專利名稱：：高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼及其生產方法
技術領域：
：本發明涉及一種低合金高強鋼，具體的說是一種高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼及其生產方法。
背景技術：
：在現代建筑中，為減輕重量，縮短工期，增大空間，高層和超高層的鋼結構建筑日益增加，但高層建筑一旦發生火災，將可能造成巨大的人員傷害和財產損失。因此，對高層建筑鋼結構的耐火要求也越來越高。由于在發生火災時，高溫的影響將使鋼材的強度迅速降低，不能保持建筑結構所要求的強度，為此在許多高層建筑物的耐火設計中，都通常采用防火涂層以保護鋼結構。在耐火建筑中柱子和梁等主要結構必須設計成耐火結構，要求的耐火溫度為35(TC，在此溫度下鋼材的屈服強度要不低于室溫強度規定值的三分之二。有關建筑方面的結構用耐火鋼多有報道，如日本專利JP4056721、JP4056722、JP4056723，但上述三個專利的不足之處在于化學成分中貴重合金元素Mo含量較高(重量百分數大于0.50%)，提高了合金化成本，限制了鋼種的應用。又如日本專利JP5059433、JP6264136、JP3126816、JP3130319，上述四個專利雖然降低了貴重合金元素Mo的含量，但在生產過程中均須通過熱處理來改善鋼的綜合機械性能，其不僅增加了生產成本，且生產工藝流程較為復雜。美國專利US4990196公開了具有優異耐火性能和低屈強比(抗震性)的建筑鋼材，其不足之處在于其化學成分中貴重合金元素Mo含量均較高(重量百分數大于0.40%)，從而提高了合金化成本，限制了使用，且厚鋼板的焊接效率低，工程結構制造成本高，對于高層建筑以及地震多發地帶的建筑用厚鋼板具有局限性。
發明內容本發明的目的是為了解決上述技術問題，提供一種貴重合金元素Mo含量低、生產工藝流程和周期短、具有優良的耐火和抗震性能、良好的冷熱加工性能及優異的低溫韌性和焊接性能的高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼。本發明鋼高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼包括以鋼的化學成分按重量百分數計為C:0.050.13、Si:0.100.60、Mn:0.801.80、P《0.015、S《0.010、Mo:0.150.50、Cr:0.150.50、Nb:0.0150.050、Als:0.0100.050，以及V:0.010.10、Ti:0.0050.020、Ni:0.050.50、RE:0.00100.020、Ca:0.00100.010中的至少一種，其余為Fe及不可避免的雜質。C含量選擇在0.050.13%，C是鋼中不可缺少的提高鋼材強度的元素之一，碳含量每增加0.1X抗拉強度大約提高90MPa，屈服極限大約提高4050MPa。隨著碳含量的增加，鋼中Fe3C增加，淬硬性也增加，鋼的抗拉強度和屈服極限會提高，而塑性和韌性指標會下降，焊接性能變差。在焊接C含量較高的鋼材時，在焊接熱影響區還會出現淬硬現象，這將加劇焊接時產生冷裂紋的傾向。所以規定C的上限為0.13X，在此范圍內，既提高鋼的強度又適合生產操作，提高其在大生產中的適用性和可行性。Si含量選擇在0.100.60%，Si主要以固溶強化形式提高鋼的強度，也是鋼中的脫氧元素。但如果鋼中Si含量過高，則會引起面縮率下降，特別是沖擊韌性下降較為明顯，同時對鋼的焊接性也不利，因此鋼中Si含量不應過高，本發明鋼Si含量上限定為0.60%。本發明的Mn含量選擇在0.801.80%。Mn是很重要的合金化元素，是奧氏體穩定化元素，在相同C含量和冷卻速度下，隨著鋼中Mn含量的增加，鋼中珠光體的相對含量會增加，珠光體片層細化，從而提高鋼的強度，在含Mn量不高的情況下，鋼的塑性基本上不降低。