阅读说明：本技术 装配式钢结构用钢及其制备方法 (Steel for assembly type steel structure and preparation method thereof ) 是由 崔凯禹 李正荣 汪创伟 熊雪刚 陈述 高爱芳 于 2020-06-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于热连轧板带生产技术领域,具体涉及装配式钢结构用钢及其制备方法。本发明提供了具有良好焊接性能、抗震性能和耐大气腐蚀性能的装配式钢结构用钢。由如下重量百分比的成分组成：C：0.06～0.08％,Si：0.30～0.40％,Mn：0.85～1.00％,P≤0.018％,S≤0.007％,Cu：0.30～0.40％,Cr：0.40～0.50％,Ni：0.20～0.30％,V：0.04～0.05％,Nb：0.020～0.030％,Als：0.015～0.050％,N：0.0025～0.0035％,余量为Fe及不可避免的杂质。本发明装配式钢结构用钢具有良好的焊接性能、抗震性能和耐大气腐蚀性能。(The invention belongs to the technical field of hot continuous rolling strip production, and particularly relates to steel for an assembly steel structure and a preparation method thereof. The invention provides steel for an assembly steel structure, which has good welding performance, shock resistance and atmospheric corrosion resistance. The composite material comprises the following components in percentage by weight: c: 0.06-0.08%, Si: 0.30-0.40%, Mn: 0.85-1.00%, P is less than or equal to 0.018%, S is less than or equal to 0.007%, Cu: 0.30-0.40%, Cr: 0.40 to 0.50%, Ni: 0.20-0.30%, V: 0.04-0.05%, Nb: 0.020-0.030%, Als: 0.015-0.050%, N: 0.0025 to 0.0035% and the balance of Fe and inevitable impurities. The steel for the assembly steel structure has good welding performance, shock resistance and atmospheric corrosion resistance.)

装配式钢结构用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于热连轧板带生产技术领域，具体涉及装配式钢结构用钢及其制备方法。

背景技术

由于装配式钢结构体系具有绿色化、工业化、信息化和“轻、快、好、省”等特性，加上化解钢铁产能严重过剩矛盾、“藏钢于民”战略决策等现实需要，当前，国家大力推广装配式钢结构建筑，从根本上改变传统的、落后的生产建造方式。然而碳素结构钢、低合金高强钢等传统钢结构材料不耐腐蚀，在钢结构建筑中需对其进行除锈、涂装，这不仅增加了钢结构建筑的成本，而且还存在环境污染问题。此外，抗震性能也是传统钢结构材料的劣势。

耐候钢又名耐大气腐蚀钢，是一类在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金钢。通过国内外大量的研究，现在普遍认为经过长时间地暴露于大气中，耐候钢表面将生成一层致密且附着性良好的氧化产物使钢基体与外界腐蚀性物质隔绝，从而显著提高耐候钢的耐腐蚀性能。国内耐候钢主要用于铁道车辆和集装箱等，在美国、日本等发达国家，耐候钢早已广泛裸装使用于钢结构建筑及市政设施领域。在美国，耐候钢的最大用途是建造桥梁，并扩大了裸露方式的使用，使用裸露耐候钢的建筑物达500座以上。在日本，从1965年开始，建筑物屋顶、百叶窗、钢骨、外装面板灯等外部部件开始裸露使用耐候钢。因此，耐候钢在装配式钢结构领域中的应用可以有效解决传统钢结构材料不耐腐蚀的问题。

专利文献CN102839323A公开了一种建筑结构用钢及其生产方法，其冶炼过程成分组成为：C：0.012～0.015％，Si：0.018～0.022％，Mn：0.50～0.60％，P≤0.025％，S≤0.015％，N：0.0024～0.0026％，Nb：0.010～0020％，Ti：0.025～0.045％，残余元素Cu、Ni、Cr分别≤0.10％，V≤0.008％，Mo≤0.050％。该专利中建筑结构用钢中C、N元素控制范围小，提高了冶炼难度；含Cu、Ni、Cr残余元素，使产品的耐大气腐蚀性能差；对于屈强比、屈服平台长度等抗震性能未做说明。

