一种高韧性易焊接钢及其制备方法转让专利
申请号 : CN202210691194.9
文献号 : CN115125443B
文献日 : 2023-04-25
发明人 : 张贤忠 , 张帆 , 丁礼权 , 夏艳花 , 鲁修宇 , 徐志东 , 田利军
申请人 : 武汉钢铁有限公司
摘要 :
本发明公开了一种高韧性易焊接钢及其制备方法，高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.14‑0.18％，Si0.35‑0.55％，Mn 0.80‑1.00％，P≤0.015％，S≤0.010％，Al0.005‑0.020％，V 0.05‑0.08％，N 0.0060‑0.0080％，其余为铁和不可避免的夹杂，其中碳当量Ceq＝C+Mn/6+V/5，0.28％＜Ceq≤0.38％。本发明在克服传统的钢筋焊接性能不佳基础上，通过降低碳当量，添加V、N、Al等元素，在不影响力学性能的前提下使本发明的钢具有高韧性和易焊接性能，满足桥梁工业化智能制造的需求。
权利要求 :
1.一种高韧性易焊接钢，其特征在于，包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.14‑0.16％，
Si 0.4‑0.48％，
Mn 0.85‑1.00％，
P≤0.013％，
S≤0.008％，
Al 0.01‑0.016％，
V 0.065‑0.08％，
N 0.0062‑0.0072％，
其余为铁和不可避免的夹杂，
其中碳当量Ceq＝C+Mn/6+V/5，0.3％≤Ceq≤0.32％；
所述高韧性易焊接钢屈服强度≥420MPa，抗拉强度≥550MPa，伸长率≥30％；
所述高韧性易焊接钢作为主筋与箍筋焊接后，屈服强度≥
420MPa，抗拉强度≥550MPa，伸长率≥30％；
所述高韧性易焊接钢的制备方法包括以下步骤：S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成方坯；连铸中间包钢水温度为1530～1560℃，结晶器冷却水流量为2200～2400L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为950～1000℃，铸坯的拉速为3.2～3.6m/min；
S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1100～1180℃，加热时间80～
120min；
S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度950～1000℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为900～950℃。
2.如权利要求1所述的高韧性易焊接钢，其特征在于，包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.14％，
Si 0.45％，
Mn 0.90％，
P 0.010％，
S 0.004％，
Al 0.015％，
V 0.070％，
N 0.0072％，
其余为铁和不可避免的夹杂。
3.如权利要求1‑2中任一所述的高韧性易焊接钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成方坯；连铸中间包钢水温度为1530～1560℃，结晶器冷却水流量为2200～2400L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为950～1000℃，铸坯的拉速为3.2～3.6m/min；
S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1100～1180℃，加热时间80～
120min；
S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度950～1000℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为900～950℃。
4.如权利要求3所述的高韧性易焊接钢的制备方法，其特征在于，步骤S1中方坯断面尺寸为150mm*150mm～170mm*170mm。
5.如权利要求3所述的高韧性易焊接钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*
150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1536℃，结晶器冷却水流量为2250L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为995℃，铸坯的拉速为3.3m/min;S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1150℃，加热时间110min;S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度980℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为920℃。
说明书 :
一种高韧性易焊接钢及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及桥梁用钢筋技术领域，具体地指一种高韧性易焊接钢及其制备方法。
背景技术
[0002] 随着现代桥梁向大型化、大跨度发展，桥梁制造工业也由传统的劳动密集型、制造环境差、制造质量不稳定向工业化、数字化建造变革，并融入先进智能制造技术，向智能建造方向发展，这就对桥梁制造用材料提出了更高的要求。传统的桥梁塔桥建设在混凝土浇灌前，其钢筋纵向主筋和横向箍筋布料连接需要靠建设工人在塔桥上进行人工绑扎，不仅效率低，绑扎质量不稳定、易滑动，而且安全性差。现代桥梁工业化制造采用机器人自动焊接的方式进行钢筋纵向主筋和横向箍筋连接，不仅提高生产效率，而且质量稳定可靠，没有任何安全隐患；但传统的钢筋在进行纵向主筋和横向箍筋布料焊接后，其焊接热影响区影响了主筋的性能，不能满足设计安全的需要。
