專(zhuān)利名稱：：高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種低合金高強(qiáng)鋼，具體的說(shuō)是一種高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
：在現(xiàn)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(jié)構(gòu)建筑日益增加，但高層建筑一旦發(fā)生火災(zāi)，將可能造成巨大的人員傷害和財(cái)產(chǎn)損失。因此，對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的耐火要求也越來(lái)越高。由于在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，高溫的影響將使鋼材的強(qiáng)度迅速降低，不能保持建筑結(jié)構(gòu)所要求的強(qiáng)度，為此在許多高層建筑物的耐火設(shè)計(jì)中，都通常采用防火涂層以保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)。在耐火建筑中柱子和梁等主要結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)成耐火結(jié)構(gòu)，要求的耐火溫度為35(TC，在此溫度下鋼材的屈服強(qiáng)度要不低于室溫強(qiáng)度規(guī)定值的三分之二。有關(guān)建筑方面的結(jié)構(gòu)用耐火鋼多有報(bào)道，如日本專(zhuān)利JP4056721、JP4056722、JP4056723，但上述三個(gè)專(zhuān)利的不足之處在于化學(xué)成分中貴重合金元素Mo含量較高(重量百分?jǐn)?shù)大于0.50%)，提高了合金化成本，限制了鋼種的應(yīng)用。又如日本專(zhuān)利JP5059433、JP6264136、JP3126816、JP3130319，上述四個(gè)專(zhuān)利雖然降低了貴重合金元素Mo的含量，但在生產(chǎn)過(guò)程中均須通過(guò)熱處理來(lái)改善鋼的綜合機(jī)械性能，其不僅增加了生產(chǎn)成本，且生產(chǎn)工藝流程較為復(fù)雜。美國(guó)專(zhuān)利US4990196公開(kāi)了具有優(yōu)異耐火性能和低屈強(qiáng)比(抗震性)的建筑鋼材，其不足之處在于其化學(xué)成分中貴重合金元素Mo含量均較高(重量百分?jǐn)?shù)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(jié)構(gòu)制造成本高，對(duì)于高層建筑以及地震多發(fā)地帶的建筑用厚鋼板具有局限性。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種貴重合金元素Mo含量低、生產(chǎn)工藝流程和周期短、具有優(yōu)良的耐火和抗震性能、良好的冷熱加工性能及優(yōu)異的低溫韌性和焊接性能的高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼。本發(fā)明鋼高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼包括以鋼的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)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(zhì)。C含量選擇在0.050.13%，C是鋼中不可缺少的提高鋼材強(qiáng)度的元素之一，碳含量每增加0.1X抗拉強(qiáng)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(qiáng)度和屈服極限會(huì)提高，而塑性和韌性指標(biāo)會(huì)下降，焊接性能變差。在焊接C含量較高的鋼材時(shí)，在焊接熱影響區(qū)還會(huì)出現(xiàn)淬硬現(xiàn)象，這將加劇焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的傾向。所以規(guī)定C的上限為0.13X，在此范圍內(nèi)，既提高鋼的強(qiáng)度又適合生產(chǎn)操作，提高其在大生產(chǎn)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(qiáng)化形式提高鋼的強(qiáng)度，也是鋼中的脫氧元素。但如果鋼中Si含量過(guò)高，則會(huì)引起面縮率下降，特別是沖擊韌性下降較為明顯，同時(shí)對(duì)鋼的焊接性也不利，因此鋼中Si含量不應(yīng)過(guò)高，本發(fā)明鋼Si含量上限定為0.60%。