此外，由于Mn是擴大奧氏體相區元素，從而使先共析鐵素體在更低的溫度下析出且細化，同時，抑制了碳化物在過冷奧氏體晶界上析出，使鋼保持在較高的塑性，并降低鋼的韌性-脆性轉變溫度。Mn在鋼中還是防止熱脆性的主要元素，MnS大約在出鋼階段形成，所以消除了S造成的危害。Mn是與Y-Fe形成連續固溶體的常用元素，是溶入鐵素體而引起鋼的固溶強化的，并且不惡化鋼的變形能力。含l^的Mn約可提高抗拉強度100MPa，隨著Mn含量的增加，鋼材的強度明顯的增加，但Mn含量過高，對鋼的韌性不利，本發明中Mn的含量上限為1.80%。P《0.015%、S《0.010%，這是由于鋼中的P、S含量必須控制在較低的范圍，只有冶煉純凈鋼，才能保證本發明鋼的性能。Mo含量選擇在0.150.50%，Mo是縮小奧氏體相區的元素，同時也抑制奧氏體的分解，推遲晶界鐵素體轉變而有利于貝氏體組織的形成。Mo是一個很強的固溶強化元素，Mo與C形成Mc^C、MoC以及偕Fe形成復雜的碳化物，能顯著提高鋼材強度特別是高溫強度，它的固溶強化作用是其高溫蠕變破裂強度增強的主要原因，但其析出碳化物相的強化作用不如其它元素，加入0.5%的Mo能使鋼的高溫蠕變強度提高75%。但過高的Mo含量會惡化鋼的低溫韌性和焊接性能，因此，本發明鋼Mo含量上限規定為0.50%。Cr含量選擇在0.150.50%，Cr是縮小奧氏體相區的元素，是中強碳化物形成元素，在鋼中可以形成碳化物也可固溶于鐵素體。Cr與Mo類似，提高鋼的熱強性。加入Cr會提高鋼的淬硬性，從而提高鋼材對焊接冷裂紋的敏感性，但含量在0.5%以下時對焊接性無害，只有含量達到1%時才會提高淬硬性和冷裂紋敏感性。Nb含量選擇在0.0150.050%，Nb是強碳化物形成元素，在高溫下具有很強的固溶強化作用，它主要通過沉淀強化來提高鋼的高溫強度，含Mo鋼中，微量Nb的加入可以明顯提高鋼的強度，尤其對高溫強度的貢獻較大，因此，Nb應是耐火鋼中主要添加元素之一。Nb還是細化晶粒的重要元素，尤其對奧氏體晶粒的細化和再結晶組織的細化作用。Nb在鋼中主要通過與C、N形成微細的碳氮化物來提高鋼材的強度和韌性，即使添加0.010%的Nb也能表現出其效果。在控軋微合金鋼中，Nb元素細化晶粒尺寸的效果和延緩奧氏體再結晶的能力是最突出的，微量Nb對奧氏體再結晶有強烈的抑制作用，使含Nb鋼可以在較高的溫度下進行控制軋制。Al含量選擇在0.0100.050%，Al是鋼中的主要脫氧元素，也是細化晶粒元素。當鋼中A1含量過高時，容易引起鋼中夾雜增多，降低鋼的純凈度，不利于鋼的韌性。本發明中還含有重量百分數為V:0.010.10%、Ti:0.0050.020%、Ni:0.050.50%、RE:0.00100.020X或Ca:0.00100.010%中的至少一種。V含量選擇在0.010.10%，V是一種相當強烈的碳化物形成元素。它通過細化晶粒與碳化物的形成可提高鋼材的常溫和高溫強度，當V與Cr、Mo同時存在時，則會在回火過程中形成復雜的碳化物而降低焊接接頭的塑韌性。特別強調的是Cr、Mo、V鋼厚壁容器的焊接接頭在焊后進行消應力處理時對裂紋的敏感性較高，因此無論為保證塑韌性亦或消應力避免裂紋產生都必須嚴格控制V量(限制在0.10%以下)。Ti含量選擇在0.0050.020%，適量的Ti能提高焊縫金屬的韌性，但過量的Ti又會使之降低。在低合金高強鋼中從提高焊縫金屬的韌性考慮，加入量不超過0.02%的Ti較為合適。利用Ti形成的第二相質點TiN、Ti(CN)等阻止大線能量焊接過程中熱影響區中粗晶區的晶粒長大，使晶粒細化，提高鋼的低溫韌性。Ni含量選擇在0.050.50%，Ni具有一定的強化作用，加入l^的Ni可提高鋼材強度約20MPa。Ni還能顯著地改善鋼材的韌性，特別是低溫韌性。鋼中加入Ni，無論是基材，還是模擬焊接熱影響區都明顯地提高了低溫韌性。但含量過高時，造成鋼板氧化鐵皮難以脫落，故上限控制在0.50%。RE含量選擇在0.00100.020%。