一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢及其生产方法转让专利
申请号 : CN200810197847.8
文献号 : CN101407893B
文献日 : 2011-04-06
发明人 : 卜勇 , 陈晓 , 童明伟 , 詹胜利 , 张开广 , 刘继雄 , 杜明 , 张莉芹 , 张政权 , 郑华 , 刘昌明
申请人 : 武汉钢铁(集团)公司
摘要 :
本发明公开了一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢及其生产方法，属低合金高强钢制造领域。本钢由下述重量百分比的成分组成：C 0.02～0.14％，Si 0.10～0.60％，Mn 0.60～1.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Nb 0.020～0.040％，Ti 0.005～0.030％，Cr 0.05～0.15％，Mo 0.05～0.15％，N 0.0020～0.0055％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，上述化学成分满足：(1)4.0C+Mn≤2.0，(2)0.30≥Cr+Mo≥0.15，(3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。本发明钢的化学成分简单，贵金属含量低，机械性能优良，具有优异的大线能量焊接性能、耐火性能和抗震性能。
权利要求 :
1.一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢，其特征在于由下述重量百分比的成分组成：C 0.02～0.14％，Si 0.10～0.60％，Mn 0.60～1.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Nb 0.020～0.040％，Ti 0.005～0.030％，Cr 0.05～0.15％，Mo 0.05～0.15％，N
0.0020～0.0055％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，同时上述化学成分满足：(1)4.0C+Mn≤2.0
(2)0.30≥Cr+Mo≥0.15
(3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。
2.根据权利要求1所述的一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢，其特征在于由下述重量百分比的成分组成：C 0.02～0.08％，Si 0.27～0.60％，Mn 0.60～1.43％，P≤0.020％，S≤0.010％，Nb 0.038％～0.040，Ti 0.015～0.028％，Cr 0.10～0.15％，Mo 0.06～0.10％，N 0.0036～0.0050％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，同时上述化学成分满足：(1)4.0C+Mn≤2.0
(2)0.30≥Cr+Mo≥0.15
(3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。
3.根据权利要求1所述的一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢，其特征在于由下述重量百分比的成分复合加入：C 0.09～0.14％，Si 0.23～0.27％，Mn 1.43～
1.47％，Nb 0.023～0.027％，Ti 0.012～0.015％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr
0.05～0.12％，Mo 0.10～0.13％，N 0.0028～0.0033％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，同时上述化学成分满足：(1)4.0C+Mn≤2.0
(2)0.30≥Cr+Mo≥0.15
(3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。
4.一种权利要求1-3任一项所述高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢的生产方法，包括以下步骤：铁水脱硫-转炉冶炼-真空处理-连铸-铸坯清理-铸坯加热-控轧控冷-精整，其特征在于具体参数控制为：开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度≤860℃，冷却速度≥5℃/s，钢板返红温度≤700℃，接着控冷至室温。
说明书 :
一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢及其生产方法
技术领域
