一种钒钛微合金化工程结构钢及其制备方法与流程

本发明属于工程结构钢
技术领域：
，更具体地说，涉及一种工程结构钢及其制备方法。
背景技术：
：近年来，工程结构钢在工程领域具有广泛的应用，部分国家的工程结构钢的用量达到甚至超过了总纲消费量的10％，其在桥梁、高层建筑和交通能源工程等领域充分发挥了其优势。因此，在国内钢铁产能严重过剩，钢结构产能急需升级和越来越重视抗震防震等要求的背景下，发展轻量化、高韧性的钢结构为钢铁产业的重要研究方向。目前，大部分工程结构钢都存在难以在有效节约钢材材料、降低成本和减轻重量的同时满足对于其高性能的要求。中国专利申请号为：cn201510390028.5，公开日为：2015年9月16日的专利文献，公开了一种冲击断口纤维率高的高强度桥梁用结构钢，其特征在于：钢中化学成分及质量百分比为：c：0.03～0.10％；si：0.30～0.50％；mn：1.00～1.70％；p≤0.010％；s≤0.003％；nb：0.030～0.060％；v、ti中的一种或两种(其中v：0.01～0.08％，ti：0.015～0.025％)；cu：0.20～0.55％；ca：0.005～0.015％；ce：0.0015～0.0060％；als：0.020～0.050％，其余为fe和不可避免的杂质。该发明具有良好的焊接性能和低温韧性，冲击断口纤维率高。但是，该钢制造工艺较为复杂，对温度的要求比较严格，且其需要添加喂入ca和ce元素，大大增加了生产时间和生产成本。中国专利申请号为：cn201910709688.3，公开日为：2019年10月15日的专利文献，公开了一种低温韧性优异的高强度钢板及其制造方法，其中，所述钢板的组分包括c、si、mn、p、s、cr、nb、v、ti、b以及余量的fe和杂质，且上述组分元素含量必须同时满足如下关系：nb+ti≤0.06，制造方法是通过在钢种成分上降低c含量，不添加贵重金属ni，并采用tmcp工艺控制铸坯加热温度、轧制温度和冷却速率，使铸坯充分奥氏体化，nb、cr合金充分溶于奥氏体，以获得良好的组织性能，提高钢板的强度和低温冲击韧性。该发明提供的钢板的强度较高，适用于工程机械的吊臂、平台钢构件、容器的承压罐体、以及桥梁的吊杆等主要承重钢构件。但是，该钢的延伸率不高，导致其性能会受到影响，且其生产工艺十分复杂，生产成本较高。随着社会的发展和需求，钢铁工业的发展趋势主要集中在低碳环保、节约能源、节约成本，同时对轻量化和抗震防震性能的要求也越来越高，而现有技术中很少有工程钢结构在保证强度和低成本的同时拥有很好的延展性和低温韧性。因此，提供一种低碳环保，制造简单，成本低廉，具有良好焊接性能和低温冲击韧性的工程结构用钢十分必要。技术实现要素：1、要解决的问题针对现有的工程结构钢难以在保证低成本、高强度的前提下具备很好的延展性和低温韧性的问题，本发明提供一种钒钛微合金化工程结构钢，通过对钢的成分进行合理的设计，使得制备出的钢成本低，强度高，具备很好的延展性和低温韧性。本发明还提供一种钒钛微合金化工程结构钢的制备方法，对于上述钒钛微合金化工程结构钢，配合有独特的制备工艺，能够制备出性能佳、成本低的工程结构钢，具备较高的市场经济价值。2、技术方案为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。一种钒钛微合金化工程结构钢，其化学成分及其质量百分比为：c：0.07～0.1％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.1％，v：0.06～0.14％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。作为技术方案的进一步改进，其化学成分及其质量百分比为：c：0.08～0.09％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.05％，v：0.06～0.065％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。作为技术方案的进一步改进，所述工程结构钢的屈强比为0.82～0.83，屈服强度≥440mpa，抗拉强度≥540mpa，延伸率δ≥29％，-20℃下的纵向冲击功≥180j。