本發(fā)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(wěn)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(duì)含量會(huì)增加，珠光體片層細(xì)化，從而提高鋼的強(qiáng)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(kuò)大奧氏體相區(qū)元素，從而使先共析鐵素體在更低的溫度下析出且細(xì)化，同時(shí)，抑制了碳化物在過(guò)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(zhuǎn)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(xù)固溶體的常用元素，是溶入鐵素體而引起鋼的固溶強(qiáng)化的，并且不惡化鋼的變形能力。含l^的Mn約可提高抗拉強(qiáng)度100MPa，隨著Mn含量的增加，鋼材的強(qiáng)度明顯的增加，但Mn含量過(guò)高，對(duì)鋼的韌性不利，本發(fā)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(fā)明鋼的性能。Mo含量選擇在0.150.50%，Mo是縮小奧氏體相區(qū)的元素，同時(shí)也抑制奧氏體的分解，推遲晶界鐵素體轉(zhuǎn)變而有利于貝氏體組織的形成。Mo是一個(gè)很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化元素，Mo與C形成Mc^C、MoC以及偕Fe形成復(fù)雜的碳化物，能顯著提高鋼材強(qiáng)度特別是高溫強(qiáng)度，它的固溶強(qiáng)化作用是其高溫蠕變破裂強(qiáng)度增強(qiáng)的主要原因，但其析出碳化物相的強(qiáng)化作用不如其它元素，加入0.5%的Mo能使鋼的高溫蠕變強(qiáng)度提高75%。但過(guò)高的Mo含量會(huì)惡化鋼的低溫韌性和焊接性能，因此，本發(fā)明鋼Mo含量上限規(guī)定為0.50%。Cr含量選擇在0.150.50%，Cr是縮小奧氏體相區(qū)的元素，是中強(qiáng)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(lèi)似，提高鋼的熱強(qiáng)性。加入Cr會(huì)提高鋼的淬硬性，從而提高鋼材對(duì)焊接冷裂紋的敏感性，但含量在0.5%以下時(shí)對(duì)焊接性無(wú)害，只有含量達(dá)到1%時(shí)才會(huì)提高淬硬性和冷裂紋敏感性。Nb含量選擇在0.0150.050%，Nb是強(qiáng)碳化物形成元素，在高溫下具有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，它主要通過(guò)沉淀強(qiáng)化來(lái)提高鋼的高溫強(qiáng)度，含Mo鋼中，微量Nb的加入可以明顯提高鋼的強(qiáng)度，尤其對(duì)高溫強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較大，因此，Nb應(yīng)是耐火鋼中主要添加元素之一。Nb還是細(xì)化晶粒的重要元素，尤其對(duì)奧氏體晶粒的細(xì)化和再結(jié)晶組織的細(xì)化作用。Nb在鋼中主要通過(guò)與C、N形成微細(xì)的碳氮化物來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度和韌性，即使添加0.010%的Nb也能表現(xiàn)出其效果。在控軋微合金鋼中，Nb元素細(xì)化晶粒尺寸的效果和延緩?qiáng)W氏體再結(jié)晶的能力是最突出的，微量Nb對(duì)奧氏體再結(jié)晶有強(qiáng)烈的抑制作用，使含Nb鋼可以在較高的溫度下進(jìn)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(xì)化晶粒元素。當(dāng)鋼中A1含量過(guò)高時(shí)，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(fā)明中還含有重量百分?jǐn)?shù)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(dāng)強(qiáng)烈的碳化物形成元素。它通過(guò)細(xì)化晶粒與碳化物的形成可提高鋼材的常溫和高溫強(qiáng)度，當(dāng)V與Cr、Mo同時(shí)存在時(shí)，則會(huì)在回火過(guò)程中形成復(fù)雜的碳化物而降低焊接接頭的塑韌性。特別強(qiáng)調(diào)的是Cr、Mo、V鋼厚壁容器的焊接接頭在焊后進(jìn)行消應(yīng)力處理時(shí)對(duì)裂紋的敏感性較高，因此無(wú)論為保證塑韌性亦或消應(yīng)力避免裂紋產(chǎn)生都必須嚴(yán)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(guò)量的Ti又會(huì)使之降低。在低合金高強(qiáng)鋼中從提高焊縫金屬的韌性考慮，加入量不超過(guò)0.02%的Ti較為合適。利用Ti形成的第二相質(zhì)點(diǎn)TiN、Ti(CN)等阻止大線能量焊接過(guò)程中熱影響區(qū)中粗晶區(qū)的晶粒長(zhǎng)大，使晶粒細(xì)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(qiáng)化作用，加入l^的Ni可提高鋼材強(qiáng)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(wú)論是基材，還是模擬焊接熱影響區(qū)都明顯地提高了低溫韌性。