[0003] 专利CN 165586538A公开了一种高强度高焊接性钢筋。通过向钢中添加Nb、V、Ti、Ni、Cr、Mo、Cu等大量贵重合金来提高钢的强度、耐腐蚀性和焊接性能，其成分配比为(wt％)：C:0.06‑0.10％，Si:0.15‑0.50％，Mn:0.40‑0.60％，V:0.05‑0.08％，Ti:0.01‑0.05％，Nb:0.01‑0.05％，Ni:0.01‑0.02％，Cr:0.2‑0.5％，Mo:0.1‑0.2％，Cu:0.2‑0.5％，其余为Fe及不可避免杂质。其强度屈服强度大于610MPa,碳当来小于0.40％。其缺点为添加了大量贵重合金元素，使其与传统的HRB400E相比，成本大幅增加，同时，钢中添加了高淬透性和热脆元素Cr、Mo、Cu等，易在焊接热影响区形成大量马氏体，受力易产生应力集中，发生脆断。
[0004] 专利CN 105648307A公开了本发明公开了一种高强度钢筋，涉及建筑材料技术领域，它具有以下质量百分含量的化学成分：C≦0.15％，Si0.2‑0.4％，Mn0.3‑0.6％，S≦0.03％，P≦0.03％，V0.1‑0.2％，Ni0.01‑0.03％，Cr≦0.1％，Mo0.06‑0.08％，Al0.006‑
0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。其屈服强度达到700MPa，但伸长率仅为10％左右，塑性较低。
0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。其屈服强度达到700MPa，但伸长率仅为10％左右，塑性较低。
[0005] 专利CN 108977729 A公开了一种高强度钢筋，按照重量百分比，由以下组分组成，C0.23‑0.28％，Si0.50‑0.70％，Mn1.30‑1.60％，V0.060‑0.080％，其余为Fe，控制杂质含量：S≤0.045％，P≤0.045％，其屈服强度大于600MPa，但伸长率仅20％，塑性较差，且碳当量大于0.50，不利于焊接。
[0006] 鉴于现有的钢筋专利在成本、焊接性能等方面不能适应现代大型桥梁工业化智能制造要求，因此，需要开发出一种保证高强度、抗震性的高韧性易焊接钢，提高韧性，改善焊接性能，满足大型桥梁工业化智能制造的需求。
发明内容
[0007] 本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种保证高强度、抗震性的高韧性易焊接钢。
[0008] 本发明的技术方案为：
[0009] 本发明的目的之一是提供一种高韧性易焊接钢，包括以下按质量百分数计的化学成分：
[0010] C 0.14‑0.18％，
[0011] Si 0.35‑0.55％，
[0012] Mn 0.80‑1.00％，
[0013] P≤0.015％，
[0014] S≤0.010％，
[0015] Al 0.005‑0.020％，
[0016] V 0.05‑0.08％，
[0017] N 0.0060‑0.0080％，
[0018] 其余为铁和不可避免的夹杂，
[0019] 其中碳当量Ceq＝C+Mn/6+V/5，0.28％＜Ceq≤0.38％。
[0020] 即本发明中，碳当量Ceq为C百分含量、Mn百分含量的1/6、V百分含量的1/5三者之和。
[0021] 优选的，包括以下按质量百分数计的化学成分：
[0022] C 0.14‑0.16％，
[0023] Si 0.4‑0.48％，
[0024] Mn 0.85‑1.00％，
[0025] P≤0.015％，
[0026] S≤0.010％，
[0027] Al 0.01‑0.016％，
[0028] V 0.065‑0.08％，
[0029] N 0.0062‑0.0072％，
[0030] 其余为铁和不可避免的夹杂，
[0031] 0.3％≤Ceq≤0.35％。
[0032] 进一步的，包括以下按质量百分数计的化学成分：
[0033] C 0.14％，
[0034] Si 0.45％，
[0035] Mn 0.90％，
[0036] P 0.010％，
[0037] S 0.004％，
[0038] Al 0.015％，
[0039] V 0.070％，
[0040] N 0.0072％，
[0041] 其余为铁和不可避免的夹杂。
[0042] 进一步的，所述高韧性易焊接钢屈服强度≥420MPa，抗拉强度≥550MPa，伸长率≥30％。
[0043] 更进一步的，所述高韧性易焊接钢作为作为主筋与箍筋焊接后，屈服强度≥420MPa，抗拉强度≥550MPa，伸长率≥30％。
[0044] 更进一步的，所述高韧性易焊接钢拉伸试验时断裂区域位于非焊接及热影响区域，断口为韧性断口。
[0045] 本发明的目的之二是提供一种以上任一所述的高韧性易焊接钢的制备方法，包括以下步骤：
[0046] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成方坯；连铸中间包钢水温度为1530～1560℃，结晶器冷却水流量为2200～2400L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为950～1000℃，铸坯的拉速为3.2～3.6m/min；
[0047] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1100～1180℃，加热时间80～120min；
[0048] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度950～1000℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷。
[0049] 优选的，步骤S1中方坯断面尺寸为150mm*150mm～170mm*170mm。
[0050] 优选的，步骤S3中进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋。
[0051] 优选的，步骤S3中钢筋进入冷床的温度为900～950℃。
[0052] 优选的，包括以下步骤：
[0053] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1536℃，结晶器冷却水流量为
2250L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为995℃，铸坯的拉速为3.3m/min。
2250L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为995℃，铸坯的拉速为3.3m/min。