专利文献CN103866188B公开了屈服强度为460MPa级耐火耐腐蚀抗震建筑用钢及其生产方法，该钢的组分为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％，其余为Fe和不可避免的夹杂。该专利建筑用钢中的C含量基本处于包晶区，铸坯容易产生裂纹；P、S含量控制低，提高了冶炼难度；添加了Mg、Sn及W等元素以提高耐蚀性能，这些元素的添加对钢水质量及钢板质量的影响需要评估，实际工业生产存在困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供具有良好焊接性能、抗震性能和耐大气腐蚀性能的装配式钢结构用钢及其制备方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是提供了装配式钢结构用钢。该钢由如下重量百分比的成分组成：C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.40％，Mn：0.85～1.00％，P≤0.018％，S≤0.007％，Cu：0.30～0.40％，Cr：0.40～0.50％，Ni：0.20～0.30％，V：0.04～0.05％，Nb：0.020～0.030％，Als：0.015～0.050％，N：0.0025～0.0035％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，所述装配式钢结构用钢的碳当量CEV≤0.42％；焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.20％；耐大气腐蚀性指数I≥6.0。

本发明还提供了所述装配式钢结构用钢的制备方法，该方法包括如下步骤：按照所述装配式钢结构用钢的成分冶炼成钢坯，经热连轧，层流冷却，卷取，即得；所述层流冷却工序采用前段冷却。

进一步地，所述热连轧工序中，钢坯加热的温度为1220～1260℃。

进一步地，所述热连轧工序中，粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞；精轧开轧温度≤1040℃，终轧温度为850～890℃。

进一步地，所述层流冷却工序中，机架间冷却水开放数量≥5架。

进一步地，所述卷取的温度为560～600℃。

本发明的有益效果是：

本发明通过控制C、Si、Mn元素的含量，降低碳当量和焊接裂纹敏感指数，添加一定量V元素，发挥细晶强化和析出强化效果，添加适量的Cu、Cr、Ni元素，提高了本发明装配式钢结构用钢的耐大气腐蚀性能。本发明装配式钢结构用钢的屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，屈强比≤0.85，延伸率≥20％，屈服点延伸率Ae≥2.0％，180°冷弯试验D＝a(厚度≤6mm)或D＝2a(厚度＞6mm)，-40℃冲击功≥60J(全尺寸)，相对腐蚀率(相对Q355B)≤55％。采用本发明热连轧、冷却工艺，实现了在热连轧机组上装配式钢结构用钢的生产，使获得的产品具有良好的焊接性能、抗震性能和耐大气腐蚀性能。

附图说明

图1为实施例和对比例的拉伸曲线。

图2为实施例厚度方向1/4处金相组织(1000X)。

图3为对比例1厚度方向1/4处金相组织(1000X)。

图4为对比例2厚度方向1/4处金相组织(1000X)。

图5为对比例3厚度方向1/4处金相组织(1000X)。

具体实施方式

具体的，本发明提供了装配式钢结构用钢，由如下重量百分比的成分组成：C：0.06～0.08％，Si：0.30～0.40％，Mn：0.85～1.00％，P≤0.018％，S≤0.007％，Cu：0.30～0.40％，Cr：0.40～0.50％，Ni：0.20～0.30％，V：0.04～0.05％，Nb：0.020～0.030％，Als：0.015～0.050％，N：0.0025～0.0035％，余量为Fe及不可避免的杂质。

C是钢中有效的强化元素，可以溶入基体中起到固溶强化的作用，且能够与V、Nb结合形成碳化物析出粒子，起到细晶强化和析出强化的作用，提高碳含量，对提高强度有利，但是过高的碳含量会在钢中形成较多粗大脆性的碳化物颗粒，对塑性和韧性不利，碳含量过高还会在钢板中心偏析带，对弯曲性能成型性不利，同时过高的碳含量增加焊接碳当量，不利于焊接加工。因此本发明设计C：0.06～0.08％。

Si在钢中具有较高的固溶度，有利于细化锈层组织，降低钢整体的腐蚀速率，提高韧度，但含量过高会使轧制时除鳞困难，还会导致焊接性能下降。因此本发明设计Si：0.30～0.40％。

Mn具有较强的固溶强化作用，能显著降低钢的相变温度，细化钢的显微组织，是重要的强韧化元素，但Mn含量过多时连铸过程容易产生铸坯裂纹，同时还会降低钢的焊接性能。因此本发明设计Mn：0.85～1.00％。

P能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，当P与Cu联合加入钢中时，可显示出更好的复合效应，但P含量过高会显著降低钢的塑性及低温韧性。因此本发明设计P≤0.018％。

S会形成硫化物夹杂使钢的性能恶化，同时腐蚀过程中易形成孔蚀扩展，对腐蚀性能有不利影响。因此本发明设计S≤0.007％。

Cu加入有利于在钢的表面形成致密的、粘附性好的非晶态氧化物(烃基氧化物)保护层，耐蚀作用越明显。另外，Cu与S生成难溶的硫化物，从而抵消S对钢耐蚀性的有害作用。但是Cu含量过高时，容易在加热或热轧时产生裂纹。因此本发明设计Cu：0.30～0.40％。

