技术领域本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种耐低温热轧角钢及其制备方法。
背景技术：
随着经济技术的发展，钢结构以其经济适用、环境友好、施工快捷等优势越来越多的应用于国民经济的各个领域，受到各行业的广泛关注。其使用范围的广泛性和轻量化的要求也对钢材性能提出了更高的要求，如更高的强度、更低的合金元素含量、对极端气候条件的适应性等。特别是近年来，随着中国经济的快速发展，对电力的需求日益增加。电力行业是我国国民经济的基础性行业。作为二次能源，电力在生产和生活中发挥着重要的动力能源作用。国民经济是否能够健康稳定地发展，其关键因素就在于动力能否持续稳定地有效供给。输变线路不仅是输送和分配电能的载体，还能将几个电网连接起来，形成电力系统。输变线路故障是电网故障的诱因，一旦电力线路的某一部位发生问题，则会产生连锁反应，影响整个电网系统的运行。塔架作为输变电线路中的重要组成部分，工作环境为自然状态，环境相对复杂，容易受环境、气候或人为等因素的影响而出现损害。塔架主要有钢板卷制的杆塔和角钢装配的铁塔两种，其中杆塔主要应用在城市狭窄地域输电线路，制造成本较高，国内应用的大部分输变电塔架是以角钢为主要材料的铁塔。温度对结构钢材的韧性影响很大。在常温下结构钢材表现出良好的韧性，但在低温下钢材的脆性增加，容易发生低温冷脆现象。20世纪30年代以来，国外发生过多次桥梁构件及输电铁塔用钢材脆断的事故。分析表明，金属或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低、材质变脆。随着科学技术的发展，为了适应低温的要求，人们研制了各种低温钢。对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即在低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。所以各国通常都对低温钢限定在最低使用温度下有一定的冲击韧性值，以保证低温钢材在使用中的安全性。我国幅员辽阔，在北方很多地区冬季气温在-20℃以下，极限气温达-40℃以下，尤其是东北地区，属寒温带和寒带气候地区，具有气温低、温差大、降雪量大、空气密度大等特征，且持续得时间较长，低温出现时间一般3～6个月以上，在大、小兴安岭地区年平均气温都在0℃以下。东北地区最冷月温度大致在-10～-30℃之间，其中兴安岭地区各地极端最低温度的多年平均值大多在-40℃左右，而极值可达-45℃左右，随着近几年来，大气与自然环境的剧烈变化，极端天象出现频率增加，输电塔材脆断事故时有发生，对人们的生命财产安全构成威胁。因此，极端的气候环境对电力传输用角钢提出了更高的要求——具有良好的低温性能，以保证其工作的稳定性和可靠性。
技术实现要素：
为解决本领域中存在的上述技术问题，本发明提供一种力学性能良好的耐低温结构用热轧角钢及其制备方法。为了实现上述目的，本发明提供了一种耐低温角钢，所述耐低温角钢按质量百分比由以下化学成分组成：C：0.10～0.15%，Si：0.20～0.50%，Mn：1.3～1.7%，V：0.04～0.06%，Al：0.005～0.015%，N≤0.01%，O≤0.006%，P≤0.020%，S≤0.010%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所述耐低温角钢按重量百分比由以下化学成分组成：C：0.12～0.14%，Si：0.25～0.45%，Mn：1.4～1.6%，V：0.045～0.055%，Al：0.005～0.012%，N≤0.01%，O≤0.006%，P≤0.020%，S≤0.010%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明所述耐低温角钢力学性能技术指标如下：抗拉强度：Rm：480～630MPa；屈服强度：Rel≥345MPa；伸长率：A≥22%；冲击韧性：Akv≥100J，试验温度-40℃。为了实现本发明的目的，本发明还提供一种耐低温角钢的生产方法，包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、方坯连铸机连铸及轧制工序，所述铁水预脱硫：脱硫后保证铁水中的硫含量为≤0.005wt%。本发明所述转炉冶炼工序采用顶底复吹转炉冶炼；在转炉冶炼工序中，采用红净镁砖包，烘烤温度≥800℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制。本发明所述转炉冶炼工序采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。本发明所述LF精炼工序中，精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣；LF精炼步骤还包括取初样后调整氧位至[O]≤20ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度≥3m/s。本发明所述方坯连铸工序中，全程保护浇注；在连铸步骤中，中间包烘烤温度≥1000℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。本发明所述轧制工序的工艺参数控制如下：在轧制步骤中，加热炉的均热温度为1220～1260℃，铸坯在炉时间为90～120min，开轧温度为1020～1050℃，终轧温度为870～880℃，空冷至室温本发明所述方坯连铸工序中，全程保护浇注；在连铸步骤中，中间包烘烤温度≥1100℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。本发明设计思路：钒微合金化耐低温角钢，经过无数次试验，对耐低温角钢进行了成分设计：碳：目前一般热轧耐-40℃角钢的C含量为≤0.18%，综合考虑性能要求及其它合金元素的量，本发明的耐低温角钢C含量取0.10～0.15%，降低C含量有利于改善焊接性能、提高塑性和韧性。硅：硅在钢中能提高钢的屈服强度、弹性及抗酸性能。Si是非碳化物形成元素，在钢中以固溶形式存在，能显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn，所以Si也是钢中很常用的合金元素。