一种钒钛微合金化工程结构钢的制备方法，包括以下步骤：一、冶炼向钢包中加入原材料并冶炼成钢水，经连铸形成铸坯；二、轧制将铸坯置于加热炉中进行加热，出炉后铸坯依次通过粗轧、除磷和精轧，精轧后产品厚度控制在6～8mm；三、冷却和卷曲精轧后的板坯冷却至卷曲温度后进行卷曲，得到最终成品。作为技术方案的进一步改进，步骤二中，铸坯加热过程为：将铸坯加热至1250～1260℃，保温1h。作为技术方案的进一步改进，步骤二中，粗轧开扎温度控制在1240～1250℃，粗轧终轧温度为1000℃，粗轧过程进行3道次轧制，中间坯料厚度20mm。作为技术方案的进一步改进，步骤二中，精轧的终扎温度为780℃。作为技术方案的进一步改进，步骤三中，对板坯采用层流冷却，冷却速度为10～20℃/s。作为技术方案的进一步改进，步骤三中，板坯层流冷却至500～550℃后，保温1h再进行卷曲。作为技术方案的进一步改进，所述最终成品的化学成分及其质量百分比为：c：0.08～0.09％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.05％，v：0.06～0.065％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。3、有益效果相比于现有技术，本发明的有益效果为：(1)本发明一种钒钛微合金化工程结构钢，通对产品的化学成分进行了合理的设计，在采用较低成本的原材料基础上，能够通过碳氮化钛的析出抑制奥氏体晶粒的长大，提高钢的强度和韧性，大大改善钢的焊接热影响区的低温韧性，并且在相应的制备方法下，制备出屈强比为0.82～0.83，屈服强度≥440mpa，抗拉强度≥540mpa，延伸率δ≥29％，-20℃下的纵向冲击功≥180j的高性能工程结构钢，制备出的工程结构钢的使用效果极佳；(2)本发明一种钒钛微合金化工程结构钢的制备方法，将铸坯在1250～1260℃的温度区间进行加热，可使铸坯充分奥氏体化且微合金元素可以充分固溶在奥氏体中，为后续轧制过程中细化晶粒和微合金碳氮化物析出做准备，提高产品质量；(3)本发明一种钒钛微合金化工程结构钢的制备方法，工艺上分为两阶段轧制，第一阶段在1000～1250℃粗轧，可将铸态大晶粒轧制成均匀的等轴小晶粒，为第二阶段780～1000℃精轧细化晶粒做准备，精轧后层流冷却致500～550℃保温1小时，可以发挥其钒钛微合金化的优势，发生铁素体转变和碳氮化物的相变诱导析出以及铁素体内部析出，使保温过程中纳米级的微合金碳氮化物逐渐析出为钢材的强度提供一定的沉淀强化增量，而沉淀强化是除细晶强化外的最优选择，总而言之，通过板坯的加热制度、轧制制度、冷却制度和卷曲保温制度，控制钢板组织、形态和析出相，充分发挥了细晶强化和沉淀强化作用，获得优异力学性能的钢板；(4)本发明一种钒钛微合金化工程结构钢的制备方法，选取冷却速率为10～20℃/s，将板坯冷却至500～550℃卷取，可以有效消除轧制后板坯内部产生的残余应力，提高钢材的韧性，同时促进碳元素和微合金元素的充分扩散，降低钢材的碳当量。附图说明图1为本发明实施例2制备的钢板光学微观组织图；图2为本发明实施例2制备的钢板透射电镜照片；具体实施方式下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。一种钒钛微合金化工程结构钢，其化学成分及其质量百分比为：c：0.07～0.1％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.1％，v：0.06～0.14％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。本发明各元素的作用及配比依据如下：c：作为最主要的固溶强化元素，可显著提高钢的强度；同时c与ti结合形成tic，tic具有抑制奥氏体再结晶从而细化相变后组织以及沉淀强化作用。但碳对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利，还明显损害焊接性能。因此本钢的碳含量范围不宜过多也不宜过少。mn：能够显著降低贝氏体相变温度，增加韧性和强度。