一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法

摘要

本发明公开了一种低成本490MPa级建筑结构用耐火钢板及其制造方法，其化学成分为：C0.03％～0.09％、Si0.10％～0.38％、Mn0.55％～1.50％、Nb0.011％～0.039％、Ti0.012％～0.050％、Als0.007％～0.045％、Cr0.12％～0.49％、Cu0.10％～0.40％，B0.0008％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质，钢中的杂质元素控制在P≤0.016％，S≤0.006％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0030％。其钢坯加热到温度1150～1270℃，加热时间为钢板厚度60～110秒/厘米；第一阶段轧制钢板表面除磷后开始，终轧温度控制在不小于960℃；第二阶段开始温度960～840℃，再结晶区积累变形量大于55％，终轧温度720～880℃；在终轧和冷却之间需保留20～100秒；开始冷却为680～840℃，终冷为650～420℃；快速堆垛缓冷保温，堆垛温度600～300℃，保温时间8～16小时。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种抗拉强度490MPa级别 建筑结构用耐火钢板及其制造方法。

背景技术

耐火钢(FR钢)其耐热温度为600℃以上(一般钢材仅为350 ℃以下)使用这种钢材对可燃物较少且空间较大的建筑物和体育馆、 博物馆等有可能不用防火涂料，节省大量投资。美国“911”事件发 生后，世界各国对于建筑物、特别是高层建筑结构的耐火性能提出了 迫切而严格的要求。因此建筑用高性能耐火钢板成为近年来研究开发 的热点。

日本是建筑钢结构发展最快，新钢材、新技术开发最先进、应用 范围最广的国家，其建筑领域所用的钢材约占普通钢的30％左右，是 日本钢材用量最大的领域。日本耐火钢的研究开发工作引人处于世界 领先地位，主要产品为板材和H型钢。

中国从20世纪90年代末开始从事耐火钢方面的研究。马钢、鞍 钢、宝钢和武钢等钢厂先后研发了耐火钢，由于耐火钢中的主要合金 元素是高Mo，导致耐火钢的成本较高，影响了耐火钢的大量推广和 使用。

国际国内有关490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及制造方法已 经形成多项专利，例如以下5个专利：

专利1，鞍钢申请的专利申请号为CN03111076.2的“耐火钢及 其制造方法”，该发明性能已经达到耐火钢的性能要求，但合金设计 中存在V、RE、Ni以及较高水平的Mo元素，这样难以控制耐火钢 合金成本。

专利2，武钢提供一种专利申请号为CN011335629的“耐火钢及 其生产方法”，该钢虽然达到了600℃1～3小时内屈服强度下降不低于 其常温的2/3，但是也存在不控制碳当量和屈强比的弊端，且合金含 量高，价格昂贵，不能满足国内建筑用钢市场的需求。

专利3，日本新日铁钢铁公司申请的专利号为JP2000256791的 发明专利“Low yield ratio type fire resistant hot rolled steel sheet and its  and its production”中所公开的低屈强比带钢，其钢的化学成分按质 量百分比为：0.01～0.1C，0.05～0.8Si，0.5～1.5Mn，0.3～1.5Mo， 0.005～0.05Nb，0.02～0.1V，0.0003～0.0025B，该钢种屈强比小于0.8， 并且焊接性能良好，但耐火性能较差Rel_(600℃)/Rel_(室温)＜2/3。

专利4，新日本制铁株式会社渡部义之、植森龙治等人2008年1 月发明的申请号为JP060601/2005“焊接性和气割性优良的高强度耐 火钢及其制造方法”的专利，公开了一种耐火钢及其制造方法，其钢 的化学成分按质量百分比为：0.04～0.14C，0.05以下Si，0.5～2.0Mn， 0.3～0.7Mo，0.01～0.05Nb，0.06以下Al，0.05～1.0Ni，0.05～1.0Cu， 0.0005～0.010REM，钢种加工工艺为钢坯或铸坯加热到1100～1300℃ 的温度，接着在800～950℃的温度下进行轧制后，以比该轧制结束时 的温度低150℃或750℃之中较高的一个温度以上的温度进行直接淬 火，接着在Ac1以下的温度进行回火处理，或轧制后再次加热到 900～950℃的温度进行淬火，然后在Ac1以下的温度进行回火处理。 该钢种应用了Mo、Cu、Ni、REM等贵重合金增加了合金成本，复 杂的生产工艺提高了生产成本，无疑对钢厂生产设备提出了较高的要 求。