RE的主要作用是為使鋼中的硫化物夾雜球化，以改善縱橫向性能差異，提高鋼的Z向性能，從而使鋼具有優異的抗層狀撕裂性能。本發明的Ca含量選擇在0.00100.010%。鋼中Ca可以控制硫化物的形態、提高夏比吸收能、改善低溫韌性，但Ca含量低于0.0010X時，效果不明顯；而Ca含量過多，則會生成許多CaO、CaS的大型夾雜物，從而影響鋼的純凈度和低溫沖擊韌性，也可能對鋼的焊接性能和抗層狀撕裂性能產生不利的影響。發明鋼除含有上述化學成分外，余量為Fe及不可避免的雜質。本發明鋼的生產方法為將由上述限定成份制成的鑄坯(又稱鋼坯或鋼錠)加熱至1200131(TC，然后采用兩階段控制軋制，初軋開軋溫度1100128(TC，精軋開軋溫度900980°C，優選920960。C，精軋結束溫度800880°C，優選820860。C，精軋末三道次的累計壓下率230%，軋制結束后在兩相區(鐵素體和奧氏體相區)進行噴水冷卻，使鋼板的返紅溫度為63078(TC，然后控冷至室溫。為使鑄坯充分奧氏體化，必須控制鑄坯加熱至1200131(TC，特別需要提出的是本發明采用兩階段控制軋制的方法，初軋開軋溫度為11001280°C，以便容易去除鋼板表面的氧化鐵皮、確保道次壓下量和充分細化氏體晶粒；精軋開軋溫度為9009S(TC，以使精軋階段完全在奧氏體未再結晶區軋制，避免出現混晶組織，影響鋼板的綜合性能；精軋結束溫度為80088(TC，控制末三道次累計壓下率230%，從而充分細化鐵素體晶粒，提高鋼板強度，使鋼板具有優異的低溫沖擊韌性，改善鋼板的焊接性能和加工成型性，以使鋼板具有良好的強韌性匹配和機加工性能；精軋結束后在兩相區(鐵素體和奧氏體相區)進行噴水冷卻，然后控冷至室溫。由于采用上述工藝生產的鋼板具有良好的強韌性匹配、優異的焊接性能和機加工成型性，因此，得到的本發明鋼無需再進行熱處理，工藝流程更為簡單，也降低了生產成本。熔煉上述成分的鋼，進行鑄造，制成鑄坯，如可以采用常規的鐵水脫硫-轉爐冶煉-真空處理-連鑄得到。有益效果1.本發明鋼同時具有優良的耐火性能(60(TC高溫屈服強度RP。.2/R^2/3)以及優良的抗震性能(UR^0.75)。2.本發明鋼以加入最少量、最合理的微合金元素獲得良好的強韌性匹配，具有高強度、高韌性及優良的耐高溫性能、焊接性能和抗震性能，即使厚度高達40mm鋼板焊前也不需預熱或預熱溫度不高于5(TC，焊后不需熱處理。可大大簡化焊接生產工藝，提高焊接效率，降低生產成本。3.本發明方法采取合理的軋制工藝，生產的鋼以控制軋制狀態交貨，無需進行較為復雜的熱處理工序，具有鋼材成本較低，工藝簡單、生產周期短等優點，適應大生產要求，可廣泛用于各類高層、超高層、塔架等要求同時具備耐高溫及抗震性能的工程鋼結構。具體實施方式實施例1在轉爐中熔煉表l中指定成份的鋼，添加合金后通過連鑄后制成鑄坯，將鑄坯加熱到1200131(TC充分奧氏體化后出爐軋制，初軋開軋溫度為IIO(TC，精軋開軋溫度為98(TC，最后三道次累積壓下率控制在30%，精軋結束溫度為88(TC，軋后在兩相區(鐵素體和奧氏體相區)進行噴水適當快冷，然后控制冷至室溫。軋制鋼板的厚度為16mm。實施例2本實施例中，初軋開軋溫度為1150°C，精軋開軋溫度為96(TC，最后三道次累積壓下率控制在45%，精軋結束溫度為86(TC，其余同實施例l。軋制鋼板的厚度為18mm。實施例3本實施例中，初軋開軋溫度為1180°C，精軋開軋溫度為94(TC，最后三道次累積壓下率控制在35%，精軋結束溫度為84(TC，其余同實施例l。軋制鋼板的厚度為20mm。實施例4本實施例中，初軋開軋溫度為1120°C，精軋開軋溫度為92(TC，最后三道次累積壓下率控制在40%，精軋結束溫度為82(TC，其余同實施例l，然后控制冷至室溫。軋制鋼板的厚度為22mm。實施例5本實施例中，初軋開軋溫度為1250°C，精軋開軋溫度為90(TC，最后三道次累積壓下率控制在45%，精軋結束溫度為80(TC，其余同實施例l。軋制鋼板的厚度為24mm。