本发明涉及钢材生产技术领域，具体涉及热轧钢板桩及其生产方法。
背景技术：
钢板桩是带有锁口的一种型钢，其截面有直板形、u形及z形等，钢板桩是水利工程施工、围堰施工、隧道施工、路基工程、桥基工程的必需品。钢板桩具有以下优点：高质量(高强度，轻型，隔水性良好)；施工简单、工期短、建设费用便宜；耐久性良好，寿命20-50年；使用钢板桩可以不受天气条件的制约，在使用钢板桩的过程中，能简化检查材料或系统性能的复杂程序；互换性良好，可重复使用3-5次，可以回收重复利用，节约资金；施工具有显著的环保效果，大量减少了取土量和混凝土的使用量，有效地保护了土地资源；救灾抢险的时效性较强，如防洪、塌方、塌陷、流沙等。
钢板桩的实用价值在很多新产品的革新制作中得到了体现，例如：一些特殊的焊接而成的建筑物；通过液压振动打桩机而做成的金属板；专门的封固加印工艺的发展就是这方面的一个很好的例子。比如hoesch专利系统，它的出现开创了钢板桩在控制污染方面重要的新的领域。钢板桩被用作垂直密封的挡土墙以保护被污染的土地以来，发现钢板桩符合所有防止漏水与污染的要求。钢板桩用作挡土墙的优势也逐渐被广泛地应用于其它领域之中。
钢板桩因为形状特殊导致采用冷轧工艺困难，焊接钢板桩因为钢板桩锁口等特殊形状以及焊接需要探伤、本身焊接质量问题等不易大规模工业化。目前国内基本以热轧钢板桩为主，热轧钢板桩执行国家标准gb/t20933-2014，主要规格包括z型钢板桩3个、直线型钢板桩4个以及u型钢板桩16个，总共23个规格产品。主要牌号为：q295p、q345p、q390p、q420p、q460p。国家标准规定的各牌号的化学成分参见下表：
gb/t20933-2014规定的化学成分(熔炼分析)：
注1：碳当量计算公式为cev＝c+mn/6+(cr+mo+v)/5+(ni+cu)/15
国家标准规定的钢板桩力学性能参见下表：
碳：是钢中最重要的成分，碳量增加会使钢中珠光体量增加，会使50％fatt上升。因此在生产中为提高材料的韧性往往采用在该钢种允许的成分范围内降低碳含量，由此产生的强度下降则由增加成分中锰含量来弥补。
锰：是很重要的合金化元素。锰能扩大奥氏体相区，使a4点升高、a3点下降。由于a3温度下降，使先共析铁素体在更低的温度下析出而细化。同样，由于a3温度下降，抑制了碳化物在过冷奥氏体晶界上析出，使钢保持较高的塑性，并降低钢的韧性-脆性转变温度，因此，锰也是低温钢中的主要合金元素。
硅：是我国低合金钢中主加元素。硅在钢中不形成碳化物而固溶于铁素体，固溶强化作用很强，仅次于碳、氮、磷而超过其他元素，从而显著地提高钢的强度和硬度，同时降低钢的韧性，提高脆性转化温度。
磷：是钢中的有害杂质。由于其偏析倾向严重，在比较少的含量状态就可以造成危害。磷对钢铁材料的低温性能非常有害，目前普遍认为磷是引起钢的低温脆性的主要元凶。磷在钢中的偏析倾向比较严重，造成带状组织，使钢的力学性能不均匀，特别是那些低温用钢、海洋用钢和抗氢致裂纹钢要求含磷量小于0.01％或者0.005％。
硫是绝大多数钢种中(除易切削钢外)的有害杂质。硫在钢中的偏析系数在所有元素中最大，若偏析在晶界，会引起低温沿晶断裂和高温脆化。增加夹杂物颗粒，易于造成夹杂物裂纹，使工艺性能和使用性能都受到损害。对于航空用钢、石油和天然气输送管线钢、海上采油平台用钢等，必须严格控制硫含量，以保证必要的韧性。
铌、钒、钛：目前在热轧钢板桩大量使用的微合金元素，主要的作用机理除细化晶粒强化作用外，上述元素在钢中形成碳化物和氮化物或碳氮化合物，利用在不同的条件下产生溶解和析出机理起抑制晶粒长大以及产生沉淀强化作用。在热轧钢板桩生产中添加上述三种元素，一方面在钢水中氮氧含量较高或者加入氮化钒铁条件下，容易直接生产氮化物而产生应力裂纹，既容易在生产中造成废品，合格的产品中也因为氮化物存在内应力，给后续使用带来严重的潜在危害；另一方面目前国内铌、钒、钛合金价格居高不下，造成以铌、钒、钛合金化生产的钢板桩价格较高；而且较为稀有的铌、钒、钛合金资源用来生产普通热轧钢板桩造成资源的重大浪费。因此一种不需要添加铌、钒、钛的热轧钢板桩，是解决上述技术问题的关键。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明的目的是提供热轧钢板桩及其生产方法。本发明对钢水中的有效成分进行调整，增加了碳的用量，降低了锰、硅、磷、硫的用量，将钢水中各种化学成分合理搭配，在不添加铌钒钛合金的条件下，大幅度降低生产成本的同时，保证了热轧钢板桩力学性能达到gb/t20993-2014标准要求的各牌号力学性能的要求。
本发明以碳、锰元素为主要性能强化元素，以提高碳元素含量，合理配置锰元素，达到一定的碳当量cev来实现不同牌号性能要求；通过控制并降低硅、磷、硫元素含量，保证钢质的纯洁度与连续性，有效保证钢材的延伸性能。改变了以添加钒、铌、钛元素细化晶粒强化以及碳氮化物二相粒子强化生产工艺模式。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种热轧钢板桩，其钢的化学成分及重量百分比为：c0.21～0.50％，si≤0.17％，mn0.7～0.99％、p≤0.030％、s≤0.030％，其余为fe及不可避免的杂质。