并且从所有专利查新得到，其发明专利低温韧性要求都为0～-20 ℃，不能满足北方低温地区用户使用要求。

由以上对比专利可知，目前490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板 的生产存在以下不足：

(1)最重要因素：钢板合金设计中Mo等贵重元素含量较高，增加 了合金成本，难以普及应用；

(2)耐火性差难以满足建筑耐火性能设计要求；

(3)大部分需要配合复杂轧制工艺或采用淬火、回火等热处理工艺， 生产成本较高；

(4)普遍采用轧后控冷的生产方式，钢板容易变形；

(5)屈服强度变化范围较大，部分钢种不控制屈强比，这不利于减 震结构的设计和制造；

(6)低温韧性要求基本为0～-20℃难以满足北方低温地区冬季对钢 结构的设计和施工需要。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种低成 本490N/mm²级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法，该钢板具有在 600℃保温1～3小时屈服强度下降不低于常温状态的2/3；其屈强比 Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8，延伸率A％≥20％；-20℃～-40℃冲击韧性 KV₂≥47J；板型良好且生产工艺简单。

本发明钢化学成分以低C、无Mo、含B为基本特征，在本发明 中，其化学成分范围按重量百分比为：C0.03％～0.09％、Si0.10％～ 0.38％、Mn0.55％～1.50％、Nb0.011％～0.039％、Ti0.012％～0.050％、 Als0.007％～0.045％、Cr0.12％～0.49％、Cu0.10％～0.40％， B0.0008％～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质。钢中的杂质元 素控制在P≤0.016％，S≤0.006％，[N]≤0.0040％，[O]≤0.0030％。

C：为了保证钢的强度需要0.03％以上的C含量，同时为了保证 钢的焊接性能和低温韧性，C的含量不宜超过0.09％。

Si：为了使钢的延伸性能以及保证可焊性，将Si的含量控制在 小于0.38％，但Si小于0.10％降低了耐火钢强度，因此其下限不低于 0.10％。

Mn：Mn的主要作用是固溶强化和脱氧，过多时会使强度过高， 太低对后部轧制的控制不起作用，所以Mn含量控制在0.55％～ 1.50％。

P、S为钢中的有害元素含量控制越低越好，一般控制在P≤ 0.016％，S≤0.006％。

Nb和Ti、Al主要作用是抑制加热时晶粒长大，同时起固溶和析 出强化的作用，Ti、Al配合脱氧可以减少强度的增加过多，增强Ti 脱氧产物的有益作用。

Cu的析出物有提高钢的高温强度和耐大气腐蚀性能，常规添加 Cu0.10％～0.40％。

Mo：Mo是钢种提高耐火性能最有效的合金元素，但Mo价格昂 贵，导致耐火钢的成本较高。本发明通过合理的轧制及后续辅助工艺， 在满足性能的前提下完全取消Mo元素。

Cr：Cr对提高钢的高温性能有明显作用，并且含量超过0.30％ 时具有耐大气腐蚀作用，并且与Mo复合作用更易于提高钢的耐火性 能，也提高钢的耐盐雾腐蚀能力；过高的Cr0.60％以上无意义，只有 增加合金成本，所以Cr0.49％为设计上限。

B：B是表面活性元素，容易偏聚于晶界处，对抑制先共析铁素 体的形核及长大有较强作用，能抑制γ-α相变，在控制合金成本的基 础上有效提高钢材强度。但B含量达到一定范围后易形成B的碳化 物和氮化物，并偏聚在原奥氏体晶界，造成晶界位错密度升高，易于 此处发生晶界开裂，因此，B含量上限控制在0.0020％。

本发明钢的具体生产工艺特征如下：

生产工艺流程：炼钢-精炼-连铸-钢坯加热-两阶段控制轧制 -控制冷却-保温自回火-成品。

冶炼工艺：进行铁水预处理，采用转炉冶炼，通过顶吹或顶底复 合吹炼，进行精炼处理，并进行微合金化，控制钢中杂质含量在上述 成分范围；根据钢水中氧含量，控制Als含量在0.007％～0.045％， 加Ti微合金化，连铸采用电磁搅拌，减少元素偏析。

轧制工艺特征：轧制过程采用再结晶控轧工艺。轧前将钢坯加热 到温度1150℃～1270℃范围内，控制加热时间为根据钢板厚度60秒/ 厘米～110秒/厘米，采用这种加热工艺既能保证钢坯温度均匀性，又 能有效的溶解钢中合金元素；采用两阶段控轧，目的在于控制终轧温 度，细化组织，第一阶段轧制只需要钢板表面除磷后即可开始，第一 阶段终轧温度控制在不小于960℃，目的在于保证钢板回复再结晶过 程具有足够的驱动力；第二阶段轧制开始温度控制在960℃～840℃， 第二阶段再结晶区轧制积累变形量大于55％，终轧温度控制在720℃ ～880℃，这一阶段的轧制是在较高温度下进行的，这样对轧制设备的 能力要求大大降低，同时也提高了生产效率；在终轧和开始冷却之间 需要保留20秒～100秒的时间，目的在于为钢板提供充分的弛豫时间， 让弛豫作用能够进一步促进高温转变组织发生转变，繁杂的组织造成 有效晶粒尺寸更加细小；之后进行控制冷却，开始冷却温度为680℃ ～840℃，终冷温度为650℃～420℃，控冷至这一温度相变已经结束， 形成了硬相组织，满足强度级别的需要；最后将钢板快速堆垛缓冷保 温，堆垛温度需控制在600℃～300℃之间，保温时间为8～16小时， 利用钢板自回火作用改善钢板板型，并使组织、性能均匀化，同时 Nb等合金的析出强化可以一定程度上弥补Mo等贵重合金含量降低 的强度缺失。