适量的锰可导致在中温下相界处锰的富集，对相界迁移起拖拽作用，使高温转变孕育期明显长于中温转变，抑制了铁素体、珠光体转变，使获得细小贝氏体更为容易，而此类组织具有良好的强韧性配合，有主题提高钢的韧性。但是mn含量过高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，会对焊接性能不利。本发明加入1.4％～1.5％的mn有利于形成细小贝氏体组织，使钢板具有良好的强度和冲击韧性。si：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的si将恶化钢的韧性及焊接性能。本发明si含量范围为：0.08～0.12％。ti：ti是一种强碳、氮化物形成元素，形成的tin、ti(cn)等粒子非常稳定，能显著提高钢的强度和韧性。在控轧低碳钢中，添加少量的ti，可改善钢的铸态组织，在钢的二次加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，并在随后的高温奥氏体区轧制时通过ti(c，n)的析出，抑制奥氏体再结晶晶粒长大。另外，ti的氮化析出物能有效钉轧奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用，大大改善钢的焊接热影响区的低温韧性。但是，过高的ti含量会导致钢的塑、韧性降低。因此ti含量的加入量应严格控制。v：v在钢中以两种形式存在：固溶于钢中的钒和碳氮化钒析出相。其中，固溶钒能够明显提高钢的淬透性。而v是一种相当强烈的碳化物形成元素，适量的v具有明显的沉淀析出强化作用。但v含量过高，沉淀强化作用显著，会使基材和热影响区韧性变差。因此v含量的加入量应严格控制。p和s：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，其含量应分别控制在p≤0.008％和s≤0.004％。n：钢中的和铝的生成物可起到细化晶粒的作用,含氮的固熔体可使钢种起到硬化和强化的作用，但n还会使钢脆性增加，故控制n的含量在0.005％以内。该钒钛微合金化工程结构钢的制备方法包括以下步骤：一、冶炼按照上述工程结构钢的组成成分进行原材料的选取，向钢包中加入原材料并冶炼成钢水，经连铸形成铸坯。二、轧制将铸坯置于加热炉中进行加热，铸坯被加热至1250～1260℃后，保温1h后出炉，在1250～1260℃加热，可使铸坯充分奥氏体化且微合金元素可以充分固溶在奥氏体中，为后续轧制过程中细化晶粒和微合金碳氮化物析出做准备。出炉后铸坯先进行氧化铁皮的去除，接着进行两阶段轧制。粗轧阶段，控制粗轧的开扎温度为1240～1250℃，终轧温度为1000℃。粗轧过程总共进行3道次轧制，中间坯料厚度20mm。各轧制道次压下率均大于20％，最后一道此次压下率高于35％，这种大压下率的选取一方面可以保证充分破碎铸态奥氏体晶粒，大幅增加板坯内部的位错，为碳氮化物在位错处的诱导析出提供机会，另一方面可以充分压合板坯内部的缺陷，改善钢板的韧性。粗轧过程保持全数除磷，除磷可采用高压水除磷。精轧阶段，控制精轧的终扎温度为780℃，精轧后产品厚度控制在6～8mm，精轧过程采用水冷的方式。同时，控制最后两道次的累计压下率不能低于40％，一方面能够进一步细化晶粒，另一方面可控制轧制后的钢板板形。三、冷却和卷曲精轧后的板坯通过层流冷却方式连续冷却至500～550℃并在此温度下保温1h，接着进行钢板的卷曲，得到最终成品。层流冷却时，冷却速率过大，会使得冷却后钢板温度过低，钢板韧性降低；冷却速率过小，则冷却后钢板温度过高，使得钢板强度降低。因此，为保证钢材的力学性能，应选取合适的冷却速率，本实施例的冷却速率为10～20℃/s。将钢板冷却至500～550℃并保温，可以有效消除轧制后板坯内部产生的残余应力，提高钢材的韧性，同时促进碳元素和微合金元素的充分扩散，降低钢材的碳当量。综上所述，工艺上通过两阶段轧制，在第一阶段的粗轧可将铸态大晶粒轧制成均匀的等轴小晶粒，为第二阶段的精轧细化晶粒做准备，精轧后层流冷却致500～550℃保温1小时，可以发挥其钒钛微合金化的优势，发生铁素体转变和碳氮化物的相变诱导析出以及铁素体内部析出，使保温过程中纳米级的微合金碳氮化物逐渐析出为钢材的强度提供一定的沉淀强化增量，而沉淀强化是除细晶强化外的最优选择，因此层流冷却后的保温过程和温度范围的选择是极为重要的。