一种345MPa级抗震耐火耐候钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钢材乳制技术领域，具体涉及一种345MPa级抗震耐火耐候钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着高层、超高层、大跨度等结构建筑的兴起，钢结构已成为建筑业发展的方向。但普通钢结构建筑的抗火灾能力和防腐蚀能力较混凝土建筑较差，普通钢的耐火极限时间短，随着本身温度的升高屈服强度会降低很多，到600°C以上时甚至完全丧失承载能力。另夕卜，锈蚀也是造成普通钢结构建筑失效的主要原因之一，为考虑锈蚀失效的影响，普通钢结构建筑设计时需增加钢材的厚度和增加防腐措施，增大施工、维护的难度等。为保证钢结构建筑的抗震能力、抗火灾及抗腐蚀能力，近年来国内外均积极开展了相关抗震钢、耐火钢、耐候钢等的研究应用，但同时具备抗震、耐火、耐候性能的钢材的研究仍鲜有报道，且大部分生产成本较高和生产难度较大，限制了推广应用。
[0003]本发明旨在提供一种同时具备优异的抗震、耐火、耐候等综合性能的热乳钢材及其制备方法。优化钢材设计成分，减少贵金属的应用，降低生产成本，节约贵金属资源，同时减少钢材在钢结构施工过程中耐火、耐候涂料的用量，减化施工工序，缩短施工周期，降低建造成本和维护费用，提高建筑抗震性能。
【发明内容】
[0004]本发明的第一目的在于提供一种345MPa级抗震耐火耐候钢;本发明的第二目的在于提供所述345MPa级抗震耐火耐候钢的制备方法。
[0005]本发明的第一目的是这样实现的:所述345MPa级抗震耐火耐候钢的化学成分按重量百分比计为:C: 0.04%?0.12%、S1: 0.20%?0.40%^Mn: 0.7%?I.6%、P: 0.015%?0.040%、Cu:0.25%?0.34%^Mo:0.35%?0.50%、Ti:0.025%?0.045%、S <0.015%、Als:0.015%?0.050%^N< 0.004%；
且需满足Ti:Mo=0.07-0.I，T1:C=0.4?0.6，P+Cu:0.3%?0.4%；Cep < 0.38,Pcm < 0.24；其余为Fe及不可避免的不纯物。
[0006]本发明的第二目的是这样实现的:所述345MPa级抗震耐火耐候钢的制备方法包括加热、除磷、高温粗乳、高温精乳、冷却及中温卷取工序，具体包括:
A、加热:将化学成分符合要求的钢坯送入加热炉，加热到1250?1300°C出炉备用;所述化学成分符合要求是指钢坯的化学成分按重量百分比计为:C:0.04%?0.12%,Si:0.20%?0.40%^Mn:0.7%?1.6%、P:0.015%?0.040%^Cu:0.25%?0.34%^Mo:0.35%?0.50%、Ti:0.025%?0.045%、S < 0.015%、Als: 0.015%?0.050%、N < 0.004%;且需满足Ti:Mo=0.07-0.I，Ti: C=0.4?0.6，P+Cu: 0.3% ?0.4% ；Cep < 0.38 ,Pcm < 0.24；其余为 Fe 及不可避免的不纯物；
B、除磷:对加热出炉的钢坯喷以15?25MPa的高压水，除却各表面的氧化皮；
C、高温粗乳:将除磷后的钢坯送入乳机进行4?6道次粗乳，开乳温度1120?1180°C，粗乳总压缩比75?85%，得到中间粗乳坯；
D、高温精乳:将中间粗乳坯送入乳机再经3~5道次精乳，终乳温度870?910°C，精乳总压下率60?80%，得到精乳带钢；
E、冷却:将精乳带钢送入层流冷却系统，强制冷却至640?690°C，冷却速度15?25°C/s;
F、中温卷取:将冷却至640?690V的带钢经卷取机卷取成卷后，自然空冷至室温。
