一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法

摘要

本发明公开了一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法，包括：转炉—炉外精炼—VD真空处理—异型坯连铸，轧钢工艺流程：步进式加热炉—高压水除磷—BD初轧—CCS精轧—冷却—矫直，其中轧制工艺中控制的技术参数为：加热温度1200—1250℃，保温时间≥2.5小时；开轧温度≤1150℃；终轧温度≤880℃；冷床密排冷却，间距小于10mm；其组织为铁素体+贝氏体组织。本发明通过热轧状态交货，无需复杂热处理工艺，具有较宽的工艺窗口，屈服强度≥460MPa，屈强比≤0.8，断后延伸率≥25％，‑20℃KV2≥70J，耐火性能：600℃保温3小时屈服强度不低于320MPa，耐候性能：I≥6.0。

权利要求

1.一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法，其特征在于，所述H型钢的化学成分按质量百分比为：C：0.08‑0.09％，Mn：1.22‑1.25％，Si：0.22‑0.24％，Cr：0.34‑

0.35％，Mo：0.28‑0.29％，Nb：0.03‑0.04％，Ti：0.06‑0.07％，V：0.09‑0.10％，Cu：0.32‑

0.34％，Ni：0.53‑0.55％，P：0.009‑0.010％，S：0.003‑0.005％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素；

其具体制备方法如下：转炉—炉外精炼—VD真空处理—异型坯连铸，轧钢工艺流程：步进式加热炉—高压水除磷—BD初轧—CCS精轧—冷却—矫直，其中轧制工艺中控制的技术参数为：

1)加热温度1200—1250℃，保温时间≥2.5小时；

2)开轧温度≤1150℃；

3)终轧温度≤880℃；

4)冷床密排冷却，间距小于10mm；

其轧后的组织为铁素体+贝氏体组织；

制备的高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢力学性能如下：常规力学性能：屈服强度

564.9‑590.9MPa，抗拉强度843‑847.5MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥25％，‑20℃KV2≥

70J；抗600℃高温性能：在600℃保温3小时屈服强度不低于320MPa，耐候性能：I≥6.0。

说明书

一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及材料冶金领域，尤其涉及一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法。

背景技术

[0002] H型钢在装配式结构和钢结构中应用广泛，主要作为钢结构中的横梁和柱子的承重结构，目前，市场上主要使用的强度级别一般是Q235B、Q345B为主的H型钢，屈服强度大于
460MPa级的H型钢很少使用，具有高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢更是没有出现。随
着钢结构向高层、超高层、大跨度方向发展，所以开发一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接
H型钢十分必要。

[0003] 经检索，公开号为CN108220798A的文献，公开了一种460MPa级抗震耐火建筑钢及其制备方法。其化学成分为：C：0.03‑0.08％，Mn：1.0‑1.8％，Si：0.1‑0.5％，Cr：0.2‑0.7％，
Mo：0.1‑0.3％，Ti：0.05‑0.12％，V：0.04‑0.12％，Nb：0.01‑0.06％，Al：0.01‑0.05％，P：≤
0.008％，S：≤0.002％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素。该钢种通过控轧控冷工
艺，以及两相区的等温处理得到460MPa级的低屈服比的抗震钢板。但其生产过程工艺复杂，
适应于建筑用钢板。H型钢采用异型坯轧制，以上成分体系中含有Al元素，C元素处于包晶范
围内，在连铸过程中会出现水口结瘤，拉速不稳定，液面波动等现象，造成铸坯裂纹产生。另
外，形状较为复杂的H型钢而言，由于复杂的形状容易导致控轧过程中温度不均匀而导致控
轧难以控制，且控冷过程也很难确保不同位置的冷却速度均匀，因此该钢种对H型钢而言适
应性不强。

[0004] 经检索，公开号为CN103866188A的文献，公开了屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及生产方法。该钢种其化学成分重量百分比：C：0.095‑0.180％，Si：0.28‑
0.55％，Mn：1.40‑1.60％，P：≤0.008％，S：≤0.002％，Nb：0.014‑0.045％，Ti：O.004‑
0.030％，V：0.034‑0.044％，Mo：0.09‑0.29％，

