CN113564458B - 一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢及其生产方法 - Google Patents

一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢及其生产方法，属于冶金技术领域。所述建筑用钢的化学成分组成及质量百分含量为：C:0.005～0.015%，Si≤0.05%，Mn≤0.20%，P≤0.015，S≤0.003%，Als：0.015～0.025%，Nb：0.008～0.015%，Ti：0.010～0.025%，Mo：0.015～0.025%，N≤0.0030%，其余为铁和不可避免的杂质。其生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序。本发明轧后采用自回火方式消除钢板内部应力，钢板具有较低的屈服强度和优良的韧性，高温条件下屈服强度衰减不高于1/4。

Description

一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢及其生产方法。
背景技术
低屈服强度建筑用钢主要用于制作抗震用消能阻尼器，利用自身的反复变形吸收地震能量，有效保护主体建筑的安全，并且这些阻尼器构件只是抗侧力构件的一个组成部分，其屈服耗能不会影响结构的承重能力。与其他减震材料相比，具有构造简单、经济耐用、震后更换方便和可靠性强等优点，既可用于新建筑物的抗震，也可用于旧建筑抗震能力的提高。目前采用低屈服强度钢制作的无约束柱、钢剪力墙、各种类型的减震阻尼器和其他抗震设施在以日本为代表的很多国家得到广泛推广，并产生了大量相关的抗震设计技术。
目前，大量被应用的建筑用钢存在明显的耐火性能缺陷，普通钢结构的屈服强度在温度超过350℃时开始下降，温度达到500℃时，会下降到室温屈服强度的一半，温度超过600℃时，钢材会像“面条”一样柔软，将会导致钢材服役性能失效，进而出现建筑毁坏现象。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢及其生产方法，本发明采取的技术方案是：
一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢，其化学成分组成及质量百分含量为：C:0.005～0.015%，Si≤0.05%，Mn≤0.20%，P≤0.015，S≤0.003%，Als：0.015～0.025%，Nb：0.008～0.015%，Ti：0.010～0.025%，Mo：0.015～0.025%，N≤0.0030%，其余为铁和不可避免的杂质。
所述建筑用钢的厚度为20～50mm。
所述建筑用钢室温条件下屈服强度为140～180Mpa，延伸率≥45%；600℃条件下的屈服强度不低于室温强度的3/4。
所述生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序；所述连铸工序采用连铸坯凝固末端重压下技术；所述自回火工序为钢板轧制后在表面温度≥400℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度≥0.6m，钢板表面温度≥200℃的时间不低于2h。
所述冶炼工序包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；所述铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量≤0.005%；
所述顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；
所述RH精炼步骤，真空度≤160Pa，其中80Pa＜真空度≤160Pa的真空时间不少于10min，真空度≤80Pa的真空时间不少于3min。
所述连铸工序，凝固末端压下量25～35mm。
所述加热工序，均热段温度为1200～1250℃。
所述轧制工序，开轧温度≥1050℃，控轧厚度为2-4倍成品厚度，终轧温度为820～850℃，终冷温度为750～780℃。
本发明的化学成分组成及其质量百分含量设计思路为：
C、Si、Mn：C、Si、Mn元素能够提高钢材屈服强度并降低延伸率，因此均控制在较低含量水平，质量百分含量分别为C：0.005-0.015%，Si≤0.05%，Mn≤0.20%。
P、S：一般作为钢中有害元素，对钢材力学性能产生不利影响，需控制在较低含量水平，质量百分含量分别为P≤0.015，S≤0.003%。
Als：Al元素作为重要脱氧元素，酸溶铝质量百分含量控制在0.015-0.025%。
Nb、Mo：Mo是提高钢种耐火性能最有效的元素，能在钢中形成弥散分布的碳化物，同时固溶并强化铁素体基体，从而有效提高高温强度，但Mo元素对钢板常温性能的提升作用不显著。Nb和Mo同时添加产生的高温强化效果要明显改善，Mo容易在NbC第二相质点周围形成偏析层，这种偏析层使NbC第二相在高温下不易聚集长大，提高了高温强度。Nb和Mo的质量百分含量分别为Nb：0.008-0.015%，Mo：0.015-0.025%。
Ti：微量Ti元素可以与钢中的N结合，消除钢中固溶的N原子，质量百分含量为0.010-0.025%。
N：固溶在基体中的N原子够提高钢材屈服强度并降低延伸率，因此需要控制在较低含量水平，质量百分含量≤0.0030%。
本发明在连铸工序采用连铸坯凝固末端重压下技术，有效改善铸坯内部质量。钢板轧制后采用自回火方式进行处理，可免去热处理工序，有效避免能源浪费，降低生产成本。本发明采用合理的成分设计，通过生产工艺创新，钢板成品室温条件下的屈服强度为140～180Mpa，延伸率≥45%；600℃条件下的屈服强度不低于室温强度的3/4。
本发明建筑用钢应用于抗震用效能阻尼器时，在常温条件下具备较低屈服强度和较高延伸率，在高温下其屈服强度衰减不高于1/4，可以有效避免高温条件下钢材服役性能快速失效，从而延缓建筑损坏，为保护生命财产安全提供保证。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为20mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.005%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度160Pa保持12min，之后在真空度70Pa保持3min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量25mm。
（3）加热工序：均热段温度为1200℃。
（4）轧制工序：开轧温度1050℃，控轧厚度为4倍成品厚度，终轧温度为850℃，终冷温度为780℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度450℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.7m，钢板表面温度≥200℃的时间为2h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为180MPa，延伸率为50%，600℃条件下的屈服强度为150MPa。
实施例2
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为50mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.005%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度155Pa保持10min，之后在真空度80Pa保持3min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量35mm。
（3）加热工序：均热段温度为1250℃。
（4）轧制工序：开轧温度1070℃，控轧厚度为2倍成品厚度，终轧温度为820℃，终冷温度为770℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度400℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.6m，钢板表面温度≥200℃的时间为3h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为140MPa，延伸率为45%，600℃条件下的屈服强度为115MPa。
实施例3
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为30mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.004%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度150Pa保持11min，之后在真空度76Pa保持4min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量32mm。
（3）加热工序：均热段温度为1220℃。
（4）轧制工序：开轧温度1060℃，控轧厚度为3.5倍成品厚度，终轧温度为820℃，终冷温度为750℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度440℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.62m，钢板表面温度≥200℃的时间为2.5h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为160MPa，延伸率为48%，600℃条件下的屈服强度为120MPa。
实施例4
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为40mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.005%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度156Pa保持12min，之后在真空度72Pa保持3min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量28mm。
（3）加热工序：均热段温度为1240℃。
（4）轧制工序：开轧温度1065℃，控轧厚度为2.5倍成品厚度，终轧温度为830℃，终冷温度为750℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度410℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.64m，钢板表面温度≥200℃的时间为2.2h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为165MPa，延伸率为49%，600℃条件下的屈服强度为135MPa。
实施例5
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为35mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.005%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度149Pa保持10min，之后在真空度77Pa保持4min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量30mm。
（3）加热工序：均热段温度为1220℃。
（4）轧制工序：开轧温度1055℃，控轧厚度为3倍成品厚度，终轧温度为840℃，终冷温度为760℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度415℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.63m，钢板表面温度≥200℃的时间为2.6h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为153MPa，延伸率为46%，600℃条件下的屈服强度为131MPa。
实施例6
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为48mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.003%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度154Pa保持14min，之后在真空度76Pa保持5min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量26mm。
（3）加热工序：均热段温度为1204℃。
（4）轧制工序：开轧温度1072℃，控轧厚度为3倍成品厚度，终轧温度为826℃，终冷温度为777℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度431℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.816m，钢板表面温度≥200℃的时间为3.5h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为156MPa，延伸率为 48%，600℃条件下的屈服强度为122MPa。
实施例7
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为41mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.003%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度145Pa保持11min，之后在真空度66Pa保持6min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量34mm。
（3）加热工序：均热段温度为1232℃。
（4）轧制工序：开轧温度1067℃，控轧厚度为2.5倍成品厚度，终轧温度为833℃，终冷温度为753℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度424℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.943m，钢板表面温度≥200℃的时间为3.3h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为172MPa，延伸率为 46.5%，600℃条件下的屈服强度为132MPa。
实施例8
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢厚度为24mm，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量0.002%；顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；RH精炼步骤，先在真空度158Pa保持13min，之后在真空度77Pa保持4.5min。
（2）连铸工序：采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量33mm。
（3）加热工序：均热段温度为1212℃。
（4）轧制工序：开轧温度1053℃，控轧厚度为4倍成品厚度，终轧温度为844℃，终冷温度为765℃。
（5）自回火工序：为钢板轧制后在表面温度446℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度0.72m，钢板表面温度≥200℃的时间为4h。
本实施例低屈服强度耐火抗震建筑用钢的屈服强度为164MPa，延伸率为 48%，600℃条件下的屈服强度为125MPa。
表1. 各实施例建筑用钢的化学成分组成及含量（wt%）
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。

