专利名称：耐火抗震建筑用钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及建筑用钢，特别是涉及经济型耐火抗震建筑用钢极其制造方法。
背景技术：
目前钢结构以其自重轻、基础造价低，施工周期短、能解决大空间的复杂问题，整体性和抗震性较好以及资源的可再生利用等优点，在高层建筑及大跨度建筑中得到广泛的应用，钢结构优势明显，也是未来建筑的发展方 向。然而，常规钢结构存在致命弱点即耐火极限低一在火灾发生后的高温环境下容易软化且失去基本的承载能力，严重制约了钢结构建筑的发展。现有技术已有介绍耐火抗震建筑用钢相关专利的，如CN1354273A公开了一种耐火抗震建筑用钢及其生产方法。该钢经冶炼、轧制、冷却后成材，不需要后续的热处理工艺，就使钢具有高强度、高韧性、优良的耐火和耐候性。但其化学成分中贵金属合金元素Mo含量(O. 35-1% )、Cr 含量(O. 3-0. 8% )和 Ni (O. 1-1% )均较高，而且还附加 Cu、Nb、V、Ti、A1、B、RE等微量元素。贵金属合金成分含量高，合金成分较复杂，都大大提高了钢的合金化成本，从而限制了耐火抗震建筑用钢的广泛使用。CN1970818A也公开了一种耐火抗震建筑用钢及其制造方法，其中钢是以C、Si、Mn、Mo (O. 2-0. 5% ), Cr (O. 3-0. 6% )合金元素为主，附加 Cu、Nb、V、Ni、Ti、Al、B、RE 微量
元素。这些钢中Mo和Cr等贵金属合金元素含量可以较低，但生产过程过于复杂，在轧制成型后需采用淬火+回火热处理工艺生产。因此，非常需要提供一种既能满足耐火抗震建筑用钢的性能要求，又能经济地生产的经济型耐火建筑用钢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐火抗震建筑用钢。该类钢板屈服强度覆盖235MPa到460MPa级别，具有优良的600°C高温性能，表现出良好的耐火性能。钢板的屈强比(O. 75%，碳当量< O. 45%，钢板具有很好的焊接性能和抗震性能。适用领域主要是钢结构建筑及其它要求耐火性能的钢结构领域。为实现上述目的，本发明的耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为C 0. 1-0. 18%, Si 0. 1-0. 50%, Mn :1_1· 80%, P 彡 O. 025%, S 彡 O. 015%, Cr ( O. 50%,Mo ( O. 30%,Al ( O. 04%,O. 007%,Ca^ O. 006%，以及 Nb ( O. 030%,O. 035%,Ti ^ O. 035%中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti ^ O. 055%，余为铁和不可避免的杂质。根据本发明，屈服强度235MPa级别耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为C 0. 1-0. 15%, Si 0. 1-0. 50 %, Mn :1-1. 40 %, P ^ O. 025 %, S 彡 O. 015 %，Cr ^ O. 50%,Mo ^ O. 20%,Al ^ O. 04%,O. 007%, Ca ( O. 006%，以及 Nb ( O. 050%,V彡O. 055%,Ti ( O. 035%中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti ( O. 055%，余为铁和不可避免的杂质。
根据本发明，屈服强度345MPa级别耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为C 0. 1-0. 16 %, Si 0. 1-0. 50 %, Mn :1-1. 60 %, P ^ O. 025 %, S^O. 015 %,Cr ^ O. 50%,Mo ^ O. 30%,Al ^ O. 04%,O. 007% ,Ca 彡 O. 006%，以及 Nb ( O. 050%,V^O. 055%, Ti ^ O. 035%中的一种或两种以上，且 O. 015%^ Nb+V+Ti 彡 O. 055%，余为铁和不可避免的杂质。根据本发明，屈服强度420MPa级别耐火抗震建筑用钢，其化学成分为(按重量百分比):C O. 12-0. 