[0005] W：0.06‑0.12％，Mg：O.0080‑0.0100％，Sn：0.08‑0.13％，O：≤0016％工艺：铁水脱硫；转炉冶炼；真空处理；铸坯加热：分段轧制：冷却：待用。该钢种为了提高强度，C含量相对
较高，因此其焊接性能收到一定影响。此外，由于其C含量较高，Ti、V、和Nb元素含量不宜过
高，因为过高的Ti、V、和Nb含量在高C含量的情况下容易在凝固、高温轧制过程中析出较大
的碳化物、碳氮化物颗粒，不仅影响Ti、V、和Nb的析出强化效果，大的析出物对韧性也不利，
因此该专利的合金设计不利于推广使用。

[0006] 经检索，公开号为CN201110080774.6的文献公开了一种低成本高强高韧抗震耐火钢及其制备工艺。该钢种包含按重量百分比计的如下组分：C：0.05‑0.09％，Si：0.10‑
0.30％，Mn：0.60‑1.00％，Mo：0.20‑0.40％，C：r<0.10％，Cu：<0.10％，Ni：<0.10％，Nb：
0.02‑0.04％，V：0.O1‑0.04％，Ti：0.O1‑0.04％，Al：0.02‑0.04％，N：≤0.006％，P：≤
0.O10％，S：≤0.006％，以及Fe及杂质。其制备工艺包括依次进行的保温处理、两阶段轧制
和冷却工序。该发明钢种采用Mo+Nb合金体系，成分简单，贵合金元素含量少，合金成本低，
但是采用了控制轧制和控制冷却技术，工艺成本较传统热轧后空冷高，不具备没有耐候性
能。

[0007] 上述专利文献共性不足：制备工艺较为复杂，均需要控制轧制和控制冷却，难以满足形状复杂的H型钢的生产需求。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提供一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法，通过热轧状态交货，无需复杂热处理工艺，具有较宽的工艺窗口，屈服强度≥460MPa，屈强比
≤0.8，断后延伸率≥25％，‑20℃KV2≥70J，耐火性能：600℃保温3小时屈服强度不低于
320MPa，耐候性能：I≥6.0。

[0009] 本发明目的还在于通过低C微合金化来提高材料的强度、耐候、耐火、低温韧性、易焊接等综合性能。

[0010] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

[0011] 一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的制备方法，所述H型钢的化学成分按质量百分比为：C：0.07‑0.10％，Mn：1.20‑1.30％，Si：0.20‑0.25％，Cr：0.30‑0.40％，Mo：
0.20‑0.35％，Nb：0.02‑0.04％，Ti：0.06‑0.0.08％，V：0.08‑0.11％，Cu：0.30‑0.35％，Ni：
0.50‑0.60％，P：＜0.010％，S：＜0.002％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素；

[0012] 其具体制备方法如下：转炉—炉外精炼—VD真空处理—异型坯连铸，轧钢工艺流程：步进式加热炉—高压水除磷—BD初轧—CCS精轧—冷却—矫直，其中轧制工艺中控制的
技术参数为：

[0013] 1)加热温度1200—1250℃，保温时间≥2.5小时；

[0014] 2)开轧温度≤1150℃；

[0015] 3)终轧温度≤880℃；

[0016] 4)冷床密排冷却，间距小于10mm；

[0017] 其轧后的组织为铁素体+贝氏体组织。

[0018] 进一步的，所述H型钢的化学成分按质量百分比为：C：0.08％，Mn：1.25％，Si：0.22％，Cr：0.35％，Mo：0.29％，Nb：0.03％，Ti：0.07％，V：0.10％，Cu：0.32％，Ni：0.53％，
P：0.009％，S：0.005％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素。

