厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢及其制备方法

摘要

本发明提供一种厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢，该结构钢按质量百分比由以下化学成分组成：C0.09～0.14％，Si0.2～0.5％，Mn1.0～1.4％，P≤0.015％，S≤0.010％，V0.04～0.07％，Cr0.3～0.5％，Mo0.1～0.5％，Ti0.015～0.03％，Nb0.02～0.04％，Ni0.2～0.6％，Cu0.1～0.25％，B0.001～0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。厚度40-100mm的屈服强度不小于630MPa的建筑用结构钢有利于钢结构建筑的高层化发展，且由于其屈强比低、综合力学性能较好，有利于提高钢结构建筑的抗震安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及高强度建筑用钢生产领域，特别涉及一种厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢及其制备方法。

背景技术

与传统的混凝土相比，钢材具有强度大、韧性高、延展性好等特点，因此钢结构建筑在结构性能、经济性能、环保性能等领域的显著优势。特别是其环保方面的优势，符合当前国际国内的低碳经济发展要求。

目前，在钢结构工业发展成熟的国家，钢结构在建筑结构中的占比已普遍超过40％，而我国使用钢结构的建筑占比仅6％。从建筑用钢的使用量上看，美国、日本等国钢结构用钢量已超过钢材消费量的35％，一般国家钢结构用钢量的比例也达到了10％左右；我国钢结构建筑用钢占钢材消费总量的比例为5％～6％，且88％为Q345以下级别，总体处于消费结构不合理、品种规格不配套、综合性能偏低的状况。但我国已经开始倡导建筑节能环保化，在政策的大力支持下，绿色建筑和保障房建设对住宅钢结构的需求日益增长，因此建筑用钢具有广阔的发展前景和巨大的需求量。

另外，随着钢结构建筑向高层化和大跨距的发展及节能环保的要求不断提高，需要建筑用钢板向高强度化发展。已有研究表明，在20层的建筑中，钢板抗拉强度由490MPa提高到590MPa，可节约钢材20％，因此提高建筑用钢的强度对于高层建筑的减重、降低成本具有重要意义。当前我国的建筑用钢最高级别仅为Q460级别。另外建筑的高层化，还需要大厚度的建筑用钢，当钢板厚度增加时，其成分设计和生产工艺都与较薄钢板的完全不同，特别是在提高其强度的同时，要保证其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性，这存在很大难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢及其制备方法，能够实现建筑用钢板在厚度较大的情况下还能够保证其较高的强度、延伸率、冲击韧性及较低的屈强比等综合性能。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢，该结构钢按质量百分比由以下化学成分组成：C0.09～0.14％，Si0.2～0.5％，Mn1.0～1.4％，P≤0.015％，S≤0.010％，V0.04～0.07％，Cr0.3～0.5％，Mo0.1～0.5％，Ti0.015～0.03％，Nb0.02～0.04％，Ni0.2～0.6％，Cu0.1～0.25％，B0.001～0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

优选地，在上述厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢中，所述结构钢的碳当量Ceq≤0.52，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.27。

优选地，在上述厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢中，所述结构钢的屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥785MPa，屈强比≤0.83。

优选地，在上述厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢中，C0.10～0.13％，Si0.30～0.35％，Mn1.0～1.25％，P≤0.015％，S≤0.010％，V0.05～0.06％，Cr0.4～0.5％，Mo0.3～0.4％，Ti0.02～0.03％，Nb0.025～0.03％，Ni0.2～0.6％，Cu0.2～0.25％，B0.001～0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

制备上述厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢的方法，包括冶炼、精炼、连铸、加热、轧制、冷却以及热处理步骤，其中：

所述轧制步骤中，将加热后的连铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制的开轧温度为1070℃～1120℃，轧制道次6-10，道次压下量≥15mm，所述第一阶段轧制后的轧件厚度为成品厚度的2-4倍；第一阶段轧制后待温到900℃～950℃进行第二阶段轧制，轧制6-10道次，道次压下量≥10mm；最终得到轧制后的结构钢；

所述热处理步骤中，将冷却至室温的结构钢依次进行亚温淬火和回火处理，所述亚温淬火的加热温度为780～900℃，保温时间为15min～100min；所述回火的加热温度为450～550℃，保温时间60min～150min。

优选地，在上述方法中，在所述轧制步骤中，所述第一阶段轧制的终轧温度为1000℃～1050℃。

优选地，在上述方法中，在所述加热步骤中，加热温度为1200℃～1250℃，保温时间为100min～180min。

优选地，在上述方法中，所述保温时间为120min～150min。

优选地，在上述方法中，在所述轧制步骤中，所述第二阶段轧制的终轧温度800℃～850℃。

分析可知，本发明公开一种厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢及其制备方法，针对厚规格的低屈强比高强度建筑用结构钢，进行了成分设计和工艺研究，开发了厚度40-100mm的屈服强度不小于630MPa的建筑用结构钢。此结构钢有利于钢结构建筑的高层化发展，且由于其屈强比低、综合力学性能较好，有利于提高钢结构建筑的抗震安全性。