但Si高于0.7%时，钢的强度增加,韧性塑性却显著下降。因此硅的含量控制在0.20～0.50%。锰：钢中的锰(Mn)可以抑制铁素体-珠光体的转变，从而提高钢的韧性,随Mn含量的增加,韧脆转变温度降低。Mn具有降低A-F相变温度和细化相变晶粒的作用，Mn含量在一定范围内，既提高钢的强度，又提高钢的韧性。当w(Mn)≥1.2%时，钢的强化效果明显，当w(Mn)≥1.5%时，则降低钢的韧性，故Mn含量应控制在1.3～1.7%。硫、磷、氧：S、P、O在此钢中属于有害元素，要求越低越好，综合考虑后，按P≤0.020%、S≤0.010%、O≤0.006%控制。钒：V钒在钢中有沉淀强化、细晶强化和晶界强化作用。微合金化元素V的碳氮化物在奥氏体和铁素体的析出过程可有效地控制形变奥氏体再结晶过程或防止再结晶晶粒长大，从而在奥氏体向铁素体转变时细化成核，得到细小的铁素体晶粒。V既是强碳化物形成元素，同时也是强氮化物形成元素。在800-1000℃时，V与C生成VC，这些VC颗粒以细小质点形式存在将阻止奥氏体晶粒长大起到细晶强化的作用。另外，在冷却过程中，这些V的碳化物以弥散形式析出，对钢起到沉淀强化作用，故V含量应控制在0.04～0.06%。铝：Al在钢中不仅具有良好的脱氧作用，而且有细晶强化作用,从而有利于韧脆转变温度降低，故Al含量应控制在0.005～0.015%。氮：含钒钢中加入N除可以增加沉淀强化作用外，还有明显的细晶强化作用。N可以促进V的析出，钒氮钢中析出的碳氮化钒平均粒子尺寸要比钒钢更细小，细晶强化效果明显。但经过多次试验发现，过高的N含量也不利于角钢力学性能提高，因此N含量应控制≤0.01%。本发明345MPa级耐低温热轧角钢的制备方法包括脱硫、转炉冶炼（例如，100吨顶底复吹转炉冶炼）、LF精炼、方坯全程保护连铸、轧制（例如，1-13轧机布置型式生产线轧制）工序。主要通过降低碳含量，应用钒微合金化工艺，实现345MPa级耐低温热轧角钢产品生产。本发明未提及的工序，均可采用现有技术。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1.同目前345MPa级耐低温热轧角钢生产比较，本发明采用钒微合金化工艺，炼钢工序工艺控制简单，合金回收率稳定，轧制过程不需进行低温控轧，轧后不空冷不进行热处理，完成345MPa级耐低温（-40℃）冲击功的角钢的成分设计及生产；2.本发明的耐低温性能良好，采用夏式V型缺口冲击试验测量角钢的耐低温力学性能，-40℃冲击能≥100J。附图说明图1位本发明耐低温热轧角钢工艺流程图。具体实施方式下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。如图1所示，一种345MPa级耐低温热轧角钢的工艺路线为：铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→方坯全保护连铸→1-13轧机布置型式生产线轧制→检验入库。制备方法主要工艺措施：1）铁水预脱硫：铁水到脱硫站，脱硫后保证铁水中的硫含量为≤0.010wt%；2）转炉冶炼：采用红净镁砖包，烘烤温度≥800℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制；采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。3）LF精炼：步骤还包括采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣。取初样后调整氧位至[O]≤20ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度≥3m/s。4）连铸：中间包烘烤温度≥1100℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。铸坯规格为165mm×165mm，拉速为0.6×0.9m/min。5）轧制：加热炉的均热温度为1220～1260℃，铸坯在炉时间为90～120min，开轧温度为1020～1050℃，终轧温度为870～880℃，空冷至室温，轧材的规格为等边角钢：边厚度约为18mm，边宽带约为180mm。实施例1本实施例耐低温角钢的化学成分重量百分比为：C：0.15%，Si：0.25%，Mn：1.60%，V：0.045%，Al：0.005%，N：0.007%，O：0.005%，P:0.012%，S：0.008%，余量为Fe和不可避免的杂质（见表1），轧材力学性能见表2。制备方法如下：1）铁水预脱硫：铁水到脱硫站，脱硫后保证铁水中的硫含量为0.008wt%；2）转炉冶炼：采用红净镁砖包，烘烤温度800℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制；采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。3）LF精炼：精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣。取初样后调整氧位至[O]20ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度4m/s。LF精炼工序中，精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣；LF精炼步骤还包括取初样后调整氧位至[O]≤20ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度≥3m/s。4）连铸：中间包烘烤温度为1100℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。铸坯规格为165mm×165mm，拉速为0.6×0.9m/min。5）轧制：加热炉的均热温度为1220℃，铸坯在炉时间为120min，开轧温度为1020℃，终轧温度为870℃，空冷至室温，轧材的规格为等边角钢：边厚度约为18mm，边宽带约为180mm。