专利名称：高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，属低合金钢制造领域。
背景技术：
在本发明前，有如1993年公开的特开平5-279735专利“大线能量焊接热影响区韧性优良的建筑用耐火钢板的生产方法”，该专利所涉及的钢能承受大线能量焊接，能满足耐火的要求，其不足之处在于对耐候性能没有提出要求。另外，按照该专利的要求，仅能生产出厚度在50mm以上的钢板，而没有涉及厚度为50mm以下的钢板。
发明内容本发明的目的旨在提供一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，能克服已有技术之不足，本发明为建筑、土木及海洋结构等领域提供的厚度为4～100mm的钢板，制作的各种结构件具有优良的耐火、耐候性能，且在大线能量焊接时热影响区仍具有优良的韧性，本发明提出的生产方法简单，钢材成本较低。
为达到上述目的，本发明设计了一种高性能耐火耐候建筑用钢，其特征在于钢的化学成分(按重量％)为C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P≤0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni 0.10～1.00、Cu0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％。
本发明钢的化学成分的限定理由如下C对本发明钢的高温强度来说是极为重要的元素，添加0.01％以上，才能有效提高高温强度，但是C含量过多，在大线能量焊接热影响区，就不能生成针状铁素体(AF)，所以，以0.15％作为C含量的上限。
Si是为了对钢进行脱氧而添加的元素，Si含量多了会导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，因而将其上限规定为0.55％。
Mn在确保钢的强度和韧性方面是不可缺少的元素，其下限为0.50％；但是Mn含量过多，淬透性就将增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以规定Mn的上限为1.60％。
P是对抗大气腐蚀性能有利的元素，但其对钢板的韧性和厚度方向性能影响极大，故在本发明钢中P的上限规定为0.150％。
S和P一样，对钢板的韧性和厚度方向性能影响极大，所以S的含量控制在0.03％以下。
Mo在钢中形成弥散分布的碳氮化物，能有效提高高温强度，确保耐火性能，其下限控制在0.35％是必须的；但Mo含量过高，就会恶化焊接性和焊接热影响区韧性，所以必须将其上限限定在1.00％。
Ti在钢中以氧化物形式存在，其含量必须达到0.005％以上，这样可提高钢材的抗大线能量焊接性能；其含量一旦超过0.025％，又会招致焊接热影响区韧性恶化，所以将其含量范围限定在0.005％～0.025％。
Al是为了脱氧而加入到钢中的元素，但是在本发明中，则是一种有害的元素，钢中的Al会与O结合，从而不能生成Ti的氧化物，所以，对本发明钢来说，Al含量应控制在0.010％以下。
N是为确保TiN所必需的元素，为了确保所需要的最低数量的TiN，必须含有0.001％以上的N；但是N含量多了，钢中的固溶N又会导致焊接热影响区韧性恶化，所以将其含量范围限定在0.001％～0.004％。
O是生成Ti的氧化物所必需的元素，所需要的最低含量是0.001％；当其含量超过0.006％时，就会降低钢的洁净度，恶化钢的韧性，所以，其含量范围应限定在0.001％～0.006％。
Cr的含量在0.30％以上时，能有效提高耐大气候腐蚀性能；当其含量超过0.80％，就会恶化焊接性能，所以将Cr含量限定在0.30％～0.80％。
Ni是提高钢的耐候性和强韧性的有利元素，不会对钢的可焊性和焊接热影响区韧性造成不利影响，但少于0.10％，效果甚微；而高于1.00％则会大大提高钢的成本，使钢丧失原本具有的经济性，所以将其上限规定为1.00％。
Cu除了具有与Ni大体相同的作用外，Cu的析出物还有提高钢的高温强度和耐大气腐蚀性能，在这种情况下，Cu含量在0.10％以上是必须的，但是，如果超过0.80％，热轧时就会发生龟裂，给生产带来困难，所以将Cu含量限定在0.10％～0.80％范围。
Ca有着控制硫化物(MnS)形态、提高夏比吸收能、改善低温韧性的效果，可是Ca含量少于0.001％时，没有实用效果；而如果超过0.006％，则会生成许多CaO、CaS，并形成大型夹杂物，不仅会影响到钢的洁净度，对钢的韧性造成损害，甚至会对焊接性和耐层状撕裂性带来不利影响，所以，规定Ca的添加量范围为0.001％～0.006％。
B是表面活性元素，极易偏聚到晶界，有效地抑制先共析铁素体的形核及长大，强烈抑制γ-α相变，提高钢材的强度；B与N的交互作用，能明显提高钢材的低温韧性。但B含量过高时易形成B的碳化物和氮化物，并集聚在原奥氏体晶界，促使附近地区位错密度增高，作为氢在局部地区的陷阱，从而促使此处发生晶界开裂，因此，B含量上限控制在0.0015％。
本发明的为进一步提高性能，还选择性地添加Nb、V、RE等元素，在提高强度和韧性方面能得到更好的结果。
