 0.41 | -- | 0.33 | -- | |
| Cu | 0.31 | -- | 0.35 | 0.14 | 0.45 | -- | |
| Mo | 0.34 | -- | 0.43 | -- | 0.57 | -- | |
| Ca | 0.003 | -- | 0.002 | -- | 0.004 | -- | |
| Nb | 0.009 | 0.017 | |||||
| V | 0.031 | -- | -- | -- | 0.046 | -- | |
| RE | -- | -- | 0.0031 | -- | 0.0014 | -- | |
| σs/MPa | 395 | 375 | 420 | 390 | 450 | 405 | |
| σb/MPa | 545 | 410 | 575 | 465 | 605 | 503 | |
| δ5(％) | 23 | 22 | 27 | 21 | 29 | 26 | |
| AKV/J | 167 | 61 | 134 | 52 | 181 | 68 | |
| 600℃σs/MPa | 290 | 235 | 310 | 210 | 324 | 222 | |
| 盐雾试验mm/a | 1.6887 | 3.5467 | 1.6851 | 3.7075 | 1.6923 | 3.8984 | |
本发明钢最适合作为高层、超高层、大跨度、轻钢轻板建筑、土木及海洋结构等领域的用钢。
Claims (2)
1、一种高性能耐火耐候建筑用钢，其特征在于钢的化学成分按重量百分数计为：C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P 0.074～0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni 0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％。
2、一种高性能耐火耐候建筑用钢的生产方法，采用超纯净方法进行冶炼，获得钢的化学成分按重量百分数计为：C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn0.50～1.60、P 0.074～0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni 0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％，其特征在于：在900℃以下控制轧制，累计压下率≥48％，终轧温度≤830℃，采用正火(890℃～950℃)+回火(630～700℃)。
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