Cr对改善钢的钝化能力具有显著效果，可促使钢表面进行致密的钝化膜或保护性锈层，其在锈层内的富集能有效提高锈层对腐蚀性介质的选择性透过特性。但是Cr含量过高会使生产成本提高。因此本发明设计Cr：0.40～0.50％。

Ni能显著改善钢材的低温韧性，同时可有效阻止Cu的热脆，但Ni为贵重金属元素，且过高的Ni会增大氧化皮的粘附性，压入钢中会在表面形成热轧缺陷。因此本发明设计Ni：0.20～0.30％。

V加入会在热轧阶段形成VN析出，从而起到一定的细化晶粒效果，同时会有V(C、N)在铁素体中大量析出，起到显著的析出强化效果。但是V含量过高会使生产成本提高。因此本发明设计V：0.04～0.05％。

Nb能钉扎奥氏体晶界从而阻止晶粒长大，最终细化晶粒，有利于提高冲击韧性，但细晶强化使屈服强度上升更明显，导致屈强比升高，且Nb含量过高增加生产成本。因此本发明设计Nb：0.020～0.030％。

Al加入钢中起脱氧的作用，但是Al含量过高，其氮氧化物容易在奥氏体晶界析出导致铸坯裂纹产生。因此本发明设计Als：0.015～0.050％。

本发明装配式钢结构用钢的碳当量CEV≤0.42％，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.20％，耐大气腐蚀性指数I≥6.0，具有良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能。

本发明还提供了装配式钢结构用钢的制备方法，该方法包括如下步骤：按照所述装配式钢结构用钢的成分冶炼成钢坯，经热连轧，层流冷却，卷取，即得；所述层流冷却工序采用前段冷却。

其中热连轧工序中，钢坯加热的温度为1220～1260℃；粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，全长全数除鳞；精轧开轧温度≤1040℃，终轧温度为850～890℃。层流冷却工序中，机架间冷却水开放数量≥5架。卷取的温度为560～600℃。

其中，热连轧工序中，采用较高的加热温度可以对铸态组织的成分偏析起到均匀化作用，但加热温度过高会出现烧损、过热、过烧等问题。因此，本发明热连轧工序中钢坯的加热温度为1220～1260℃。

粗轧需要达到足够的变形量以保证奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，防止出现混晶组织，本发明粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％；粗轧全长全线除鳞以充分去除氧化铁皮，避免氧化铁皮压入造成的表面质量问题。

若精轧开轧温度太高，则精轧过程在奥氏体未再结晶区的变形量不足，不利于组织细化，因此，本发明精轧开轧温度≤1040℃。

若终轧温度太低，则与开轧温度相差太大，使精轧过程冷速过快，且存在精轧后几机架在两相区轧制的风险，产品综合性能差；若终轧温度太高，则在层流冷却过程的冷速太大从而导致异常组织产生，因此，本发明精轧终轧温度为850～890℃。

开放机架间冷却水，可以提高精轧过程的带钢冷速，在保证精轧开轧温度和终轧温度的基础上提高轧制速度，从而缩小层流冷却段终冷温度与卷取温度的差异，保证产品性能，本发明机架间冷却水开放数量≥5架。

其中，本发明卷取工艺中控制卷取温度为560～600℃，卷取温度太低，则在层流冷却过程的冷速太大从而导致异常组织产生，卷取温度太高，使晶粒粗大从而导致成品综合性能变差。

冷却工序中，采用前段冷却，保证足够的冷却速度使最终组织细化，同时有利于析出细小弥散的第二相，有利于形成明显的屈服效应。

对于建筑用钢抗震性能的要求，《结构钢第6部分：抗震型建筑结构钢交货技术条件》(GB/T 34560.6-2017)中要求抗震结构用的钢材屈强比≤0.85，而《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中要求抗震结构用钢材应具有明显的屈服平台和良好的冲击韧性。

低碳钢的屈服效应是由于间隙原子C、N形成的柯氏气团以及析出相等对位错的钉扎，使变形时必须将应力增大一定程度才能使位错摆脱钉扎，此时在拉伸曲线上形成上屈服点；当位错一旦摆脱钉扎，在较小的应力下也能继续运动，此时在应力应变曲线上形成下屈服点。