[0054] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1150℃，加热时间110min。
[0055] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度980℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为920℃。
[0056] 本发明的有益效果为：
[0057] 1.碳含量的高低对钢的强度和焊接性能均有重要影响。含碳量越高，钢的强度越高，热影响区淬硬倾向越大，冷裂倾向也越大，焊接性越差。因此，本发明采用较低的碳含量来保证钢的焊接性能；同时，锰对钢在焊接后的焊缝韧性有较大影响，合适的锰含量有利于保证焊缝金属的强度和韧性；硅是脱氧元素，同时能在钢中具有较强的固溶强化作用，但焊接时钢中硅与氧反应生成的SiO2不易上浮去除，易在焊缝中形成夹渣，影响焊接性能，因此，本发明中的Si、Mn含量设计为0.35‑0.55％、0.80‑1.00％。
[0058] 2.本发明中添加适量的V、N使其以VN、VC、V(C、N)等析出相的形式在钢中析出，既能细化奥氏体晶粒，又能提高钢的强韧性能。钒的碳‑氮化物在钢中的溶解度大，而其氮化物的溶解度比碳化物低约两个数量级，这与Nb正好相反，与Ti相似。由于V在奥氏体中有较大的溶解度，从而热轧前粗大的碳氮化钒化合物也比碳化钒更易溶解。碳氮化钒相对较高的溶解度加上氮化钒的溶解度远低于碳化钒，使得钒成为一种容易控制又具有强烈沉淀强化作用的元素。因此，在钢中加入钒和氮，它们的碳、氮化物弥散的小颗粒能对焊接后的奥氏体晶界起钉扎作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，即阻止了奥氏体晶粒长大。
[0059] 3.Al作为一种强脱氧元素，能有效降低钢中氧含量，同时，钢中Al与氮形成氮化铝随钢水的凝固而析出细小的氮化铝颗粒，在轧制加热和焊接时，能有效阻碍奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒。
[0060] 4.本发明中严格控制钢中的P、S含量，尽可能减少其对钢的焊接性能影响，提高其韧性。
[0061] 5.本发明在克服传统的钢筋焊接性能不佳基础上，通过降低碳当量，添加V、N、Al等元素，在不影响力学性能的前提下使本发明的钢具有高韧性和易焊接性能，满足桥梁工业化智能制造的需求。
附图说明
[0062] 图1为本发明高韧性易焊接钢断裂部位图和断面形貌图
[0063] 图2为现有钢材的断裂区域部位图和断面形貌图
具体实施方式
[0064] 下面具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0065] 实施例1
[0066] 本实施例的高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.18％，Si 0.35％，Mn 0.82％，P 0.012％，S 0.010％，Al 0.008％，V 0.061％，N 0.0070％，Ceq＝C+Mn/6+V/5＝0.33％，其余为铁和不可避免的夹杂。
[0067] 其制备方法包括以下步骤：
[0068] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1540℃，结晶器冷却水流量为
2300L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为970℃，铸坯的拉速为3.3m/min。
2300L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为970℃，铸坯的拉速为3.3m/min。
[0069] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1135℃，加热时间115min。
[0070] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度990℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为945℃。
[0071] 实施例2
[0072] 本实施例的高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.16％，Si 0.40％，Mn 0.85％，P 0.009％，S 0.006％，Al 0.010％，V 0.065％，N 0.0066％，Ceq＝C+Mn/6+V/5＝0.31％，其余为铁和不可避免的夹杂。
[0073] 其制备方法包括以下步骤：
[0074] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1550℃，结晶器冷却水流量为
2320L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为975℃，铸坯的拉速为3.4m/min。
2320L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为975℃，铸坯的拉速为3.4m/min。
[0075] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1165℃，加热时间95min。
[0076] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度975℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为945℃。
[0077] 实施例3
[0078] 本实施例的高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.14％，Si 0.45％，Mn 0.90％，P 0.10％，S 0.004％，Al 0.015％，V 0.070％，N 0.0072％，Ceq＝C+Mn/6+V/5＝0.30％，其余为铁和不可避免的夹杂。
[0079] 其制备方法包括以下步骤：
[0080] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1536℃，结晶器冷却水流量为