钢板组织及机理特征：

试验钢进入贝氏体转变区后，由于减缓了碳化物从奥氏体中析 出，促使奥氏体富碳保持下来，因此得到粒状贝氏体组织，特别是B 的加入提高淬透性增加一定贝氏体组织比例。钢板组织为铁素体+珠 光体+一定量粒状贝氏体+MA多相组织，这种混合组织对提高钢的高 温强度是有利的。这是由于相对于晶界而言，这种混合组织的相界对 位错运动的阻碍作用更强。同时，在高温下，混合组织的相界对合金 元素及碳的扩散具有不同的阻碍作用，有利于阻碍铁素体晶粒长大， 抑制析出相的粗化，可以更有效提高钢的高温强度。

MA岛状组织作为组织中一种不易分解的高温稳定相，但在高温 或长时间保温等具备MA组织分解条件下，MA会分解形成稳定的合 金渗碳体依然促进和保持高温性能，减缓高温屈服强度的降低。粒状 贝氏体中MA岛的数量、形状、分布、尺寸对材料的机械性能起着致 关重要的作用，发生回火转变后强度的变化与残余奥氏体的数量、析 出物的种类、分布密切相关。一方面，马氏体发生回火分解，硬度降 低；另一方面，残余奥氏体转变为回火马氏体使硬度升高，析出相也 会产生明显的回火抗力，两方面的共同作用使硬度的降低明显减缓。

通过轧制工艺过程产生的大量亚结构组织很稳定，能起到细晶粒 的作用，有较高的位错密度，并具有很高的抗回火稳定性。在发生火 灾时，钢中会形成各种应变诱导析出，相对位错亚结构起到钉扎作用， 提高其高温稳定性。Nb、Cu、Ti等合金元素高温下M、MC和M2C 等析出相大量析出，同时还能保持细小尺寸，这种沉淀强化作用有效 地提高了耐火钢的高温力学性能。

上述这些高温强化机理同时作用，拖曳和减缓了高温下的强度损 失，使该钢获得优异的高温性能。无Mo耐火钢在此基础上已经可以 达到很好的耐火性能。

按上述技术方案生产的建筑结构用耐火钢具有以下有益效果：

(1)具有较好的耐火性能，具有在600℃保温1～3小时屈服强 度下降不低于常温状态的2/3；

(2)-20℃～-40℃纵向低温韧性大于100J，可以满足寒冷地区建 筑行业减震设计、施工的需求；

(3)具有良好的塑性，延伸率A％≥20％；并具有较低的屈强比 Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8；

(4)热轧控冷并配合自回火即可获得良好且均匀的板型和性能；

(5)化学成分简单，除基本元素外，只适量添加B、Ti、Cu、 Cr和Nb等，不含Mo元素，成本较低。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明：

根据本发明的化学成分及生产工艺，冶炼轧制本发明的钢种实际 化学成分如表1，本发明钢实例的实际工艺参数如表2(轧制实验钢 厚度规格为16～40mm)，本发明实物性能检验结果如表3。

表1本发明钢种的冶炼成分实例，Wt％

  实例编号   C   Si   Mn   P   S   Nb   Ti   Als   Cr   Cu   B   1#   0.066   0.30   1.22   0.013   0.0035   0.031   0.029   0.0097   0.42   0.33   0.0010   2#   0.086   0.32   0.58   0.011   0.0043   0.039   0.047   0.045   0.12   0.27   0.0014   3#   0.073   0.24   0.97   0.015   0.0038   0.024   0.012   0.0032   0.27   0.11   0.0011   4#   0.035   0.12   1.50   0.012   0.0029   0.037   0.039   0.0016   0.31   0.39   0.0019   5#   0.047   0.35   1.15   0.015   0.0032   0.013   0.042   0.0028   0.38   0.19   0.0013   6#   0.055   0.19   1.48   0.014   0.0030   0.030   0.035   0.0039   0.29   0.28   0.0017   7#   0.069   0.33   1.31   0.014   0.0033   0.029   0.027   0.0042   0.33   0.22   0.0018   8#   0.077   0.27   1.37   0.012   0.0028   0.031   0.032   0.00073   0.14   0.35   0.0016

表2本发明钢实例的实际工艺参数

表3本发明钢实施例的力学性能