18%, Si O. 1-0. 50%, Mn I. 1-1. 80%, P 彡 O. 025%, S 彡 O. 015%,N 彡 O. 007 %, Cr ^ O. 55 %,0. 10 % 彡 Mo 彡 O. 30 %, Al ^ O. 04 %, Ca ^ O. 006 %以及Nb彡O. 050 %，V彡O. 055 %，Ti彡O. 035 %中的一种或两种以上，且O. 015 %(Nb+V+Ti ( O. 055%，余为铁和不可避免的杂质。优选地，C0. 10-0. 17%，优选地，C 0. 10-0. 16%，优选地，C 0. 10-0. 15%，更优选地 C :0. 103-0. 15%。优选地，Si0. 10-0. 45%，更优选地，Si 0. 10-0.41%。优选地，Mn:1. 01-1.6%，更优选地，Mn :1. 03-1.6%。优选地，P彡 O. 015%。优选地，S彡O. 01%，更优选地，S彡O. 005%。优选地，Cr0. 15-0. 50%。优选地，Mo0. 05-0. 26%。优选地，Al:0· 01-0. 04%。优选地，Nb0. 010-0. 04%，更优选地，Nb 0. 010-0. 035%。优选地，V0. 015-0. 05%，更优选地，V 0. 015-0. 04%。优选地，Ti0. 010-0. 03%，更优选地，Ti 0. 010-0. 02%。优选地，N0. 003-0. 007%。优选地，Ca0. 0010% -O. 0040%。本发明的另一个目的是提供上述耐火建筑用钢的制造方法，该方法包括铁水脱硫，转炉冶炼，真空处理，连铸，铸坯清理，铸坯加热，控轧和精整；其中，钢锭加热温度1180±30°C，保温时间3±0. 5h，开轧温度彡1180°C，控轧末三道累计压下率彡35%，终轧温度为860-900°C，终轧后直接空冷至室温，或以5-15°C /s冷速冷却到室温。优选地，钢锭加热温度1170_1190°C。本发明钢具备优异的耐火性，Rp0.2 (600 °C屈服强度)/Rpa2 (室温屈服强度)彡2/3。具备低的屈强比(屈强比1^(|.2/抱彡0.75)，抗震性能好。由于本发明钢碳当量较低(Ceq ( O. 45)，因此焊接性能优异。本发明钢力学性能涵盖Q235到Q460级别建筑结构钢。本发明钢化学成分简单，用Nb、Ti、V微合金化(Nb+V+Ti ( O. 055% )，有效降低钢板的屈强比，使钢板获得良好的抗震性。同时，利用Nb、Ti、V的沉淀强化和固溶强化，显著降低贵金属元素Mo的含量(Mo ( O. 3% )，提高钢板的600°C屈服强度，使钢板获得优良的耐火性能。此外，通过降低碳含量，提高钢的纯净度，从而确保该钢具有较好的低温韧性。本发明钢的生产方法容易控制，操作简单，终轧后直接空冷至室温，或以5-15°C /s冷速冷却到室温。钢板轧后不需要后续热处理，生产成本低，适合规模生产。
具体实施例方式以下结合实施例对本发明进行较为详细的说明。为了得到经济型耐火抗震建筑用钢，按照以下方式控制成分体系本发明中C含量控制在O. 10-0. 18%。碳是钢中廉价的强化元素之一，为保证钢材在轧后空冷工艺下仍然获得需要的室温强度，碳含量下限定为O. 10%。但是，碳含量过多时，将对钢材的强韧性匹配以及焊接性等产生不利影响，因而碳含量的上限定为O. 18%。优选地，C 0. 10-0. 15%，或 C :0· 10-0. 16%，更优选地 ，C 0. 11-0. 15%。本发明中Si含量控制在O. 10-0. 50%。Si是炼钢脱氧的必要元素之一，而且Si通过固溶强化方式可以提高钢的强度，故限定Si的下限为O. 10%。但Si对焊接性和韧性等有不利影响，必须限制上限值为O. 50%。优选地，Si :0. 10-0. 45%, Si :0. 12-0. 45%，更优选地，Si :0. 15-0. 41%。本发明中Mn含量控制在1-1. 8%,Mn也是炼钢脱氧的必要元素之一，而且Mn是确保强度不可缺少的。为保证钢在空冷工艺下获得合适的强度，其下限定为1.0%。但Mn含量过高对钢的焊接性能有不利影响，并可能使中心偏析更严重，同时可能会引起钢板在水冷工艺下强度偏高，其上限限定为I. 8%。优选地，Mn :1. 0-1. 6%，优选地，Mn :1. 01-1. 56，更优选地，Mn :1.03-1. 55。本发明中P含量彡0.025%、S含量彡0.015%。S和P是钢中的有害杂质元素，含量过高会恶化钢的韧性，因此应尽量降低钢中的硫、磷含量。优选地，P <0.015%。优选地，S彡O. 01%，更优选地，S彡O. 005%。本发明中Cr含量控制在< O. 50%。Cr是提高淬透性的元素，能够使钢的强硬度增加。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，其上限为O. 50%。优选地，Cr