[0001] 本发明属低合金高强钢制造领域，具体的说是一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢及其生产方法。
背景技术
[0002] 我国国民经济的发展与城市建设速度的加快，高层公共建筑与日俱增，尤其是超高层建筑均采用了钢结构的形式。可以预计，随着我国整体技术水平的提高，钢结构建筑必将为老百姓和社会提供更多、更安全、更环保、更舒适的居住和活动空间。由此，使得建筑行业对使用钢材的要求越来越高，我国建筑用钢将面临对材料的耐火性能、焊接性能及抗震性能等技术升级和技术进步的一些新课题。因此研制经济型耐火抗震建筑用钢不仅可以填补国内空白，替代进口产品，而且为我国建筑事业及社会发展做出贡献。
[0003] 在本发明以前，中国专利01133562.9，高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，公开了一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法的专利技术。该专利发明钢含有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。该专利发明钢经冶炼、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。该专利发明钢以非调质状态交货，生产工艺相对简单，可为建筑、土木及海洋结构等领域提供厚度为4～100mm的钢制作的各种结构件，在电气焊、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)具有较高的韧性，提高了工程结构的焊接效率，降低制造成本。该专利的不足在于合金元素复杂，贵金属合金元素Mo、Cr等含量较高，合金化成本高，限制了使用，且钢板不具备抗震性能，对于超高层建筑以及地震多发地带的建筑用钢材具有局限性。
[0004] 中国宝钢生产具有高强度高抗震耐火耐候特性的B490RNQ建筑钢材，用于制造冷弯大规格厚壁高抗震方矩形钢管，但该钢的不足同样在于合金元素较复杂，贵金属合金元素Mo、Cr等含量较高，合金化成本高，限制了使用。
[0005] 中国马钢研制的耐火H型钢(耐600℃高温)，采用非水冷型TMCP(控轧控冷)技术制造的特厚H型钢，当厚度超过400mm时也能保证性能要求和良好的焊接性，并不降低母材和焊接热影响区的强度。但该钢为H型钢，与本发明的钢板不同，此外，该钢贵金属合金元素Mo、Cr等含量也较高，导致合金化成本高，限制了使用，且该钢不具备大线能量焊接性能。
[0006] 美国专利申请US4990196(Building construct ion steel havingexcellent fire resistance and low yield ratio)公开了四种具有优异耐火性能和低屈强比(抗震性)的建筑钢材，该专利产品主要化学成分百分比为：(1)C 0.04～0.015，Si≤0.60，Mn 0.50～1.60，Al≤0.10，Mo 0.40～0.70，N 0.001～0.006，Nb 0.005～0.040，其余为Fe及不可避免的杂质；(2)C 0.04～0.015，Si≤0.60，Mn 0.50～1.60，Al≤0.10，Mo0.40～0.70，N 0.001～0.006，Nb 0.005～0.040，此外，还至少含有以下成分中的一种：
Ti 0.005～0.10，Zr 0.005～0.03，V 0.005～0.10，Ni 0.05～0.50，Cu 0.05～1.0，Cr 0.05～1.0，B 0.0003～0.002，Ca 0.0005～0.005，REM 0.001～0.02，其余为Fe及不可避免的杂质；(3)C 0.04～0.015，Si≤0.60，Mn 0.50～1.60，Al≤0.10，Mo 0.40～
0.70，N≤0.006，其余为Fe及不可避免的杂质；(4)C 0.04～0.015，Si≤0.60，Mn 0.50～
1.60，Al≤0.10，Mo 0.40～0.70，N≤0.006，此外，还至少含有以下成分中的一种：Nb
0.005～0.040，Ti 0.005～0.10，Zr 0.005～0.03，V 0.005～0.10，Ni 0.05～0.50，Cu
0.05～1.0，Cr 0.05～1.0，B 0.0003～0.002，Ca 0.0005～0.005，REM 0.001～0.02，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利不足在于四种化学成分中贵金属合金元素Mo含量均较高，提高了合金化成本，限制了使用，且钢板不具备大线能量焊接性能，厚钢板的焊接效率低，工程结构制造成本高，对于高层建筑以及地震多发地带的建筑用厚钢板具有局限性。
Ti 0.005～0.10，Zr 0.005～0.03，V 0.005～0.10，Ni 0.05～0.50，Cu 0.05～1.0，Cr 0.05～1.0，B 0.0003～0.002，Ca 0.0005～0.005，REM 0.001～0.02，其余为Fe及不可避免的杂质；(3)C 0.04～0.015，Si≤0.60，Mn 0.50～1.60，Al≤0.10，Mo 0.40～