Nb能形成微细的碳氮化物，提高钢的高温强度，但含量超过0.03％时，则对大线能量焊接热影响区韧性有不利的影响。
V与Nb具有大体相同效果，其提高高温屈服强度的效果比Nb稍差，含量超过0.06％时，则对大线能量焊接热影响区韧性有不利的影响。
本发明还提供了一种高性能耐火耐候建筑用钢的生产方法，采用超纯净方法进行冶炼，获得钢的化学成分(按重量％)为C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P≤0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％，其特征在于在900℃以下控制轧制，累计压下率≥48％，终轧温度≤830℃，采用正火(890℃～950℃)+回火(630～700℃)。
本发明具有如下优点1.本发明钢具有良好的耐火性能，即在600℃高温下确保高屈服强度(600℃σs不低于室温下σs的2/3)。
2.本发明钢具有良好的耐候性能，在钢中添加了Cu、P、Ni、Cr等抗大气腐蚀性能的元素，确保其耐候性能为普通钢材的2～8倍，钢材使用时间愈长，愈能显示其优越性。
3.本发明钢具有优良的大线能量(50～100kJ/cm)焊接性能，可大幅度提高钢结构的焊接效率。
4.本发明钢还具有良好的综合性能，该钢同时具有高强度、高韧性、高Z向性能、优良的耐火性能、耐候性能和焊接性能。
5.本发明的钢以非调质状态交货，生产工艺简单，钢材成本较低，在各冶金企业均可实施。
具体实施方式
实施例1按照本发明钢成分要求，在真空感应电炉冶炼了三炉钢，将钢锭加热到1220℃出炉轧制，轧制钢板厚度分别为16mm、40mm、72mm，经900℃分别保温45分钟、70分钟、100分钟的热处理后，测试了常温的拉伸性能、0℃冲击韧性、600℃的拉伸性能和30、60、100kJ/cm大线能量焊接后的0℃时HAZ的冲击韧性，并与相应比较钢做了对比，见表1。
本发明钢的常温拉伸性能和比较钢处于同一水平，但0℃时的冲击韧性高于对比钢，30、60、100kJ/cm大线能量焊接后0℃时HAZ的冲击韧性更是明显高于对比钢，本发明钢的盐雾试验结果也优于比较钢(试验时间为1080h，测定年腐蚀深度(mm/a))。
从表1可见，本发明钢设计的化学成分合理，生产的钢耐火、耐候且在大线能量焊接时热影响区仍具有优良韧性。本发明钢以非调质状态交货，生产工艺简单，钢材成本较低，在各冶金企业均可实施，并可大大提高工程结构的焊接效率，降低制造成本。
表1发明钢与对比钢的化学成分和HAZ冲击韧性对比
本发明钢最适合作为高层、超高层、大跨度、轻钢轻板建筑、土木及海洋结构等领域的用钢。
权利要求
1.一种高性能耐火耐候建筑用钢，其特征在于钢的化学成分(按重量％)为C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P≤0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N 0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr0.30～0.80、Ni 0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％。
2.一种高性能耐火耐候建筑用钢的生产方法，采用超纯净方法进行冶炼，获得钢的化学成分(按重量％)为C 0.01～0.15、Si≤0.55、Mn 0.50～1.60、P≤0.150、S≤0.010、Mo 0.35～1.00、Ti 0.005～0.025、Al≤0.010、N0.001～0.004、O 0.001～0.006、Cr 0.30～0.80、Ni 0.10～1.00、Cu 0.10～0.80、Ca 0.001～0.006、B≤0.0015，此外还含Nb≤0.030、V≤0.060、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe，且须满足B-0.435×(N-Ti/3.4)≤0.0005％，其特征在于在900℃以下控制轧制，累计压下率≥48％，终轧温度≤830℃，采用正火(890℃～950℃)+回火(630～700℃)。
全文摘要
本发明涉及一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法,属低合金钢制造领域。本发明钢含有C、Si、Mn、P、S、Mo、Ti、Al、N、O、Cr、Ni、Cu、Ca、B,此外还含有Nb、V、RE中的一种或一种以上,余量为Fe。本发明的钢经冶炼、轧制和热处理,使钢具有高强度、高韧性和优良的耐火、耐候性。本发明的钢以非调质状态交货,生产工艺简单,钢材成本低,在各冶金企业均可实施。本发明为建筑、土木及海洋结构等领域提供的厚度为4～100mm的钢制作的各种结构件,在气电焊、电渣焊、高频电阻焊等大线能量(50～100kJ/cm)焊接条件下其热影响区(HAZ)仍具有优良的韧性,大大提高了工程结构的焊接效率,降低制造成本。
文档编号C21D8/02GK1354273SQ0113356
公开日2002年6月19日 申请日期2001年10月17日 优先权日2001年10月17日
发明者陈晓, 郭爱民, 董汉雄, 邹德辉, 刘继雄 申请人:武汉钢铁(集团)公司