优选的，其钢的化学成分及重量百分比为：c0.29～0.50％，si0.09～0.17％，mn0.7～0.96％、p0.015～0.025％、s0.010～0.020％，其余为fe及不可避免的杂质。
本发明的第二方面，提供上述热轧钢板桩的生产方法，包括以下步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；
(2)精炼炉精炼；
(3)连铸拉坯；
(4)钢坯加热；
(5)热轧制得钢板桩成品。
优选的，步骤(1)中，冶炼时控制冶炼的出钢温度为1600～1660℃。
优选的，步骤(2)中，精炼炉精炼时控制渣碱度大于3.0。
优选的，步骤(3)中，连铸机的中包温度为1480-1550℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为0.5～0.8m/min。
优选的，步骤(4)中，钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1210～1300℃。
优选的，步骤(5)中，所述热轧包括开坯轧制和万能连轧。
优选的，开坯轧制时温度不低于1110℃，经开坯轧机往复轧制7道次；万能连轧时，万能连轧机组开轧温度不低于940℃，终轧温度为820～950℃。
本发明的第三方面，提供上述热轧钢板桩在防渗止水工程和结构基础工程中的应用。所述防渗止水工程包括堤防加固、截流围堰，所述结构基础工程包括挡土墙、挡水墙、建筑基坑支护。
本发明的有益效果：
(1)本发明对钢水中的有效成分进行调整，增加了碳的用量，降低了锰、硅、磷、硫的用量，将钢水中各种化学成分合理搭配，在不添加铌钒钛合金的条件下，大幅度降低生产成本的同时，保证了热轧钢板桩力学性能达到gb/t20993-2014标准要求的各牌号力学性能的要求。
(2)本发明合理控制热轧钢板桩钢材产品的化学成分，采用全新的化学成分体系，并协同生产方法，以熔炼化学成分为控制目标，精确控制热轧钢板桩成品钢材中碳、硅、锰、磷、硫主要成分含量，保证力学性能与内部组织符合钢板桩使用要求，达到了不同牌号热轧钢板桩的力学性能要求，优良的钢材性能保证了钢板桩的正常使用。
(3)采用本发明方法生产的热轧钢板桩产品的组织以及力学性能达到gb/t20993-2014标准中各牌号产品要求，属于低成本高效产品，将有效填补国内外市场空白，大幅度降低钢板桩生产成本，节约了稀有合金资源，具有降低成本、节约资源、有利于环境保护、加强循环经济等明显作用，对国民经济发展具有重大意义。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分介绍的，热轧钢板桩的制备中，铌、钒、钛能够利用在不同的条件下产生溶解和析出机理起抑制晶粒长大以及产生沉淀强化作用，但是在钢水中氮氧含量较高或者加入氮化钒铁条件下，容易直接生产氮化物而产生应力裂纹，同时铌、钒、钛合金价格居高不下，生产成本高。所以特别需要研制一种无需添加铌、钒、钛热轧钢板桩及其生产方法。
基于此，本发明的目的是提供热轧钢板桩及其生产方法，通过对钢水中的有效成分进行调整，增加了碳的用量，降低了锰、硅、磷、硫的用量，将钢水中各种化学成分合理搭配，在不添加铌钒钛合金的条件下，大幅度降低生产成本的同时，保证了热轧钢板桩力学性能达到gb/t20993-2014标准要求的各牌号力学性能的要求。
实施例1：制备牌号为q295p的热轧钢板桩
其钢的化学成分及重量百分比为：c0.30％，si0.17％，mn0.77％、p0.019％、s0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1620～1660℃。
(2)精炼炉精炼；控制渣碱度大于3.0。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1500-1530℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为0.6～0.8m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1250～1300℃。
(5)热轧制得钢板桩成品；所述热轧包括开坯轧制和万能连轧，开坯轧制时温度不低于1150℃，经开坯轧机往复轧制7道次；万能连轧时，万能连轧机组开轧温度不低于970℃，终轧温度为850～950℃。
实施例2：制备牌号为q345p的热轧钢板桩
其钢的化学成分及重量百分比为：c0.32％，si0.16％，mn0.77％、p0.023％、s0.019％，其余为fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1620～1660℃。