0.70，N≤0.006，其余为Fe及不可避免的杂质；(4)C 0.04～0.015，Si≤0.60，Mn 0.50～
1.60，Al≤0.10，Mo 0.40～0.70，N≤0.006，此外，还至少含有以下成分中的一种：Nb
0.005～0.040，Ti 0.005～0.10，Zr 0.005～0.03，V 0.005～0.10，Ni 0.05～0.50，Cu
0.05～1.0，Cr 0.05～1.0，B 0.0003～0.002，Ca 0.0005～0.005，REM 0.001～0.02，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利不足在于四种化学成分中贵金属合金元素Mo含量均较高，提高了合金化成本，限制了使用，且钢板不具备大线能量焊接性能，厚钢板的焊接效率低，工程结构制造成本高，对于高层建筑以及地震多发地带的建筑用厚钢板具有局限性。
[0007] 日本川崎申请的专利(JP08232043)“通过热轧、空气加速冷却形成铁素体、珠光体和(或)贝氏体组织的用于造船、桥梁、压力容器等的大线能量焊接钢”、日本新日铁申请的专利(JP04346636)“含C、Mn、P、S、Al、B、N、Ni和(或)Cu的HAZ具有韧性的高锰超高强钢”、(JP2704810、JP06049586)“通过Al完全脱氧形成MnS化合物粒子制造大线能量焊接高强钢的方法”。上述三者不足之处在于钢板虽然都具备大线能量焊接性能，但均不具备耐火性能和抗震性能。
[0008] 专 利 US6315946(Ultra low carbon bainitic weathering steel)、专 利 CA2299344(Weathering steel)、 专 利 US6187117(Method of makingan as-rolled multi-purpose weathering steel plate and producttherefrom)、专 利TW426743B(Thermomechanically controlled processedhigh strength weathering steel with low yield/tensile ratio)、专利200510012897.0(热轧双相耐候钢板及其制造方法)及专利200510036889.X(一种应用薄板坯连铸连轧流程生产Ti微合金化高强耐候钢板的工艺)均只涉及耐候钢，显然与本发明钢种不同。
[0009] 此外，新日铁开发的耐火用厚钢板，其强度为400MPa、490MPa级，在600℃高温下屈服强度为常温标准值的2/3，同时还具有抗震性能，屈服比≤80％。这种钢板已在高层建筑中应用，具有明显效果。但不足之处也在于贵金属合金元素Mo、Cr含量均较高，提高了合金化成本，且钢板不具备大线能量焊接性能。
发明内容
[0010] 本发明针对现有建筑用钢合金化成本高，不同时具备大线量焊接性能、耐火性能、抗震性能以及机械性能差的问题，提供了一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢及其生产方法。本发明钢的化学成分简单，贵金属含量低，机械性能优良，具有优异的大线能量焊接性能、耐火性能和抗震性能。
[0011] 所述目的是通过如下方案实现的：
[0012] 一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢，由下述重量百分比的成分组成：C0.02～0.14％，Si 0.10～0.60％，Mn 0.60～1.80％，P≤0.020％，S≤0.010％，Nb
0.020～0.040％，Ti 0.005～0.030％，Cr 0.05～0.15％，Mo0.05～0.15％，N 0.0020～
0.0055％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，上述化学成分满足：
0.020～0.040％，Ti 0.005～0.030％，Cr 0.05～0.15％，Mo0.05～0.15％，N 0.0020～
0.0055％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，上述化学成分满足：
[0013] (1)4.0C+Mn≤2.0，(2)0.30≥Cr+Mo≥0.15，(3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。
[0014] 进一步地，所述高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢由下述重量百分比的成分组成：C 0.02～0.08％，Si 0.27～0.60％，Mn 0.60～1.43％，P≤0.020％，S≤0.010％，Nb 0.038％～0.040，Ti 0.015～0.028％，Cr 0.10～0.15％，Mo 0.06～0.10％，N0.0036～0.0050％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，同时上述化学成分满足：