Claims (5)

1.一种低屈服强度耐火抗震建筑用钢，其特征在于，所述建筑用钢的化学成分组成及质量百分含量为：C:0.005～0.015%，Si≤0.05%，Mn≤0.20%，P≤0.015，S≤0.003%，Als：0.015～0.025%，Nb：0.008～0.015%，Ti：0.010～0.025%，Mo：0.015～0.025%，N≤0.0030%，其余为铁和不可避免的杂质；所述建筑用钢室温条件下屈服强度为140～180MPa ，延伸率≥45%；600℃条件下的屈服强度不低于室温强度的3/4。
2.根据权利要求1所述的低屈服强度耐火抗震建筑用钢，其特征在于，所述建筑用钢的厚度为20～50mm。
3.基于权利要求1或2所述的低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制、自回火工序；所述连铸工序采用连铸坯凝固末端重压下技术，凝固末端压下量25～35mm；所述轧制工序，开轧温度≥1050℃，控轧厚度为2-4倍成品厚度，终轧温度为820～850℃，终冷温度为750～780℃；所述自回火工序为钢板轧制后在表面温度≥400℃时，下线集中堆垛缓冷进行钢板自回火处理，堆垛高度≥0.6m，钢板表面温度≥200℃的时间不低于2h。
4.根据权利要求3所述的低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法，其特征在于，所述冶炼工序包括铁水预处理、顶底复吹转炉初炼、LF精炼和RH精炼步骤；所述铁水预处理步骤，出站铁水中S重量含量≤0.005%；
所述顶底复吹转炉初炼步骤，采用炉后Al脱氧，不使用硅质脱氧剂脱氧；
所述RH精炼步骤，真空度≤160Pa，其中80Pa＜真空度≤160Pa的真空时间不少于10min，真空度≤80Pa的真空时间不少于3min。
5.根据权利要求3或4所述的低屈服强度耐火抗震建筑用钢的生产方法，其特征在于，所述加热工序，均热段温度为1200～1250℃。
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