一种460MPa级抗震耐火建筑钢及其制备方法与流程

本发明属于建筑用结构钢领域，特别设计一种460MPa级抗震耐火建筑钢及其制备方法，其特别适用于TMCP工艺生产。
背景技术：
：目前国内及国际上屈服强度460MPa级别以下的建筑结构用抗震钢板逐渐在大型建筑中推广应用，但随着高层建筑的快速发展，以及建筑物安全性能的考虑越来越多，对于建筑钢的抗震、耐火性能提出更高的要求。出于抗震性能的考虑，目前大多460MPa级建筑钢的屈强比都要求小于0.8，而开发出屈强比更低的建筑钢对于抗震性能的提高具有关键意义。目前钢结构耐火性能的提高，还是主要采用喷涂很厚的防火图层对钢架构进行保护，而喷涂防火涂层使钢结构建筑成本成倍增加，且延长工期，喷涂作业的飞溅也会造成环境的污染，因此减少乃至不用防火涂层成为发展耐火钢的关键动力。经检索，公开号为CN103866188A的文献，公开了屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及生产方法。该钢种其化学成分重量百分比：C：0.095～0.180％，Si：0.28～0.55％，Mn：1.40～1.60％，P：≤0.008％，S：≤0.002％，Nb：0.014～0.045％，Ti：0.004～0.030％，V：0.034～0.044％，Mo：0.09～0.29，W：0.06～0.12％，Mg：0.0080～0.0100％，Sn：0.08～0.13％，O：≤0.0016％；工艺：铁水脱硫；转炉冶炼：真空处理：铸坯加热：分段轧制：冷却：待用。该钢种为了提高强度，C含量相对较高，因此其焊接性能收到一定影响，测试为-20℃的冲击功，因此在更低更严苛温度下，其冲击韧性有待进一步考证，其屈强比接近0.80，限制其抗震性能。经检索，公开号为CN103882318A的文献，公开了一种节钼型多元复合微合金抗震耐火钢及其制造方法，其重量百分比化学成分为：C：0.03～0.09％，Si：0～0.5％，Mn：0.50～1.50％，P：﹤0.02％，S：﹤0.01％，Cr：0.35～1.00％，Mo：0.15～0.20％，Nb：0.05～0.15％，V：0～0.10％，Ti：0.01～0.025％，B：0～0.0030％，Al：0.01～0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢种是通过Nb、V、Ti代替Mo的作用，主要利用MC型析出物在铁素体或贝氏体中析出，通过析出物的析出强化作用，强化基体，保证在高温下具有良好的强度，但MC型碳化物随着保温时间的延长，容易发生粗化，另外遇火智能析出的方法在节约成本的情况下很难实现，并且其只是保证保温3小时情况下的高温强度，如果继续延长时间其强化效果会下降很多，其对于建筑物的安全性有待进一步验证。上述文献中均未提出屈强比低于0.75，或是利用相间析出结合MC型碳化物高温析出来达到耐火的目的。技术实现要素：本发明目的在于提供一种使用性能满足GB/T1951《低合金高强度结构钢》要求的前提下，通过TMCP状态交货，无需复杂热处理工艺，具有较宽的工艺窗口，屈服强度≥460MPa，抗拉强度670～800MPa，断后延伸率≥26％，-40℃KV2≥250J以及屈强比﹤0.75，可广泛应用于高层、超高层同时要求高强度及抗震、耐火性能等的建筑钢。本发明目的在于通过Nb、V、Ti的一定比例的添加，通过TMCP工艺来得到大量相间析出，并积累一定的位错密度，保证后期高温下有一定的MC型碳化物析出，达到优异的耐火性能；通过控制冷却即得到相间析出又调控铁素体的含量，调整屈服强度和屈强比，达到良好的抗震性能。一种460MPa级抗震耐火建筑钢，其特征在于，化学成分的重量百分比要求为：C：0.03～0.08％，Mn：1.0～1.8％，Si：0.1～0.5％，Cr：0.2～0.7％，Mo：0.1～0.3％，Ti：0.05～0.12％，V：0.04～0.12％，Nb：0.01～0.06％，Al：0.01～0.05％，P:≤0.008％，S：≤0.002％，余为铁和不可避免的微量的化学元素。