[0015] (1)4.0C+Mn≤2.0
[0016] (2)0.30≥Cr+Mo≥0.15
[0017] (3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。
[0018] 进一步地，所述高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢由下述重量百分比的成分复合加入：C 0.09～0.14％，Si 0.23～0.27％，Mn 1.43～1.47％，Nb 0.023～0.027％，Ti 0.012～0.015％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cr 0.05～0.12％，Mo 0.10～0.13％，N 0.0028～0.0033％以及V≤0.05％，Ca≤0.010％，Mg≤0.010％中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂，同时上述化学成分满足：
[0019] (1)4.0C+Mn≤2.0
[0020] (2)0.30≥Cr+Mo≥0.15
[0021] (3)碳当量CE(％)＝C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.38。
[0022] 该高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢的生产方法，包括以下步骤：铁水脱硫-转炉冶炼-真空处理-连铸-铸坯清理-铸坯加热-控轧控冷-精整；具体参数控制为：开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度≤860℃，冷却速度≥5℃/s，钢板返红温度≤700℃，接着控冷至室温。
[0023] 本发明具有以下优点：
[0024] 1)本发明钢具备优异的耐火性，ReL(600℃高温屈服强度)≥2/3ReL(常温屈服强度标准值)。
[0025] 2)本发明钢具备低的屈强比(屈强比ReL/Rm≤0.80)，抗震性能好。
[0026] 3)本发明钢碳当量较低，焊接性能优异，具有高Z向性能以及能承受大线能量(≥100kJ/cm)焊接，可简化焊接工艺，显著降低焊接劳动强度和焊接成本，大幅度提高厚钢板产品的焊接效率和施工进度，适应大生产要求。
[0027] 4)本发明钢化学简单，用Ti-V-Nb复合微合金化替代单一的Nb微合金化，有效降低控轧钢板屈强比，使钢板获得良好的抗震性，同时，利用Ti-V-Nb的复合析出强化和沉淀强化，显著降低贵金属Mo、Cr等的含量，提高600℃高温屈服强度，使钢板获得优良的耐火性能；另一方面，利用Ti-Ca-Mg的复合氧化物提高HAZ强韧性，获得抗大线能量(≥100kJ/cm)焊接性能。此外，通过降低碳含量和特殊微合金化手段，提高钢的纯净度，从而确保该钢具有优良的低温韧性。
[0028] 5)本发明钢的生产方法容易控制，操作简单，生产成本低，适合规模生产。
[0029] 6)本发明钢可广泛用于各类高层、超高层、大跨度、轻钢轻板等钢结构建筑，还可应用于铁路车辆制造、造船及其它钢构件上，其应用前景十分广阔。
[0030] 7)本发明钢应用于工程建设，可改善现场生产环境，提高施工效率，保障工程质量，可创造较大的直接和间接经济效益，并具有良好的社会效益。
具体实施方式
[0031] 本发明钢是一种高强度大线能量焊接耐火抗震建筑用钢，其生产方法包括以下步骤：铁水脱硫-转炉冶炼-真空处理-连铸-铸坯清理-铸坯加热-控轧控冷-精整。本实施方式的具体方法是：按照本发明钢成分要求，在真空感应电炉冶炼了六批本发明的钢，分别为钢1～钢6，将钢锭加热到1280℃出炉轧制，钢1～钢6的开轧温度依次为1180℃、1200℃、1220℃、1190℃、1210℃、1220℃，最后三道次累计压下率35％～40％，终轧温度分别为820℃、840℃、860℃、850℃、865℃、830℃，轧后进行层流冷却，钢板返红温度分别为
660℃、640℃、620℃、690℃、650℃、675℃。轧制钢板厚度分别16mm、20mm、24mm、22mm、18mm、
24mm。
660℃、640℃、620℃、690℃、650℃、675℃。轧制钢板厚度分别16mm、20mm、24mm、22mm、18mm、
24mm。
[0032] 钢1～钢6的化学成分见表1，各种性能见表2。
[0033] 为了能更好的反映出本发明钢的各种性能优点，本实施方式中提供了3组比较钢，其化学成分见表1中的比较钢1、2和3，比较钢的各种性能见表2中的比较钢1、2和3。
[0034] 表1本发明钢和比较钢的化学成分(Wt％)
[0035]
[0036] 表2本发明钢和比较钢的性能
[0037]