附图说明

图1为实施例1中1/4厚度处金相组织照片；

图2为实施例1中1/2厚度处金相组织照片；

图3为实施例3中结构钢的金相组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明的限制。

本发明建筑结构钢按质量百分比由以下化学成分组成：C0.09～0.14％，Si0.2～0.5％，Mn1.0～1.4％，P≤0.015％，S≤0.010％，V0.04～0.07％，Nb0.02～0.04％，Ti0.015～0.03％，Cr0.3～0.5％，Cu0.1～0.25％，Ni0.2～0.6％，Mo0.1～0.5％，B0.001～0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

本发明的结构钢化学成分及质量百分比含量设计的原理如下：

(1)C含量：C可以提高强度、提高淬透性，且成本低廉，但C含量高影响钢的焊接性能，因此为了兼顾钢的强度和焊接性能，本发明采用低碳设计，将碳含量设计为0.09～0.14％；

(2)Mn含量：Mn可以提高钢的韧性，提高钢的淬透性促进B(贝氏体)转变，但Mn含量过高，会导致焊接热影响区的韧性，所以成分设计时选择适中Mn含量设计为1.0～1.4％；

(3)强化元素：进行适当的V、Nb和Ti微合金化处理，利用V进行析出强化，利用Nb、Ti适当控制奥氏体转变前的晶粒度；

(4)淬透性调整元素：由于所开发的钢厚度较大，要求淬透性较好，因此在C含量较低情况下，添加适当的Cr、Mo、Cu、B元素以提高钢的淬透性，

(5)添加适当的Ni元素，以提高钢的低温冲击韧性。

经过上述成分设计的厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢，其碳当量Ceq≤0.52，焊接裂纹敏感指数Pcm≤0.27，屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥785MPa，屈强比≤0.83，屈服强度最高值为755MPa，抗拉强度最高值为927MPa。碳当量Ceq和焊接裂纹敏感指数Pcm的计算公式分别如下：

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14，

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10。

本发明的建筑用结构钢的厚度可以达到100mm。

制备上述成分设计的厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢的方法，包括冶炼、精炼、连铸、加热、轧制、冷却、以及热处理步骤，其中：

冶炼、精炼以及连铸步骤：按照上述钢的化学成分及含量设计进行原料配制，采用本领域常规的转炉冶炼、炉外精炼以及连铸工艺制备连铸坯。

加热步骤：将连铸坯进行加热，其中加热温度优选为1200℃～1250℃(比如1205℃，1210℃，1220℃，1230℃，1245℃，1250℃)，保温时间为100min～180min(比如100min、120min、135min、150min、160min、170min、180min)，一方面促使钢的奥氏体均匀化，另一方面避免加热温度过高或加热时间过长引起过烧或晶粒粗大等缺陷。

轧制步骤：将加热后的连铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制的开轧温度1070℃～1120℃(1070℃、1080℃、1095℃、1110℃、1115℃)，道次压下量≥15mm(比如15mm、20mm、25mm)，所述第一阶段轧制后的轧件厚度为成品钢厚度的2-4倍；第一阶段轧制后待温到900℃～950℃(比如910℃、920℃、930℃、940℃)后，进行第二阶段轧制，道次压下量≥10mm(比如10mm、15mm、20mm)，得到轧制后的结构钢；第一阶段轧制的总道次优选控制为6-10道次，第一阶段轧制的终轧温度优选为1000℃～1050℃(比如1000℃、1005℃、1010℃、1020℃、1030℃、1045℃)，第二阶段轧制的终轧温度优选为800～850℃(比如800℃、805℃、815℃、835℃、845℃)，第二阶段轧制的总道次优选控制为6-10道次。

冷却步骤：将轧制后的结构钢直接空冷至室温。

热处理步骤：将冷却至室温的结构钢进行离线热处理，包括亚温淬火和回火。亚温淬火加热至温度780℃～900℃(比如780℃、785℃、790℃、795℃、820℃、850℃、880℃、890℃)，保温时间15min～100min(比如16min、20min、35min、50min、60min、70min、80min、90min)；回火加热至温度450～550℃(比如460℃、485℃、490℃、495℃、520℃、545℃)，保温时间60min～150min(比如60min、80min、95min、105min、120min、135min、145min)。

实施例1：

本实施例的结构钢采用了如下设计：

钢的各化学成分及质量百分比含量为：C0.10％，Si0.33％，Mn1.25％，P0.011％，S0.004％，V0.05％，Cr0.49％，Mo0.32％，Ti0.027％，Nb0.029％，Ni0.50％，Cu0.22％，B0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