如上所述的460MPa级抗震耐火建筑钢的制备方法，采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸，轧制采用控轧控冷，其特征在于：轧制工艺中控制的技术参数为：1)中厚板轧机控制轧制将连铸坯或铸坯开坯后装入加热炉中进行加热，加热温度为1100-1250℃，时间为1-4小时，加热后进行轧制，开轧温度为1050-1180℃；中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-6道次，精轧轧制5-10道次，粗轧轧后温度控制在950-1050℃，精轧终轧温度为780-900℃；2)轧后控制冷却轧制后钢板空冷待温到600-700℃后，进行层流冷却至室温。进一步地，按照如上所述方法制备的460MPa级抗震耐火建筑钢，控轧控冷后的组织为马氏体/贝氏体+铁素体双相组织，铁素体所占比例为50～90％，且铁素体中存在大量相间析出；屈服强度≥460MPa，抗拉强度670～800MPa，断后延伸率≥26％，-40℃KV2≥250J以及屈强比﹤0.75，耐火性能：600℃保温3小时屈服强度不低于室温下的2/3。本发明主要化学成分限定理由如下：碳：碳是决定钢强度的最重要的元素之一，能起到很好的固溶强化作用，另外也是相间析出和MC型碳化物析出的必要元素，随着碳含量的增加，钢的屈服强度和抗拉强度提高，但钢的延伸性能和冲击韧性降低，耐腐蚀性能也会降低，并且过高的碳含量，会显著钢材的焊接性能，因此为了保证钢材具有良好的综合性能，本发明的碳元素含量重量百分比为0.03～0.08％。硅：钢中脱氧元素之一，硅能改善钢的耐腐蚀性能，常被添加到不锈钢、低合金钢、耐蚀合金中，以提高这些合金的耐蚀性，使它们具有耐氯化物应力腐蚀破裂、耐点蚀、耐热浓硝酸腐蚀、抗氧化、耐海水腐蚀等性能但过量的将恶化钢的韧性及焊接性能，同时硅具有较强的固溶强化作用，但过量的硅将恶化钢的韧性及焊接性能。因此本发明中硅元素含量的重量百分比为0.1～0.5％。锰：锰是重要的强韧化元素，且成分低廉，随着锰含量的增加，钢的强度明显提升，改善钢的加工性能，而韧脆转变温度几乎不发生变化。但锰含量过高，会抑制铁素体的转变，影响钢的屈服强度，不利于屈强比的控制。因此本发明的锰元素含量的重量百分比为1.0～1.8％。磷和硫：磷和硫是钢中难以避免的有害杂质元素。高的磷会导致偏析，影响钢组织均匀性，降低钢的塑性；硫易形成硫化物夹杂对低温韧性不利，且会造成性能的各向异性，同时严重影响钢的应变时效。因此，应严格限制钢中的磷、硫含量，本发明磷元素含量的重量百分比控制在≤0.008％，硫元素含量的重量百分比控制在≤0.002％。铬：铬能高钢的强度、硬度和耐大气腐蚀性能，加入其他合金元素时，效果较显著。铬可以减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，并有二次硬化作用，但亦增加钢的回火脆性倾向。但铬含量过高时，会降低基材和热影响区的韧性。因此本发明的铬元素含量的重量百分比为0.2～0.7％。钼：钼显著提高钢的淬透性，减少回火脆性，提高钢的耐延迟断裂性能，并且钼对铁素体有固溶强化作用，能提高碳化物的稳定性能，降低粗化倾向，从而提高钢的室温及高温强度，过高的钼回事低温韧性和焊接性能变差，且钼的成本较高，因此本发明钼元素含量的重量百分比为0.1～0.3％。铌：铌在轧制过程中固溶于奥氏体中的和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，细化奥氏体晶粒进而细化铁素体等的晶粒，提高强度。铌固溶于奥氏体的还能够提高淬透性，着火过程中析出的碳化铌粒子或与钒、钼复合析出第二相，提高高温强度。因此本发明铌元素含量的重量百分比为0.01～0.06％。钒：钒具有较低的全固溶温度，均热时基本全部固溶，轧制过程中固溶的能有效提高淬透性和提高再结晶温度；在轧后空冷下，钒易随着奥氏体向铁素体转变过程中，以相间析出的形式析出，且在钢着火过程中会从在铁素体和贝氏体中单独析出，或与铌、钼复合沉淀析出，起到提高高温强度的目的。因此本发明钒元素含量的重量百分比为0.04～0.12％。