O.15-0. 50%。本发明中Mo含量控制在彡O. 30%。Mo是提高钢板高温强度的最有效元素，Mo含量越高，其高温强度越高。但是Mo成本较高，且引起钢可焊性降低，因而M o含量最大控制在 O. 30%。优选地，Mo 0. 05-0. 26%，更优选地，Mo 0. 05-0. 20%。本发明中Nb含量控制为< O. 050%。Nb是强碳氮化合物形成元素，通过在轧后冷却过程中析出碳氮化合物，产生细晶强化和析出强化作用来提高钢的强度。此外，Nb的析出物溶解温度较高，能够提高钢板在600°C的强度，提高耐火性能。Nb含量过高对高温性能影响不大，但可能影响钢的韧塑性，故Nb的上限定为O. 050%。优选地，Nb :0. 010-0. 04%,更优选地，Nb :0. 010-0. 035%。本发明中Ti含量控制为< O. 035%。Ti是一种强碳氮化物形成元素，其碳氮化物具有较高的熔点，对加热时奥氏体晶粒的长大有阻碍作用。而且在轧后冷却过程中的析出将提高钢的屈服强度，并对钢板的高温强度有利。Ti含量过高可能出现粗大的析出粒子，其上限定为 O. 035%。优选地，Ti :0. 010-0. 03%，更优选地，Ti :0. 010-0. 02%。本发明中V含量控制为< O. 055%。V是强碳氮化合物形成元素，强化作用与Nb相似，但效果相对较小。V含量较高时明显恶化钢的低温韧性，尤其是焊接热影响区的韧性，其上限控制为O. 055%。优选地，V :0. 015-0. 05%，更优选地，V :0. 015-0. 04%。本发明中Ca含量控制为彡O. 006%。Ca在钢中的主要作用是改善钢中硫化物的形态和分布，从而有利于改善钢板的低温冲击性能。优选地，Ca :0. 0010% -O. 0040%。
本发明中Al含量控制在彡O. 040%。Al含量越低越有利于提高钢的高温强度。Al是有效脱氧元素之一，而且可形成氮化物来细化晶粒。但是增加钢中的Al含量将损害钢的韧性，同时也会降低钢的高温强度，因此而且焊接热影响取得韧性也变差。因此Al的上限限定为 0.040%。优选地，Al 0. 01-0. 04% ο本发明中N含量控制在N < 0.007%。通常N是钢中的有害元素，N含量较高，将明显恶化钢板的低温韧性，因此N的上限定为O. 007%。钢中少量的N能够有助于析出细小的氮化物，有利于改善钢板的耐火性能。优选地，N :0. 003-0. 007%。通过将铁水脱硫一转炉冶炼一真空处理一连铸一铸坯清理一铸坯加热一控轧一精整，其中开轧温度控制在1180°C以上，控轧末三道累计压下率在35%以上，终轧温度在 860-900°C，终轧后直接空冷至室温，或以5-15°C /s冷速冷却到室温，得到本发明的上述经济型耐火抗震建筑用钢板。实施例具体地，按照本发明钢成分要求，在真空感应电炉冶炼了七批本发明的钢，将钢锭加热温度1180±10°C，保温时间3h，精轧开轧厚度为60mm最终厚度的三倍，终轧温度为860-900°C，终轧后空冷至室温，或以5-15°C /s冷速冷却到室温。实施例钢板共轧制7道次，钢板的最终厚度为20mm。本发明实施例的化学成分如表I所示。表I
II
σ C Si Mn Mo Cr Nb V Ti Al N P S Ca ______________
10.1340.251.150.150.15 00 00.030.0040.0110.0030.0020
20.1030.151.300.130.390.0120.0210.0100.010.0060.0130.0020.0025
30.1300.361.450.24Q.29 OO0.0200.02Q.0Q40.0110.0040.0010
40.1220.151.20.120.350.020O O0.0250.0040.0090.004 0.0045
50.150.351.100.26 O0.010O0.0200.010.0030.0120.0030.0030
60.1070.261.200.050.320.035O O0.030.0040.0090.0020.0020