[0019] 进一步的，所述H型钢的化学成分按质量百分比为：C：0.09％，Mn：1.22％，Si：0.24％，Cr：0.34％，Mo：0.28％，Nb：0.04％，Ti：0.06％，V：0.09％，Cu：0.34％，Ni：0.55％，
P：0.010％，S：0.003％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素。

[0020] 进一步的，其力学性能如下：(1)常规力学性能：屈服强度≥460MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥25％，‑20℃KV2≥70J；(2)抗600℃高温性能：在600℃保温3小时屈服强
度不低于320MPa，耐候性能：I≥6.0。

[0021] 本发明主要化学成分限定理由如下：

[0022] C：C是提高钢材强度最有效的元素，C含量的增加钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但延伸率和冲击韧性下降，耐腐蚀能力也会下降，而且钢材的焊接热影响区还会出现淬
硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。为保证钢板获得良好的综合性能，本发明钢C元素含量设
计为0.07‑0.10％。

[0023] Mn：Mn是重要的强韧化元素，且成分低廉，随着锰含量的增加，钢的强度明显提升，改善钢的加工性能，而韧脆转变温度几乎不发生变化。但锰含量过高，会抑制铁素体的转
变，影响钢的屈服强度，不利于屈强比的控制。本发明钢的Mn元素含量设计为1.20‑1.30％。

[0024] Cu：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。本发明钢的Cu元素含量设计为0.30‑0.40％。

[0025] Ni：Ni是一种比较稳定的元素，加入Ni能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性，此外，Ni的加入主要是为了与Cu形成Cu一Ni合金，防止“铜脆”的发生，综合考
虑Ni含量控制范围是0.50％一0.60％。

[0026] Cr：Cr能提高钢的强度、硬度和耐大气腐蚀性能，加入其他合金元素时，效果较显著。铬可以减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，但亦增加钢
的回火脆性倾向。但铬含量过高时，会降低基材和热影响区的韧性。本发明钢的Cr元素含量
设计为0.30‑0.40％。

[0027] Mo：Mo元素可以提高腐蚀的均匀性，抑制局部腐蚀。此外，Mo也是提高钢板高温强度最有效的元素。通常其含量越高，其高温强度越高，但Mo元素成本较高，过量可引起焊接
性能下降。本发明钢的Mo元素含量设计为0.20‑0.35％。

[0028] Nb：Nb在轧制过程中固溶于奥氏体中的和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，细化奥氏体晶粒进而细化铁素体等的晶粒，提高强度。Nb固溶于奥氏体
的还能够提高淬透性，着火过程中析出的碳化Nb粒子或与V、Mo复合析出第二相，提高高温
强度。因此本发明钢中Nb元素含量设计为0.02‑0.04％。提高高温性能化学成分限定理由

[0029] Ti：Ti在钢中固溶度较低，易在奥氏体中析出，钉扎在晶界处，阻止晶粒长大和再结晶，可以起到细化晶粒作用，另外Ti还是钢中强脱氧剂，能使钢内部组织致密，降低时效
敏感性和冷脆性，改善焊接性能，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，提高高温强度。本发明钢中钛元素含量设计为0.06‑0.08％。

[0030] Si：Si能改善钢的耐腐蚀性能，常被添加到不锈钢、低合金钢、耐蚀合金中，以提高这些合金的耐蚀性，使它们具有耐氯化物应力腐蚀破裂、耐点蚀、耐热浓硝酸腐蚀、抗氧化、
耐海水腐蚀等性能。研究表明，在湿热大气环境中，Si能明显改善碳钢和低合金钢的耐大气
腐蚀性能，另外，Si还能提高低合金钢在海水中飞溅带的耐蚀性。本发明钢的Si元素含量设
计为0.20‑0.25％。

[0031] P，S：P，S是钢中的杂质元素。P具有一定的提高耐腐蚀性作用，但P是一种易于偏析的元素，在钢的局部产生严重偏析，降低塑性及韧性，对低温韧性极为有害。S元素在钢中易
于偏析和富集，是对耐腐蚀性能用害的元素。本发明钢，在冶金质量方面严格控制了硫、磷
含量水平，即P：0.010％，S＜0.002％，以满足钢种对纯净度、冲击韧性、焊接性能以及耐腐
蚀性能的要求。