但含量過(guò)高時(shí)，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(yōu)異的抗層狀撕裂性能。本發(fā)明的Ca含量選擇在0.00100.010%。鋼中Ca可以控制硫化物的形態(tài)、提高夏比吸收能、改善低溫韌性，但Ca含量低于0.0010X時(shí)，效果不明顯；而Ca含量過(guò)多，則會(huì)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(duì)鋼的焊接性能和抗層狀撕裂性能產(chǎn)生不利的影響。發(fā)明鋼除含有上述化學(xué)成分外，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明鋼的生產(chǎn)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(kāi)軋溫度1100128(TC，精軋開(kāi)軋溫度900980°C，優(yōu)選920960。C，精軋結(jié)束溫度800880°C，優(yōu)選820860。C，精軋末三道次的累計(jì)壓下率230%，軋制結(jié)束后在兩相區(qū)(鐵素體和奧氏體相區(qū))進(jìn)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(fā)明采用兩階段控制軋制的方法，初軋開(kāi)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(xì)化氏體晶粒；精軋開(kāi)軋溫度為9009S(TC，以使精軋階段完全在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，避免出現(xiàn)混晶組織，影響鋼板的綜合性能；精軋結(jié)束溫度為80088(TC，控制末三道次累計(jì)壓下率230%，從而充分細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼板強(qiáng)度，使鋼板具有優(yōu)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(qiáng)韌性匹配和機(jī)加工性能；精軋結(jié)束后在兩相區(qū)(鐵素體和奧氏體相區(qū))進(jìn)行噴水冷卻，然后控冷至室溫。由于采用上述工藝生產(chǎn)的鋼板具有良好的強(qiáng)韌性匹配、優(yōu)異的焊接性能和機(jī)加工成型性，因此，得到的本發(fā)明鋼無(wú)需再進(jìn)行熱處理，工藝流程更為簡(jiǎn)單，也降低了生產(chǎn)成本。熔煉上述成分的鋼，進(jìn)行鑄造，制成鑄坯，如可以采用常規(guī)的鐵水脫硫-轉(zhuǎn)爐冶煉-真空處理-連鑄得到。有益效果1.本發(fā)明鋼同時(shí)具有優(yōu)良的耐火性能(60(TC高溫屈服強(qiáng)度RP。.2/R^2/3)以及優(yōu)良的抗震性能(UR^0.75)。2.本發(fā)明鋼以加入最少量、最合理的微合金元素獲得良好的強(qiáng)韌性匹配，具有高強(qiáng)度、高韌性及優(yōu)良的耐高溫性能、焊接性能和抗震性能，即使厚度高達(dá)40mm鋼板焊前也不需預(yù)熱或預(yù)熱溫度不高于5(TC，焊后不需熱處理?？纱蟠蠛?jiǎn)化焊接生產(chǎn)工藝，提高焊接效率，降低生產(chǎn)成本。3.本發(fā)明方法采取合理的軋制工藝，生產(chǎn)的鋼以控制軋制狀態(tài)交貨，無(wú)需進(jìn)行較為復(fù)雜的熱處理工序，具有鋼材成本較低，工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)大生產(chǎn)要求，可廣泛用于各類(lèi)高層、超高層、塔架等要求同時(shí)具備耐高溫及抗震性能的工程鋼結(jié)構(gòu)。具體實(shí)施方式實(shí)施例1在轉(zhuǎn)爐中熔煉表l中指定成份的鋼，添加合金后通過(guò)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(kāi)軋溫度為IIO(TC，精軋開(kāi)軋溫度為98(TC，最后三道次累積壓下率控制在30%，精軋結(jié)束溫度為88(TC，軋后在兩相區(qū)(鐵素體和奧氏體相區(qū))進(jìn)行噴水適當(dāng)快冷，然后控制冷至室溫。軋制鋼板的厚度為16mm。實(shí)施例2本實(shí)施例中，初軋開(kāi)軋溫度為1150°C，精軋開(kāi)軋溫度為96(TC，最后三道次累積壓下率控制在45%，精軋結(jié)束溫度為86(TC，其余同實(shí)施例l。軋制鋼板的厚度為18mm。實(shí)施例3本實(shí)施例中，初軋開(kāi)軋溫度為1180°C，精軋開(kāi)軋溫度為94(TC，最后三道次累積壓下率控制在35%，精軋結(jié)束溫度為84(TC，其余同實(shí)施例l。軋制鋼板的厚度為20mm。實(shí)施例4本實(shí)施例中，初軋開(kāi)軋溫度為1120°C，精軋開(kāi)軋溫度為92(TC，最后三道次累積壓下率控制在40%，精軋結(jié)束溫度為82(TC，其余同實(shí)施例l，然后控制冷至室溫。