實施例6本實施例中，初軋開軋溫度為1280°C，精軋開軋溫度為98(TC，最后三道次累積壓下率控制在50%，精軋結束溫度為86(TC，其余同實施例l。軋制鋼板的厚度為24mm。比較例1比較例3是將鑄坯采用常規方法制成的鋼板。本發明實施例16與比較例13的化學成分見表1，各種力學性能實驗結果見表2。表1本發明實施例與比較例的化學成分對比(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2本發明鋼與比較鋼的力學性能對比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>經對本發明實施例16制得的鋼板進行常溫拉伸性能、Z向拉伸性能、-20°C鋼板縱向沖擊韌性以及60(TC高溫拉伸性能試驗，并與比較例13進行了對比，其結果在常溫拉伸性能與對比鋼處于同一水平，但具有優異的低溫韌性，-20°〇溫度下的沖擊功均在120J以上，遠遠高于對比鋼種；本發明鋼板厚度方向性能(Zz)是比較例鋼板的2倍以上，具有優良的抗層狀撕裂能力；屈強比(ReL/RJ均小于0.75，而比較例則大于0.75，這說明本發明鋼具有更優的抗震性能；另外，本發明鋼在60(TC時的高溫屈服強度Rp。乂^235MPa)均大于室溫下屈服強度的2/3，比較例600°C時的高溫屈服強度Rp。乂《235MPa)小于室溫下屈服強度的2/3，因此，本發明制得鋼板具有優良的耐火性能。總之，本發明鋼具有優異的綜合機械性能。權利要求一種高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼，其特征在于，以鋼的化學成分按重量百分數計為C0.05～0.13、Si0.10～0.60、Mn0.80～1.80、P≤0.015、S≤0.010、Mo0.15～0.50、Cr0.15～0.50、Nb0.015～0.050、Als0.010～0.050，以及V0.01～0.10、Ti0.005～0.020、Ni0.05～0.50、RE0.0010～0.020、Ca0.0010～0.010中的至少一種，其余為Fe及不可避免的雜質。2.—種高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼的生產方法，其特征在于，將權利要求1所述的成份的鑄坯加熱至1200131(TC，然后采用兩階段控制軋制，初軋開軋溫度11001280°C，精軋開軋溫度90098(TC，精軋結束溫度800880°C，精軋末三道次的累計壓下率^30%，軋制結束后在兩相區進行噴水冷卻，使鋼板的返紅溫度為630780°C，然后控冷至室溫。3.如權利要求2所述的生產一種高性能耐候抗震建筑用鋼的方法，其特征在于精軋開軋溫度控制在920960°C;精軋終軋溫度控制在820860°C。全文摘要本發明公開了一種高強韌性焊接結構用耐火抗震建筑鋼及其生產方法，解決了現有建筑鋼貴重合金元素Mo含量高、生產加工成本較高、低耐火和抗震性能較差的問題。本發明鋼以鋼的化學成分按重量百分數計為C0.05～0.13、Si0.10～0.60、Mn0.80～1.80、P≤0.015、S≤0.010、Mo0.15～0.50、Cr0.15～0.50、Nb0.015～0.050、Als0.010～0.050，以及V0.01～0.10、Ti0.005～0.020、Ni0.05～0.50、RE0.0010～0.020、Ca0.0010～0.010中的至少一種，其余為Fe及不可避免的雜質。本發明鋼貴重合金元素Mo含量低、生產工藝流程和周期短、具有優良的耐火和抗震性能、良好的冷熱加工性能及優異的低溫韌性和焊接性能。文檔編號C22C38/58GK101691643SQ20091027241公開日2010年4月7日申請日期2009年10月15日優先權日2009年10月15日發明者習天輝,卜勇,張開廣,張政權,杜明,梅榮利,童明偉,芮曉龍,董中波,郭斌申請人:武漢鋼鐵(集團)公司