70.1100.411.410.250.450.0260.015 O0.040.0050.0100.0020.0022
80.1550.251.350.150.450.020Q.Q2Q0,0100,040.0050.0090.0030.0024
90.1350.151.600.150.50Q.Q20O0.0200.040.0050.0080.0040.0028
100.1650.101.250.200.350.0200,0200.0100.040.0040.0100.0030,0018
110.1120.211.550.110.480.0140.035 O0.010.0070.0110.0030.0016
120.150.231.03 O0.380.035Q.015 O0.02 | 0.005 | 0.011 j 0.002 | 0.0038试验例I :室温拉伸性能按照GB/T228方法，测定实施例钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率，其结果如表2所
/Jn ο试验例2 :冲击性能按照GB/T229对实施例钢进行冲击性能试验，其结果如表2所示。
表2本发明实施例钢的室温拉伸性能
权利要求
1.一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分按重量百分比为c :0. 1-0. 18%, Si O.1-0. 50 %, Mn :1-1. 80 %, P ^ O. 025 %, S ^ O. 015 %, Cr ^ O. 50 %, Mo ^ O. 30 %,Al ( O. 04%,O. 007%, Ca ( O. 006%，以及 Nb ( O. 030%,V ^ O. 035%,Ti ( O. 035%中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti ( O. 055%，余为铁和不可避免的杂质。
2.一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分按重量百分比为C :0. 1-0. 15%, Si O.1-0. 50 %, Mn :1-1. 40 %, P ^ O. 025 %, S ^ O. 015 %, Cr ^ O. 50 %, Mo ^ O. 20 %,Al ( O. 04%,O. 007%, Ca ( O. 006%，以及 Nb ( O. 050%,V ^ O. 055%,Ti ( O. 035%中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti ( O. 055%，余为铁和不可避免的杂质，所述钢为屈服强度235MPa级别。
3.—种耐火抗震建筑用钢，其化学成分按重量百分比为C :0. 1-0. 16%, Si O.1-0. 50 %, Mn :1-1. 60 %, P ^ O. 025 %, S ^ O. 015 %, Cr ^ O. 50 %, Mo ^ O. 30 %,Al ( O. 04%,O. 007%, Ca ( O. 006%，以及 Nb ( O. 050%,V ^ O. 055%,Ti ( O. 035%中的一种或两种以上，且O. 015%彡Nb+V+Ti ( O. 055%，余为铁和不可避免的杂质，所述钢为屈服强度345MPa级别。
4.一种耐火抗震用钢，其化学特征为按重量百分比C :0. 12-0. 18%, Si :0. 1-0. 50%,Mn 1. 1-1. 80 %, P ^ O. 025 %, S ^ O. 015 %, Cr ^ O. 55 %,O. 10 % ^ Mo ^ O. 30 %,Al ( O. 04%,N ^ O. 007%,Ca ( O. 006% 以及 Nb ^ O. 050%, V ^ O. 055%,Ti ( O. 035%中的一种或两种以上，且O. 015%彡Nb+V+Ti ( O. 055%，余为铁和不可避免的杂质，所述钢为屈服强度420MPa级别。
5.如权利要求1-3任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，C:0. 10-0. 17%，优选地，C 0. 10-0. 16%，优选地，C 0. 10-0. 15%，更优选地 C 0. 103-0. 15%。