軋制鋼板的厚度為22mm。實(shí)施例5本實(shí)施例中，初軋開(kāi)軋溫度為1250°C，精軋開(kāi)軋溫度為90(TC，最后三道次累積壓下率控制在45%，精軋結(jié)束溫度為80(TC，其余同實(shí)施例l。軋制鋼板的厚度為24mm。實(shí)施例6本實(shí)施例中，初軋開(kāi)軋溫度為1280°C，精軋開(kāi)軋溫度為98(TC，最后三道次累積壓下率控制在50%，精軋結(jié)束溫度為86(TC，其余同實(shí)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(guī)方法制成的鋼板。本發(fā)明實(shí)施例16與比較例13的化學(xué)成分見(jiàn)表1，各種力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。表1本發(fā)明實(shí)施例與比較例的化學(xué)成分對(duì)比(wt%)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2本發(fā)明鋼與比較鋼的力學(xué)性能對(duì)比<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>經(jīng)對(duì)本發(fā)明實(shí)施例16制得的鋼板進(jìn)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(yàn)，并與比較例13進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果在常溫拉伸性能與對(duì)比鋼處于同一水平，但具有優(yōu)異的低溫韌性，-20°〇溫度下的沖擊功均在120J以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于對(duì)比鋼種；本發(fā)明鋼板厚度方向性能(Zz)是比較例鋼板的2倍以上，具有優(yōu)良的抗層狀撕裂能力；屈強(qiáng)比(ReL/RJ均小于0.75，而比較例則大于0.75，這說(shuō)明本發(fā)明鋼具有更優(yōu)的抗震性能；另外，本發(fā)明鋼在60(TC時(shí)的高溫屈服強(qiáng)度Rp。乂^235MPa)均大于室溫下屈服強(qiáng)度的2/3，比較例600°C時(shí)的高溫屈服強(qiáng)度Rp。乂《235MPa)小于室溫下屈服強(qiáng)度的2/3，因此，本發(fā)明制得鋼板具有優(yōu)良的耐火性能?？傊?，本發(fā)明鋼具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能。權(quán)利要求一種高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼，其特征在于，以鋼的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)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(zhì)。2.—種高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼的生產(chǎn)方法，其特征在于，將權(quán)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(kāi)軋溫度11001280°C，精軋開(kāi)軋溫度90098(TC，精軋結(jié)束溫度800880°C，精軋末三道次的累計(jì)壓下率^30%，軋制結(jié)束后在兩相區(qū)進(jìn)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(quán)利要求2所述的生產(chǎn)一種高性能耐候抗震建筑用鋼的方法，其特征在于精軋開(kāi)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(fā)明公開(kāi)了一種高強(qiáng)韌性焊接結(jié)構(gòu)用耐火抗震建筑鋼及其生產(chǎn)方法，解決了現(xiàn)有建筑鋼貴重合金元素Mo含量高、生產(chǎn)加工成本較高、低耐火和抗震性能較差的問(wèn)題。本發(fā)明鋼以鋼的化學(xué)成分按重量百分?jǐn)?shù)計(jì)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(zhì)。本發(fā)明鋼貴重合金元素Mo含量低、生產(chǎn)工藝流程和周期短、具有優(yōu)良的耐火和抗震性能、良好的冷熱加工性能及優(yōu)異的低溫韌性和焊接性能。文檔編號(hào)C22C38/58GK101691643SQ20091027241公開(kāi)日2010年4月7日申請(qǐng)日期2009年10月15日優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日發(fā)明者習(xí)天輝,卜勇,張開(kāi)廣,張政權(quán),杜明,梅榮利,童明偉,芮曉龍,董中波,郭斌申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司