一种屈服345MPa级耐火钢板及其生产方法与流程

本发明涉及一种耐火钢板及其生产方法，尤其是一种屈服345MPa级耐火钢板及其生产方法。

背景技术：

随着国内外钢结构的大型建筑、高层建筑不断涌现，国际上钢结构的防火工艺设计受到人们的广泛重视，建筑钢结构的防火工艺设计已成为保证建筑安全的必要措施之一。普通建筑用钢受热时其强度和承载能力迅速降低，不能满足设计要求。为了提高采用普通建筑用钢建造的建筑物抵抗火灾的能力，必须采取喷涂耐火涂层或覆盖防火板等措施，而使用耐火钢可减薄或省去耐火涂层或防火板，并能保证钢材在高温下保持较高的强度水平，还可缩短建造周期，减轻建筑物质量，增加建筑的安全性，降低建造成本，具有显著的经济效益和社会效益。

耐火钢要求具有良好的高温性能，但它又不同于长期在高温下服役的耐热钢，耐热钢要求具有良好的高温强度及高温稳定性，一般采用高合金钢。而耐火钢是在常温下承载，只是要求在遇到火灾的短时（通常为1～3h）高温条件下能够保持较高的屈服强度即可，因而属于低合金结构用钢。日本钢结构安全设计规范中规定：常温下钢材屈服强度的2/3相当于该材料的长期允许应力值，当发生火灾时，如果耐火钢的屈服点仍然能保持此值，建筑物就不会倒塌。因此，参考日本建筑标准中的规定，要求耐火钢在一定高温下其屈服强度不低于室温屈服强度的2/3。为提高钢结构的抗震性，总是希望尽量提高钢材吸收地震能量的能力，若钢的屈强比较高，发生地震时就会产生局部应力集中和局部大变形，此时钢结构只能吸收较少的能量，因此低屈强比有利于提高建筑结构地震时吸收的能量；一般要求抗震耐火钢的屈强比≤0.8。另外，控制建筑用钢的屈服强度波动范围也非常重要，当屈服强度波动较小时，钢结构是一种整体破坏机制，其整体的塑性变形能力很高，抗震性能优良，因此，对抗震设计来说，要求采用窄屈服区间的钢材也是很必要的。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种性能良好的屈服345MPa级耐火钢板；本发明还提供了一种屈服345MPa级耐火钢板的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明化学成分的重量百分含量为：C 0.10～0.12%，Si 0.20～0.40%，Mn 1.43～1.53%，P≤0.008%，S≤0.003%，Mo 0.15～0.25%，Nb 0.020～0.030%，Al 0.020～0.050%，V 0.020～0.030%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述钢板的组织为贝氏体和铁素体的复合组织。

本发明方法包括加热、轧制和回火工序；所述轧制工序采用再结晶区＋未再结晶区两阶段控轧工艺；所述钢板化学成分的重量百分含量如上所述。

本发明方法所述轧制工序：第一阶段轧制温度为1000～1100℃，单道次压下量为10～20%，累计压下率为30～50％；第二阶段轧制温度为840～910℃，累计压下率为30～50％；轧后进行ACC水冷。所述ACC水冷的入水温度为760～780℃，返红温度600～650℃。

本发明方法所述回火工序：加热温度350～400℃，保温时间系数1min/mm。

本发明方法所述加热工序：钢坯的最高加热温度1240～1250℃，均热温度1200～1220℃，均热段在炉时间≥1h。总加热时间≥1min/mm钢坯厚度。

本发明及方法的设计思路如下：碳、锰固溶强化；加入少量的Nb、V、Mo细化晶粒，其碳氮化物起到弥散强化作用；通过后续精准的控轧控冷工艺，使钢板具有良好的力学性能。其中，各组分及含量在本发明中的作用是：

C：碳对钢的屈服、抗拉强度、焊接性能产生显著影响。碳通过间隙固溶能显著提高钢板强度，但碳含量过高，又会影响钢的焊接性能及韧性。

Si：在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但超过0.5%时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。

Mn：锰成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，对于大厚度钢板易出现中心偏析。

P、S：在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能变坏，降低塑性；硫降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。