总而言之，通过板坯的加热制度、轧制制度、冷却制度和卷曲保温制度，控制钢板组织、形态和析出相，充分发挥了细晶强化和沉淀强化作用，获得优异力学性能的钢板。通过上述工艺制备设定组成成分的工程结构钢，能够在实用较低成本的原材料的前提下，得到性能优异的工程结构钢，该工程结构钢的屈强比、屈服强度、抗拉强度和延伸率等性能均较佳。然而，发明人在实验过程中发现，采用上述化学成分组分的原材料时，最终制得的钢板的冲击功性能较差，对钢板的性能造成一定的影响。针对于此，发明人针对钢板化学组分和各组分质量百分比进行了进一步研究，最终得到的钒钛微合金化工程结构钢的化学成分及其质量百分比为：c：0.08～0.09％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.05％，v：0.06～0.065％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。采用这种化学成分及其质量百分比的工程结构钢，对ti和v的范围进行了更小的限定，有助于降低原材料的成本，且大大提高了最终产品的冲击功性能。最终制得的产品的屈强比为0.82～0.83，屈服强度≥440mpa，抗拉强度≥540mpa，延伸率δ≥29％，-20℃下的纵向冲击功≥180j，整体钢板的使用效果极佳。为了更充分的详细说明，下面给出实验过程中的具体实施例和对比例，主要用于验证不同化学成分和卷曲保温温度对钢板性能的影响。总共给出五组实验，即冶炼并轧制了5批钢板，五组实验的化学成分如表1所示。表1本发明实施例及对比实施例的化学成分对比(wt％)五组实验的生产过程的卷曲保温温度和钢板性能参数参见表2。表2本发明实施例及对比实施例生产过程控制对钢板性能的影响实施例卷曲温度(℃)抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)延伸率(％)-20℃冲击功(j)1500541445291922550555456301843600568460256.445006475542017.85650665551232.6从表1和表2可知，实施例1-2的化学成分满足以下要求：化学成分及其质量百分比为：c：0.08～0.09％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.05％，v：0.06～0.065％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。同时，实施例1-2的卷曲保温温度满足本发明的制备方法要求。实施例3-5的化学成分并没有完全满足以下要求：化学成分及其质量百分比为：c：0.08～0.09％，mn：1.4～1.5％，si：0.08～0.12％，ti：0.04～0.05％，v：0.06～0.065％，s≤0.004％，p≤0.008％，n≤0.005％，其余为铁fe以及不可避免的杂质。其中，实施例4的卷曲保温温度满足本发明的制备方法要求，实施例3和实施例5则不满足要求。将五组实施例的各项性能进行对比发现，实施例1-2所生产的钢板在常温下满足屈强比0.82～0.83，屈服强度≥440mpa，抗拉强度≥540mpa，延伸率δ≥29％，-20℃下纵向冲击功≥180j，其中，图1和图2分别为实施例2的光学微观组织图和透射电镜照片。实施例3-5在屈强比的控制上并不能保证足够精确，延伸率相比较实施例1和2有所降低，而在-20℃下纵向冲击功的性能则大大降低。综上所述，本发明的一种钒钛微合金化工程结构钢及其制备方法，通过对钢板的化学成分及其质量百分比进行严格的控制，尤其是将ti的质量百分比控制在0.04～0.05％之间，v的质量百分比控制在0.06～0.065％之间，同时，对制备过程的加热制度、轧制制度、冷却制度和保温制度等进行独特合理的设计，从而制备出低成本、性能优异的工程结构钢。本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。当前第1页12