有研究发现，显微组织类型是影响钢材屈服平台长度的主要因素，等轴状多边形铁素体中的原始可动位错密度较低，因此易产生明显的屈服平台。另有研究发现，材料的屈服点延伸率Ae可随铁素体晶粒细化而增加，其中屈服点延伸率Ae是指呈现明显屈服现象的金属材料，屈服开始至均匀加工硬化开始之间引伸计标距的延伸与引伸计标距之比的百分率，Ae值越大，则屈服平台长度越长。

采用本发明所述成分和方法制备的装配式钢结构用钢的显微组织为多边形铁素体+珠光体，钢中添加适量V元素，V(C、N)的析出使铁素体晶粒细化，有利于提高断后伸长率、低温冲击韧性和产生明显的屈服平台；同时，由于采用前段冷却方式，V(C、N)在一个较低的温度下在铁素体中弥散析出，抑制了析出相长大，细小弥散的析出相对位错的钉扎作用加强。因此所述装配式钢结构用钢的屈服平台长度长，屈服点延伸率Ae值较大。

本发明装配式钢结构用钢的屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥550MPa，屈强比≤0.85，延伸率≥20％，屈服点延伸率Ae≥2.0％，180°冷弯试验D＝a(厚度≤6mm)或D＝2a(厚度＞6mm)，-40℃冲击功≥60J(全尺寸)，相对腐蚀率(相对Q355B)≤55％。

实施例和对比例

本发明装配式钢结构用钢和对比例的具体成分如表1所示。

表1实施例和对比例成分/％

类别	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Nb	V	Als	N
													实施例	0.07	0.35	0.91	0.010	0.001	0.47	0.23	0.33	0.03	0.04	0.026	0.0031
对比例1	0.07	0.38	0.93	0.009	0.001	0.40	0.14	0.23	0.02	0.04	0.034	0.0034
													对比例2	0.07	0.33	1.37	0.011	0.004	0.39	0.15	0.24	0.04	-	0.034	0.0036
对比例3	0.02	0.16	0.34	0.011	0.002	3.79	0.35	0.41	0.03	-	0.034	0.0048

其中，热连轧工序中装配式钢结构用钢和对比例的生产工艺基本相同粗轧进行5道次轧制，每道次变形量≥20％，轧线全长全数除鳞，机架间冷却水开放5架，但层流冷却方式不同，具体工艺控制情况如表2所示。

表2实施例和对比例工艺控制情况

类别	出炉温度/℃	开轧温度/℃	终轧温度/℃	卷取温度/℃	层流冷却方式
						实施例	1235	1000	880	585	前段冷却
对比例1	1230	980	870	590	稀疏冷却
						对比例2	1242	980	875	595	稀疏冷却
对比例3	1240	990	870	570	稀疏冷却

装配式钢结构用钢和对比例的力学性能和冲击性能如表3和表4所示。

表3实施例和对比例力学性能

表4实施例和对比例冲击性能(四分之三尺寸)

装配式钢结构用钢和对比例拉伸曲线如图1所示，可以看出屈服平台长度(Ae)的差别。

装配式钢结构用钢和对比例的金相组织如图2所示，可见装配式钢结构用钢的金相组织为多边形铁素体+珠光体，组织均匀，晶粒尺寸细小。

根据《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试样方法》(TB/T 2375-93)，进行72h周期浸润腐蚀试验，试验结果如表5所示。根据周期浸润腐蚀结果，当钢材的耐大气腐蚀性指数约为6.0时，其相对于Q355B的相对腐蚀率约为40％，可以实现良好的耐大气腐蚀性能。当添加更多Cr等合金元素得到更高的耐大气腐蚀性指数，虽然耐大气腐蚀性能有所提高，但合金成本大大提升，同时加大了冶炼、轧制和冷却工艺的控制难度。装配式钢结构用钢的成分设计合理，其耐大气腐蚀性能良好且其生产成本较低。

表5周期浸润腐蚀试验结果和耐大气腐蚀性指数

由实施例和对比例可知，采用本发明所述成分和方法制备的装配式钢结构用钢产品的碳当量和焊接裂纹敏感性指数小，焊接性能优良；产品屈强比小、断后伸长率高、屈服平台明显、低温冲击韧性优异，实现了良好的抗震性能；同产品的耐大气腐蚀性指数高、耐大气腐蚀性能良好，可在工业大气中裸露使用，显著降低钢结构防锈除锈等维护成本，同时减少因腐蚀失效造成的钢结构事故。产品的综合性能优良，生产成本适宜，具有很好的应用前景。