Al：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

Nb：铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。

V：V的主要作用是γ-α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化。

Mo：Mo的主要作用提高高温回火稳定性，显著提高钢的高温强度。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明化学成分设计采用低C，保证钢板良好的焊接性；采用Nb、V微合金化设计，辅以Mo等合金元素，确保钢板强度、韧性匹配及耐高温性能；本发明具有良好的耐火性能，组织为贝氏体、铁素体的复合组织，具有抗震效果好、耐高温的特点；本发明600℃高拉≥230MPa，屈服强度≥345MPa，抗拉强度≥490MPa，屈强比≤0.83，0℃冲击功≥34J，钢板最大厚度可达到20mm。

本发明方法中钢板的化学成分设计采用低C，保证钢板良好的焊接性；采用Nb、V微合金化设计，辅以Mo等合金元素确保钢板强度、韧性匹配及耐高温性能；采用TMCP+回火工艺得到贝氏体、铁素体的复合组织。本发明方法通过控轧控冷＋回火工艺生产钢板，所得屈服345MPa级TMCP+回火型耐火钢板（Q345FRC）具有良好的焊接性，低的焊接裂纹敏感系数（Pcm）0.19～0.21%；屈服强度在400～460MPa，抗拉强度在570～590MPa之间，600℃高温屈服250～270MPa，0℃冲击功≥150J；钢板最大厚度可达到20mm；具有贝氏体、铁素体的复合组织。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例1的钢板的显微组织图；

图2为实施例2的钢板的显微组织图；

图3为实施例3的钢板的显微组织图；

图4为实施例4的钢板的显微组织图。

具体实施方式

本屈服345MPa级耐火钢板采用下述方法生产而成：

（1）冶炼工序：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，精炼时喂入Al线；钢水温度达到或超过1540±10℃转入VD炉真空脱气处理，真空脱气处理前加入CaSi块≥100kg或Fe-Ca线400～450m改变夹杂物形态，真空脱气处理的真空度≤66.6Pa，真空保持时间≥20min。出钢钢水化学成分的重量百分含量为：C 0.10～0.12%，Si 0.20～0.40%，Mn 1.43～1.53%，P≤0.008%，S≤0.003%，Mo 0.15～0.25%，Nb 0.020～0.030%，Al 0.020～0.050%，V 0.020～0.030%，余量为Fe和不可避免的杂质。

（2）连铸工序：采用200mm厚度连铸坯成材。

（3）加热工序：钢坯的最高加热温度1240～1250℃，均热温度1200～1220℃，总加热时间≥1min/mm钢坯厚度，均热段在炉时间≥60min。

（4）轧制工序：采用再结晶区+未再结晶区两阶段控轧工艺进行轧制，得到半成品钢板；第一阶段轧制温度为1000～1100℃，此阶段单道次压下量为10～20%，累计压下率为30～50％；第二阶段轧制温度为840～910℃，累计压下率为30～50％；轧后进行ACC水冷，入水温度760～780℃，返红温度600～650℃。

（5）回火工序：半成品钢板进行回火；加热温度350～400℃，保温时间系数1min/mm；即可得到最大厚度可达到20mm的耐火钢板。

实施例1：本屈服345MPa级耐火钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到1540℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块100kg；真空脱气处理的真空度66.6Pa，真空保持时间20min；出钢钢水化学成分的重量百分含量见表1。

（2）连铸：连铸成200mm厚度的连铸坯。

（3）加热：最高加热温度1250℃，均热温度1220℃，总加热时间204min，均热段在炉时间1h。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1030℃，单道次压下量为20%，累计压下率为50％；第二阶段轧制温度为840℃，累计压下率为30％；轧后进行ACC水冷，入水温度780℃，返红温度650℃。

（5）回火：加热温度381℃，保温时间系数1min/mm。

本实施例所得10mm厚度耐火钢板的力学性能：屈服强度422MPa，抗拉强度572MPa，屈强比0.73，600℃高拉289MPa，0℃冲击功平均210J；组织照片见图1，由图1可见其组织为贝氏体和铁素体的复合组织。

实施例2：本屈服345MPa级耐火钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度1550℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入Fe-Ca线400m改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度66Pa，真空保持时间24min；出钢钢水化学成分的重量百分含量见表1。

（2）连铸：连铸成200mm厚度的连铸坯。

（3）加热：钢坯加热温度最高1245℃，均热温度1218℃，总加热时间210min，均热段在炉时间61min。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1100℃，单道次压下量为10%，累计压下率为30％；第二阶段轧制温度为910℃，累计压下率为30％，轧后进行ACC水冷，入水温度780℃，返红温度600℃。