实施例2本实施例所得耐低温角钢的化学成分重量百分比如下：C：0.14%，Si：0.45%，Mn：1.30%，V：0.040%，Al：0.006%，N：0.008%，O：0.004%，P:0.014%，S：0.007%，余量为Fe和不可避免的杂质（见表1），轧材力学性能见表2。制备方法如下：1）铁水预脱硫：铁水到脱硫站，脱硫后保证铁水中的硫含量为0.007wt%；2）转炉冶炼：采用红净镁砖包，烘烤温度820℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制；采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。3）LF精炼：精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣。取初样后调整氧位至[O]19ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度3m/s。4）连铸：中间包烘烤温度为1000℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。铸坯规格为165mm×165mm，拉速为0.6×0.9m/min。5）轧制：加热炉的均热温度为1250℃，铸坯在炉时间为100min，开轧温度为1045℃，终轧温度为878℃，空冷至室温，轧材的规格为等边角钢：边厚度约为18mm，边宽带约为180mm。实施例3本实施例所得耐低温角钢的化学成分重量百分比如下：C：0.13%，Si：0.36%，Mn：1.34%，V：0.055%，Al：0.01%，N：0.007%，O：0.005%，P:0.014%，S：0.008%，余量为Fe和不可避免的杂质（见表1），轧材力学性能见表2。制备方法如下：1）铁水预脱硫：铁水到脱硫站，脱硫后保证铁水中的硫含量为0.008wt%；2）转炉冶炼：采用红净镁砖包，烘烤温度850℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制；采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。3）LF精炼：精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣。取初样后调整氧位至[O]18ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度5m/s。4）连铸：中间包烘烤温度为1150℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。铸坯规格为165mm×165mm，拉速为0.6×0.9m/min。5）轧制：加热炉的均热温度为1260℃，铸坯在炉时间为90min，开轧温度为1050℃，终轧温度为880℃，空冷至室温，轧材的规格为等边角钢：边厚度约为18mm，边宽带约为180mm。实施例4本实施例所得耐低温角钢的化学成分重量百分比如下：C：0.12%，Si：0.50%，Mn：1.40%，V：0.049%，Al：0.015%，N：0.008%，O：0.005%，P:0.010%，S：0.006%，余量为Fe和不可避免的杂质（见表1），轧材力学性能见表2。制备方法如下：1）铁水预脱硫：铁水到脱硫站，脱硫后保证铁水中的硫含量为0.006wt%；2）转炉冶炼：采用红净镁砖包，烘烤温度815℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制；采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。3）LF精炼：精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣。取初样后调整氧位至[O]16ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度3m/s。4）连铸：中间包烘烤温度为1100℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。铸坯规格为165mm×165mm，拉速为0.6×0.9m/min。5）轧制：加热炉的均热温度为1230℃，铸坯在炉时间为110min，开轧温度为1040℃，终轧温度为875℃，空冷至室温，轧材的规格为等边角钢：边厚度约为18mm，边宽带约为180mm。实施例5本实施例所得耐低温角钢的化学成分重量百分比如下：C：0.10%，Si：0.20%，Mn：1.70%，V：0.060，Al：0.012%，N：0.01%，O：0.006%，P:0.020%，S：0.010%，余量为Fe和不可避免的杂质（见表1），轧材力学性能见表2。制备方法如下：1）铁水预脱硫：铁水到脱硫站，脱硫后保证铁水中的硫含量为0.010wt%；2）转炉冶炼：采用红净镁砖包，烘烤温度830℃；采用硅锰、钒铁、中锰进行合金化，合金成分按中限控制；采用铝锰铁脱氧；出钢过程中加入炉渣改质剂1.0kg，当钢水出至1/4时开始均匀加入合金，钢水出至3/4时加完，合金对准钢流冲击区加入。3）LF精炼：精炼过程中充分搅拌化渣，造黄白渣；采用铝粒、硅钙钡、铝钒土进行调渣。取初样后调整氧位至[O]≤20ppm定氧，喂入硅钙线，喂线速度4m/s。4）连铸：中间包烘烤温度为1200℃，结晶器对弧，使用全程保护浇注。铸坯规格为165mm×165mm，拉速为0.6×0.9m/min。5）轧制：加热炉的均热温度为1255℃，铸坯在炉时间为115min，开轧温度为1045℃，终轧温度为874℃，空冷至室温，轧材的规格为等边角钢：边厚度约为18mm，边宽带约为180mm。表1耐低温角钢化学成分（wt%）实施例CSiMnPSVAlNO10.150.251.600.0120.0080.0450.0050.0070.00520.140.371.300.0140.0070.0400.0060.0080.00430.130.451.340.0140.0080.0550.010.0070.00540.120.501.400.0100.0060.0490.0150.0080.00550.100.201.700.0200.0100.0600.0120.010.006表2耐低温角钢力学性能检测结果