(2)精炼炉精炼；控制渣碱度大于3.0。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1500-1530℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为0.6～0.8m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1250～1300℃。
(5)热轧制得钢板桩成品；所述热轧包括开坯轧制和万能连轧，开坯轧制时温度不低于1130℃，经开坯轧机往复轧制7道次；万能连轧时，万能连轧机组开轧温度不低于970℃，终轧温度为850～950℃。
实施例3：制备牌号为q390p的热轧钢板桩(请补充下面各元素的用量)
其钢的化学成分及重量百分比为：c0.37％，si0.15％，mn0.85％、p0.018％、s0.018％，其余为fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1610～1650℃。
(2)精炼炉精炼；控制渣碱度大于3.0。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1490-1520℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为0.5～0.75m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1230～1280℃。
(5)热轧制得钢板桩成品；所述热轧包括开坯轧制和万能连轧，开坯轧制时温度不低于1130℃，经开坯轧机往复轧制7道次；万能连轧时，万能连轧机组开轧温度不低于950℃，终轧温度为840～940℃。
实施例4：制备牌号为q420p的热轧钢板桩
其钢的化学成分及重量百分比为：c0.41％，si0.12％，mn0.87％、p0.023％、s0.018％，其余为fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1610～1650℃。
(2)精炼炉精炼；控制渣碱度大于3.0。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1490-1520℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为0.5～0.75m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1230～1280℃。
(5)热轧制得钢板桩成品；所述热轧包括开坯轧制和万能连轧，开坯轧制时温度不低于1130℃，经开坯轧机往复轧制7道次；万能连轧时，万能连轧机组开轧温度不低于950℃，终轧温度为830～930℃。
实施例5：制备牌号为q460p的热轧钢板桩
其钢的化学成分及重量百分比为：c0.46％，si0.09％，mn0.96％、p0.015％、s0.010％，其余为fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1600～1640℃。
(2)精炼炉精炼；控制渣碱度大于3.0。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1480-1510℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为0.5～0.7m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1210～1260℃。
(5)热轧制得钢板桩成品；所述热轧包括开坯轧制和万能连轧，开坯轧制时温度不低于1110℃，经开坯轧机往复轧制7道次；万能连轧时，万能连轧机组开轧温度不低于940℃，终轧温度为820～920℃。
测定各实施例制得的热轧钢板桩的屈服强度、抗拉强度和延伸率
从实施例1至实施例5制得的热轧钢板桩上分别取试样，试样是从热轧钢板桩上锯下的长条块，通过万能材料试验机对各个试样进行拉断试验。
测定结果如下表所示：
由上表可知，实施例1至实施例5所制得的热轧钢板桩，其性能分别满足gb/t20933-2014规定的q295p、q345p、q390p、q420p、q460p力学性能的要求。
因此本发明通过合理控制热轧钢板桩钢材产品的化学成分，采用全新的化学成分体系，并协同生产方法，精确控制热轧钢板桩成品钢材中碳、硅、锰、磷、硫主要成分含量，保证了力学性能与内部组织符合钢板桩使用要求，达到了不同牌号热轧钢板桩的力学性能要求。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。