钛：钛在钢中固溶度较低，易在奥氏体中析出，钉扎在晶界处，阻止晶粒长大和再结晶，可以起到细化晶粒作用，另外钛还是钢中强脱氧剂，能使钢内部组织致密，降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能，另外钛由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，提高高温强度，但过多的钛会降低钢的韧性。因此本发明钛元素含量的重量百分比为0.05～0.12％。铝：铝是强脱氧元素，还可以与氮结合形成氮化铝，起到细化晶粒作用，因此本发明铝元素含量的重量百分比为0.01～0.05％。综上所述，本发明在低合金钢的基础上，添加一定量的Cr、Si等元素，提高钢的耐腐蚀性能，添加一定量的Mo、Nb、V、Ti等元素，通过控制TMCP工艺，在奥氏体到铁素体转变过程中析出大量相间析出，并细化晶粒，未形成相间析出的元素在铁素体基体中起到很好的固溶强化作用，在后期的着火过程中，析出MC型碳化物，与相间析出共同作用，提高钢的高温强度，使其具备很好的耐火性能，另外通过TMCP工艺的控制，合理调控铁素体的含量，调控钢的屈强比，使钢具有优良的抗震性能。并且本发明采用TMCP工艺交货，无需复杂热处理工艺，具有较宽的工艺窗口，因此无论在生产可实现程度还是成本上，都有着优异的应用前景。附图说明图1为本发明实施例1经过硝酸酒精侵蚀后光学显微镜观察的金相图图2为本发明实施例1透射电子显微镜观察的相间析出TEM图像图3为本发明实施例1在600℃保温3小时后透射电子显微镜观察的相间析出TEM图像具体实施方式以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明，实施例仅用于解释的目的，本发明保护范围不限于本实施例。下面对本发明作进一步的描述：表1为本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表表2为本发明各实施例及对比例的轧制主要工艺参数取值列表表3位本发明各实施例及对比例的力学、耐火性能检测结果列表本发明各实施例是根据以下工艺步骤进行生产：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸，其特征在于：轧制工艺中控制的技术参数为1)中厚板轧机控制轧制将连铸坯或铸坯开坯后装入加热炉中进行加热，加热温度为1100-1250℃，时间为1-4小时，加热后进行轧制开轧温度为1050-1180℃；中厚板轧机轧制工艺为：粗轧轧制3-6道次，精轧轧制5-10道次，粗轧轧后温度控制在950-1050℃，精轧终轧温度为780-900℃。2)轧后控制冷却轧制后钢板空冷待温到600-700℃后，进行层流冷却(超快冷)至室温。表1本发明各实施例及对比例的化学成分及重量百分比含量列表实施例CMnSiCrMoNbTiVAlPS10.0551.520.200.50.220.020.0780.0890.0450.0050.001420.0721.420.240.350.210.040.060.090.0380.0070.001830.0621.610.170.390.200.030.080.060.030.0060.001240.0451.570.250.450.240.040.050.0820.0480.0070.0014对比例10.051.480.190.680.110.030.0850.040.040.0060.0015对比例20.11.820.510.560.260.010.050.040.020.0050.0011表2本发明各实施例及对比例的轧制主要工艺参数取值列表表3位本发明各实施例及对比例的力学、耐火性能检测结果列表通过表3数据可以看出：1)本发明的实施例钢材产品的屈服强度、屈强比、延伸率、冲击韧性都达到460MPa级抗震耐火建筑钢的要求，而对比例1明显强度未达到要求，对比例2钢材延伸率和冲击韧性都较差，未达标。2)本发明实施例钢材的耐火性能优良，满足600℃保温三小时后屈服强度不低于室温下2/3的规定，而对比例1、2耐火性能明显不满足要求。通过图2和图3对比，可以明显看出实施例1中钢产品组织中存在明显的相间析出，在600℃下保温三小时，相间析出无明显粗化现象，大小仍在几十纳米以下，析出强化效果依然存在，并且在600℃保温后，有一定量的MC型碳化物析出，起到很好的着火析出效果，因此实施例的耐火性能优良。当前第1页1 2 3