（5）回火：加热温度389℃，保温时间系数1min/mm。

本实施例所得10mm厚度耐火钢板的力学性能：屈服强度410MPa，抗拉强度571MPa，屈强比0.72，600℃高拉280MPa，0℃冲击功平均100J；组织照片见图2，由图2可见其组织为贝氏体和铁素体的复合组织。

实施例3：本屈服345MPa级耐火钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度1530℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块110kg改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度60Pa，真空保持时间25min；出钢钢水化学成分的重量百分含量见表1。

（2）连铸：连铸成200mm厚度的连铸坯。

（3）加热：最高加热温度1240℃，均热温度1220℃，总加热时间220min，均热段在炉时间1.5h。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1050℃，单道次压下量为15%，累计压下率为38％；第二阶段轧制温度为880℃，累计压下率为40％；轧后进行ACC水冷，入水温度780℃，返红温度650℃。

（5）回火：加热温度400℃，保温时间系数1min/mm。

本实施例所得20mm厚度耐火钢板的力学性能：屈服强度434 MPa，抗拉强度582 MPa，屈强比0.75 ，600℃高拉266MPa，0℃冲击功平均123J；组织照片见图3，由图3可见其组织为贝氏体和铁素体的复合组织。

实施例4：本屈服345MPa级耐火钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度1535℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入Fe-Ca线450m改变夹杂物形态；真空脱气处理的真空度62Pa，真空保持时间26min；出钢钢水化学成分的重量百分含量见表1。

（2）连铸：连铸成200mm厚度的连铸坯。

（3）加热：最高加热温度1250℃，均热温度1220℃，总加热时间220min，均热段在炉时间1.2h。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1000℃，此阶段单道次压下量为18%，累计压下率为40％；第二阶段轧制温度为900℃，累计压下率为42％，轧后进行ACC水冷，入水温度770℃，返红温度650℃。

（5）回火：加热温度350℃，保温时间系数1min/mm。

本实施例所得15mm厚度耐火钢板的力学性能：屈服强度 455MPa，抗拉强度589MPa，屈强比0.77，600℃高拉260MPa，0℃冲击功平均132J；组织照片见图4，由图4可见其组织为贝氏体和铁素体的复合组织。

实施例5：本屈服345MPa级耐火钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到1545℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入CaSi块120kg；真空脱气处理的真空度65Pa，真空保持时间30min；出钢钢水化学成分的重量百分含量见表1。

（2）连铸：连铸成200mm厚度的连铸坯。

（3）加热：最高加热温度1248℃，均热温度1220℃，总加热时间200min，均热段在炉时间65min。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1080℃，单道次压下量为12%，累计压下率为32％；第二阶段轧制温度为860℃，累计压下率为50％；轧后进行ACC水冷，入水温度780℃，返红温度620℃。

（5）回火：加热温度370℃，保温时间系数1min/mm。

本实施例所得15mm厚度耐火钢板的力学性能：屈服强度402MPa，抗拉强度559MPa，屈强比0.72，600℃高拉281MPa，0℃冲击功平均223J。

实施例6：本屈服345MPa级耐火钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼：钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到1540℃转入VD炉真空脱气处理，VD前加入Fe-Ca线420m；真空脱气处理的真空度64Pa，真空保持时间25min；出钢钢水化学成分的重量百分含量见表1。

（2）连铸：连铸成200mm厚度的连铸坯。

（3）加热：最高加热温度1243℃，均热温度1220℃，总加热时间208min，均热段在炉时间80min。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1040℃，单道次压下量为14%，累计压下率为45％；第二阶段轧制温度为870℃，累计压下率为36％；轧后进行ACC水冷，入水温度760℃，返红温度630℃。

（5）回火：加热温度360℃，保温时间系数1min/mm。

本实施例所得20mm厚度耐火钢板的力学性能：屈服强度431MPa，抗拉强度569MPa，屈强比0.76，600℃高拉299MPa，0℃冲击功平均231J。

表1：各实施例中钢板化学成分的重量百分含量（wt%）

表1中，化学成分的余量为Fe和不可避免的杂质。

由上述实施例可知，本方法生产的屈服345MPa级TMCP+回火型耐火钢板钢板具有低的碳当量和裂纹敏感型指数、低屈强比、低温冲韧性优良、焊接性良好等特点。