6.如权利要求1-5任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Si:0. 10-0. 45%，更优选地，Si :0. 10-0. 41%。
7.如权利要求1-6任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Mn:1. 01-1.6%，更优选地，Mn :1. 03-1. 6%o
8.如权利要求1-7任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，P< O. 015%。
9.如权利要求1-8任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，S^O.01%,更优选地，S 彡 O. 005%。
10.如权利要求1-9任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Cr:0. 15-0. 50%。
11.如权利要求1-10任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Mo:0. 05-0. 26%。
12.如权利要求1-11任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Al:0. 01-0. 04%。
13.如权利要求1-12任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Nb:0. 010-0. 04%,更优选地，Nb :0. 010-0. 035%。
14.如权利要求1-13任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，V:0. 015-0. 05%，更优选地，V 0. 015-0. 04%。
15.如权利要求1-14任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Ti:0.010-0. 03%,更优选地，Ti :0. 010-0. 02%。
16.如权利要求1-15任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，N:0. 003-0. 007%。
17.如权利要求1-16任一所述的耐火抗震建筑用钢，其特征在于，Ca:O.0010% -O. 0040% O
18.如权利要求1-17任一所述的耐火建筑用钢，其600°C屈服强度Rpa2与室温屈服强度Rp0.2的比值≥2/3，屈强比Rp0.2/Rm≥O. 75。
19.如权利要求1-18任一所述的耐火建筑用钢的制造方法，包括 加热温度1150-1210°C，保温2. 5-3. 5h ;开轧温度彡1180°C，控轧末三道累计压下率≥35%，终轧温度为860-900°C，终轧后直接空冷至室温，或以5_15°C /s冷速冷却到室温。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，该方法包括铁水脱硫，转炉冶炼，真空处理，连铸和铸坯清理。
全文摘要
本发明涉及一种耐火抗震建筑用钢，其化学成分(按重量百分比)为C0.1-0.18％，Si0.1-0.50％，Mn1-1.80％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr≤0.50％，Mo≤0.30％，Al≤0.04％，N≤0.007％，Ca≤0.006％，以及Nb≤0.050％，V≤0.055％，Ti≤0.035％中的一种或两种以上，且Nb+V+Ti≤0.055％，余为铁和不可避免的杂质。其制造方法包括加热温度1180℃，保温3h，开轧温度≥1180℃，控轧末三道累计压下率≥35％，终轧温度为860-900℃，终轧后直接空冷至室温，或以5-15℃/s冷速冷却到室温。这样得到的钢具备优异的耐火性，Rp0.2(600℃屈服强度)/Rp0.2(室温屈服强度)≥2/3，具备低的屈强比(屈强比Rp0.2/Rm≤0.75)，抗震性能好。
文档编号C21D8/02GK102952994SQ20111024761
公开日2013年3月6日 申请日期2011年8月25日 优先权日2011年8月25日
发明者温东辉, 胡晓萍, 宋凤明, 万荣春, 孙峰, 张澜庭, 崔慧然 申请人:宝山钢铁股份有限公司, 上海交通大学