[0007]采用本发明所述制备方法生产的钢材同时具备抗震、耐火、耐候性能，抗震指标严于IS024314《改善抗震性能建筑结构钢一技术条件》标准、JISG3136:2005《建筑结构用乳制钢材》标准及GB/T19879-2005《建筑结构用钢板》中对抗震性能的要求。钢材的金相组织为F+P和Mo、Ti复合碳化物析出相，P占6%?10%，且呈粒状弥散均匀分布，铁素体晶粒度9?10.5级，晶粒回复好且均匀，具有良好的焊接性能、强韧性能、屈服明显、强度波动范围较窄以及良好的抗震层状撕裂性能等抗震性能。其中，碳当量C印^ 0.38、Pcm <0.24、屈服强度385?445MPa，抗拉强度510?610MPa，伸度率28?36.5%，屈强比<0.75，抗层状撕裂Z25 2 30%，0°(:低温冲击2 60J，600°CReH2 230MPa，耐候性能为同规格Q345B的3倍以上。
[0008]在具体制备工艺方面，本发明所述制备方法与传统生产方法相比，除加入Mo、Cu夕卜，加入的Ti成本较低，不但有利于产品的推广应用，还使本发明所述制备方法的抗震、耐火、耐候机理与传统工艺有较大差异。加入的Cu、Ti，且适当控制一定的P含量，使三者共同作用，起到提高钢的耐腐蚀能力。另外，利用Mo、Ti复合碳化物的沉淀析出效果，提高钢的强韧抗震指标，且Mo、Ti复合碳化物较其他类别，如Mo、Nb、V复合碳化物具更高的溶解温度，延迟了高温时钢材金相组织的变化，具备更加良好的耐火性能。
[0009]综上所述，采用本发明所述方法制备的钢材在钢结构施工过程中可以不用或少用耐火、耐候涂料，减少施工工序，缩短施工周期，降低建造成本和维护费用，且具有良好的抗震性能。尤其适于作为抗震设防力度6级以上和寒冷地区对抗震要求较严格的钢结构建筑、桥梁等的原料。
【具体实施方式】
[0010]下面对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
[0011 ]本发明所述345MPa级抗震耐火耐候钢的化学成分按重量百分比计为:C: 0.04%?0.12%、Si:0.20%?0.40%^Mn:0.7%?I.6%、P:0.015%?0.040%^Cu:0.25%?0.34%^Mo:0.35%?0.50%、Ti:0.025%?0.045%^S<0.015%、Als:0.015%?0.050%、N<0.004%；
且需满足Ti:Mo=0.07-0.1，T1:C=0.4?0.6，P+Cu:0.3%?0.4%；Cep < 0.38,Pcm < 0.24；其余为Fe及不可避免的不纯物。
[0012]所述化学成分中T1:Mo=0.07?0.1，其目的在于保证Ti在奥氏体中具有最大固溶度;T1: C=0.4?0.6，其目的在于保证奥氏体中无富余的固溶Ti或固溶C，保证TiC的最大析出，实现后续沉淀析出强化的最佳较果、稳定的高温力学性能及良好抗震性能;P+Cu:0.3%?0.4%，且P: 0.015%?0.040%，其目的在于保证钢材具备良好的耐候性能，且防止出现低温冷脆现象，保证低温时钢材仍具有良好的抗震性能。
[0013]所述钢的金相组织为F+P和Mo、Ti复合碳化物析出相，P占6%?10%，且呈粒状弥散均匀分布，铁素体晶粒度9?10.5级，晶粒回复好且均匀，碳当量Cep < 0.38、Pcm< 0.24、屈服强度385?445MPa，抗拉强度510?610MPa，伸度率28?36.5%，屈强比< 0.75，抗层状撕裂Z25 2 30%，0°C低温冲击2 60J，600°CReH2 230MPa，耐候性能为同规格Q345B的3倍以上。
[0014]本发明所述345MPa级抗震耐火耐候钢的制备方法包括加热、除磷、高温粗乳、高温精乳、冷却及中温卷取工序，具体包括:
所述加热工序是指:将化学成分符合要求的钢坯送入加热炉，加热到1250?1300°C出炉备用；所述化学成分符合要求是指钢坯的化学成分按重量百分比计为:C: 0.04%?0.12%、S1:0.20%?0.40%、Mn:0.7%?1.6%、P:0.015%?0.040%^Cu:0.25%?0.34%、Mo:0.35%?0.50%、Ti:0.025%?0.045%^S < 0.015%、Als:0.015%?0.050%、N < 0.004%;且需满足Ti:Mo=0.07?0.I，T1: C=0.4?0.6，P+Cu: 0.3%?0.4%；Cep < 0.38 ,Pcm < 0.24；其余为Fe及不可避免的不纯物。
[0015]所述除磷工序是指:对加热出炉的钢坯喷以15?25MPa的高压水，除却各表面的氧化皮。
[0016]所述高温粗乳工序是指:将除磷后的钢坯送入乳机进行4?6道次粗乳，开乳温度1120?1180°C，粗乳总压缩比75?85%，得到中间粗乳坯。采用高温乳制，一是钢坯中加入T1、Mo合金后，钢的变形抗力较大，采用高温乳制，可大幅降低其变形抗力，为此钢材的大压缩比乳制创造条件，二是防止钢坯中固溶的T1、Mo析出而减弱后续层冷沉淀析出强化的效果。
[0017]所述高温精乳工序是指:将中间粗乳坯送入乳机再经3~5道次精乳，终乳温度870?910°C，精乳总压下率60?80%，得到精乳带钢。采用高温大压下率精乳，一是防止整个乳制过程中奥氏体中固溶的T1、Mo析出，保证后续的最佳沉淀析出强化效果，二是尽量减少变形中产生的位错密度，并控制后续冷却卷取后得到适中的晶粒度。不致最终成品铁素体晶粒过细或过大，以及位错密度过大造成钢材的耐火性能下降。
[0018]所述冷却工序是指:将精乳带钢送入层流冷却系统，强制冷却至640?690°C，冷却速度15?25 °C/s。
[0019]所述中温卷取工序是指:将冷却至640?690°C的带钢经卷取机卷取成卷后，自然空冷至室温。采用中温卷取是为了使高温精乳的带钢上、下表层及芯层以均匀速度冷却至铁素体相变温度以下，短时间内完成相变过程，减少T1、Mo复合碳化物在冷却过程中的析出，而让其在卷取后缓冷中最大限度沉淀析出和在晶内析出且呈弥散分布，以及控制适中的铁素体晶粒度，并尽量消除变形后的位错密度等，以保证钢材具有足够的强度和韧性、耐火性和耐候性等良好性能。
[0020]加热工序所述钢坯的厚度为200mm。
[0021]加热工序所述加热分为加热段和均温段，所述加热段炉温为1260?1300°C，所述均温段炉温为1250?1290 °C;钢坯在均温段停留30?45min，在加热炉中总停留时间控制在120?250min。以保证钢坯中的T1、Mo的复合碳化物充分固溶，同时控制合理的原始奥氏体粒晶尺寸，为乳后控冷沉淀析出强化做准备，均匀钢坯内部组织。
[0022]除磷工序所述高压水的喷水时间为12?18s。
[0023]高温精乳工序及冷却工序所述精乳带钢的厚度为6.0-16.0mm。
[0024]冷却工序所述层流冷却采用前段式冷却，上集管冷却水与下集管冷却水配水量为1:3。
[0025]中温卷取工序所述室温为15?25°C。
[0026]实施例1
钢坯的化学成分按重量百分比计为:C: 0.05%、S1: 0.40%,Mn: 0.70%、P: 0.040%,Cu:0.26%、]?0:0.36%、11:0.026%、5:0.015%、厶18:0.015%、10.004%;且需满足11:]\10=0.07~0.1，Ti:C=0.4?0.6,P+Cu:0.3%?0.4%;其余为Fe及不可避免的不纯物。
[0027]将厚度为200mm，化学成分符合要求的钢坯送入加热炉中加热，加热分为加热段和均温段，加热段炉温为1290~1300°(:，均温段炉温为1280~1290°(:;钢坯在均温段停留451^11，在加热炉中总停留时间控制在240min，将钢坯加热到1290 °C出炉备用。接着，对加热出炉的钢坯喷以20MPa的高压水15s，除却各表面的氧化皮。将除磷后的钢坯送入乳机进行4?6道次粗乳，开乳温度1160°C，粗乳总压缩比85%，得到中间粗乳坯。再将中间粗乳坯送入