2250L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为995℃，铸坯的拉速为3.3m/min。
2250L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为995℃，铸坯的拉速为3.3m/min。
[0081] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1150℃，加热时间110min。
[0082] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度980℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为920℃。
[0083] 实施例4
[0084] 本实施例的高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.14％，Si 0.48％，Mn 1.00％，P 0.013％，S 0.008％，Al 0.016％，V 0.080％，N 0.0062％，Ceq＝C+Mn/6+V/5＝0.32％，其余为铁和不可避免的夹杂。
[0085] 其制备方法包括以下步骤：
[0086] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1530℃，结晶器冷却水流量为
2220L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为988℃，铸坯的拉速为3.5m/min。
2220L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为988℃，铸坯的拉速为3.5m/min。
[0087] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1150℃，加热时间90min。
[0088] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度965℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为925℃。
[0089] 实施例5
[0090] 本实施例的高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.15％，Si 0.37％，Mn 0.98％，P 0.011％，S 0.007％，Al 0.007％，V 0.072％，N 0.0075％，Ceq＝C+Mn/6+V/5＝0.33％，其余为铁和不可避免的夹杂。
[0091] 其制备方法包括以下步骤：
[0092] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1535℃，结晶器冷却水流量为
2200L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为960℃，铸坯的拉速为3.2m/min。
2200L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为960℃，铸坯的拉速为3.2m/min。
[0093] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1100℃，加热时间110min。
[0094] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度960℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为930℃。
[0095] 实施例6
[0096] 本实施例的高韧性易焊接钢包括以下按质量百分数计的化学成分：C 0.17％，Si0.52％，Mn 0.88％，P 0.009％，S 0.004％，Al 0.006％，V 0.060％，N 0.0076％，Ceq＝C+Mn/6+V/5＝0.33％，其余为铁和不可避免的夹杂。
[0097] 其制备方法包括以下步骤：
[0098] S1.铁水经转炉冶炼、钢包炉炉精炼后通过连铸中间包和结晶器浇注成断面为150mm*150mm～170mm*170mm方坯；连铸中间包钢水温度为1555℃，结晶器冷却水流量为
2350L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为990℃，铸坯的拉速为3.6m/min。
2350L/min；铸坯出结晶器后经喷水冷却后温度为990℃，铸坯的拉速为3.6m/min。
[0099] S2.连铸坯装入方坯加热炉进行加热，加热段温度为1170℃，加热时间85min。
[0100] S3.加热后的方坯经高压水除鳞后，进入高刚度短应力连轧机组进行轧制成Φ28mm～Φ40mm螺纹钢筋，轧制分为初轧、中轧、精轧三个阶段，其中精轧温度965℃，精轧后钢筋进行穿水冷却，然后进入冷床进行空冷，钢筋进入冷床的温度为950℃。
[0101] 性能测试
[0102] 选用两种现有钢材作为对比钢，实施例1‑6中高韧性易焊接钢与对比钢的化学成分如下表1所示。钢热轧性能及焊接后性能下表2所示。
[0103] 表1本发明钢实施例与对比钢的化学成分(wt％)
[0104]
[0105] 表2本发明钢实施例与对比钢热轧性能及焊接后性能
[0106]
[0107] 从表2中数据可以看出，本发明制备的高韧性易焊接钢焊接前的屈服强度为425‑450MPa，抗拉强度为565‑590MPa，伸长率数据31‑34％，伸长率至少为对比钢的1.7倍以上；
焊接后的屈服强度数据425‑445MPa，抗拉强度数据570‑585MPa，伸长率数据31‑34％，焊接后伸长率至少为对比钢的2.6倍以上。
焊接后的屈服强度数据425‑445MPa，抗拉强度数据570‑585MPa，伸长率数据31‑34％，焊接后伸长率至少为对比钢的2.6倍以上。
[0108] 本发明制备的高韧性易焊接钢与对比钢1按JGJ18‑2012、GB/28900‑2012、GB/T1499.2‑2018进行焊接和拉伸测试，断裂部位如图1所示，从图1可以看出钢筋在非焊接区域断裂，断口为韧性断口，从而说明本发明制备的高韧性易焊接钢具有良好的焊接性能，从图2可以看出对比钢1在焊接区断裂，断口为脆性断口，焊接性能较差。