[0032] V：V和C、O、N都有很强的结合能力，并与之形成极其稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的热敏感性和回火脆性。能显著改善普通低合金钢的焊接性能。本发明钢的V元
素含量设计为0.08‑0.10％。

[0033] 与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

[0034] 1)高强度：屈服强度≥460MPa，抗震性：屈强比≤0.8，塑性：断后延伸率≥25％，低温韧性：‑20℃KV2≥70J，耐火性能：600℃保温3小时屈服强度不低于320MPa，耐候性能：耐
腐蚀因子I≥6.0，可以提高建筑结构的安全性。

[0035] 2)该产品抗震耐候耐火等性能，可以减少防腐防火涂料的使用或者完全可以不使用防腐防火涂料，是绿色产品，对环境、人员无不良影响，为企业绿色发展创造良好的环境，
符合国家低碳、绿色、环保的发展理念。

[0036] 3)该成分采用低碳微合金化设计，严格控制对焊接性能影响不利的元素，使材料具有优良的焊接性能，可以用于高层建筑和大跨度的钢结构中。

附图说明

[0037] 下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

[0038] 图1为本发明实施例1钢经过硝酸酒精侵蚀后光学显微镜观察的金相图，

[0039] 图2为本发明实施例1钢600℃保温3小时后经过高氯酸酒精双喷减薄后透射电镜下纳米TiC相间析出示意图。

具体实施方式

[0040] 一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢，化学成分百分比要求为：C：0.07‑0.10％，Mn：1.20‑1.30％，Si：0.20‑0.25％，Cr：0.30‑0.40％，Mo：0.20‑0.35％，Nb：0.02‑
0.04％，Ti：0.06‑0.0.08％，V：0.08‑0.11％，Cu：0.30‑0.35％，Ni：0.50‑0.60％，P：＜
0.010％，S：＜0.002％，其余为铁和不可避免的微量的化学元素。

[0041] 其炼钢工艺流程：转炉—炉外精炼—VD真空处理—异型坯连铸，轧钢工艺流程：步进式加热炉—高压水除磷—BD初轧—CCS精轧—冷却—矫直，其特征在于：轧制工艺中控制
的技术参数为：

[0042] 1)加热温度1200—1250℃，保温时间≥2.5小时；

[0043] 2)开轧温度≤1150℃；

[0044] 3)终轧温度≤880℃；

[0045] 4)冷床密排冷却，间距小于10mm。

[0046] 其轧后的组织为铁素体+贝氏体组织。H型钢力学性能如下：(1)常规力学性能：屈服强度≥460MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥25％，‑20℃KV2≥70J；(2)抗600℃高温性
能：在600℃保温3小时屈服强度不低于320MPa，耐候性能：I≥6.0。

[0047] 下面对本发明作进一步的描述：

[0048] 表1为本发明各实施例的化学成分及重量百分比含量列表；

[0049] 表2为本发明各实施例力学、耐火性能、耐候性能等检测结果列表。

[0050] 表1各实施例的化学成分及重量百分比含量

[0051]

[0052]

[0053] 表2各实施例力学、耐火性能、耐候性能等检测结果

[0054]

[0055] 通过表2数据可以看出：

[0056] 1)本发明的实施例钢材产品的屈服强度、屈强比、延伸率、冲击韧性、耐火性能、耐候性能都达到一种高强抗震耐候耐火耐低温易焊接H型钢的性能要求。

[0057] 2)通过图1可以看出，本发明实施例1的H型钢主要以贝氏体为主辅之以少量的铁素体组织。图2可以明显看出实施例1中钢产品组织中存在明显的相间析出，在650℃下保温
三小时，相间析出无明显粗化现象，大小仍在20纳米以下，析出强化效果依然存在。

[0058] 以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出
的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。