制备上述成分设计的结构钢的方法，包括如下步骤：

(1)冶炼、精炼及连铸：按照上述化学成分进行原料配置，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，得到厚300mm的连铸坯。

(2)加热：将连铸坯进行加热，将铸坯加热至1240℃，保温120min得到加热后的铸坯，使铸坯奥氏体均匀化，并避免加热导致的晶粒粗大。

(3)轧制：将加热后的铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制：开轧温度为1110℃，共轧制6道次，道次压下量≥15mm，累积压下量：100mm，终轧温度为1030℃；第一阶段轧制后空冷待温到950℃后，进行第二阶段轧制：共轧制9道次，道次压下量≥10mm。累积压下量：110mm，第二阶段轧制的终轧温度为840℃。

(4)冷却：将轧制后的结构钢直接空冷至室温。

(5)热处理：将冷却至室温的结构钢进行离线热处理，包括亚温淬火+回火。亚温淬火加热至温度870℃，保温时间80min，然后进行水淬；回火加热至温度550℃，保温时间120min，然后空冷至室温。

本实施例所得结构钢的钢板厚度为90mm，钢的1/4厚度处和1/2厚度处的金相组织图分别参见图1和图2，从图1和图2可以看出，1/4厚度出和1/2厚度出的金相组织结构无明显差别，都为回火贝氏体+回火马氏体混合组织，钢组织力学性能均匀。对热处理后得到的结构钢进行力学性能测试，测试结果如下：碳当量Ceq为0.52、焊接裂纹敏感指数为Pcm0.25、屈服强度Rp0.2为660MPa、抗拉强度Rm为825MPa、屈强比为0.8、延伸率A为23％、-40℃冲击功Kv2为115J。采用本实施例得到的一批钢板的抽检结果显示该批钢材的屈服强度Rp0.2均位于650-690MPa范围内，保证其强度的同时保证了其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性，结构钢的屈服强度波动较小，钢结构间的载荷与变形比较均匀，结构钢整体的塑性变形能力得到提高，有利于提高抗震安全性。

实施例2：本实施例的结构钢采用了如下设计：

各化学成分成分质量比为：C0.10％，Si0.33％，Mn1.25％，P0.011％，S0.004％，V0.05％，Cr0.49％，Mo0.32％，Ti0.027％，Nb0.029％，Ni0.50％，Cu0.22％，B0.002％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

制备上述成分设计的结构钢的方法，包括如下步骤：

(1)冶炼、精炼及连铸：按照上述化学成分进行原料配置，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，得到厚300mm的连铸坯。

(2)加热：将连铸坯进行加热，将铸坯加热至1240℃，保温120min得到加热后的铸坯，使铸坯奥氏体成分均匀化，并避免加热导致的晶粒粗大。

(3)轧制：将加热后的铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制：开轧温度为1110℃，共轧制6道次，道次压下量≥15mm，累积压下量：100mm，终轧温度为1030℃；第一阶段轧制后空冷待温到950℃后，进行第二阶段轧制：共轧制9道次，道次压下量≥10mm。累积压下量：110mm，第二阶段轧制的终轧温度为840℃。

(4)冷却：将轧制后的结构钢直接空冷至室温。

(5)热处理：将冷却至室温的结构钢进行离线热处理，包括亚温淬火+回火。亚温淬火加热至温度870℃，保温时间80min，然后进行水淬；回火加热至温度500℃，保温时间140min，然后空冷至室温。

本实施例所得结构钢的钢板厚度为90mm；钢的1/4厚度处和1/2厚度处的金相组织图结构无明显差别，都为回火贝氏体+回火马氏体混合组织，钢组织力学性能均匀。对热处理后得到的结构钢进行力学性能测试，测试结果如下：碳当量Ceq为0.52、焊接裂纹敏感指数为Pcm0.25、屈服强度Rp0.2为645MPa、抗拉强度Rm为805MPa、屈强比为0.80、延伸率A为20.5％、-40℃冲击功Kv2为108J。采用本实施例得到的一批钢板的抽检结果显示该批钢材的屈服强度Rp0.2均位于640-670MPa范围内，保证其强度的同时保证了其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性。

实施例3：本实施例的结构钢采用了如下设计：

各化学成分成分质量比为：C0.13％，Si0.35％，Mn1.05％，P0.014％，S0.006％，V0.054％，Cr0.42％，Mo0.30％，Ti0.02％，Nb0.028％，Ni0.55％，Cu0.25％，B0.0018％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

制备上述成分设计的结构钢的方法，包括如下步骤：

(1)冶炼、精炼及连铸：按照上述化学成分进行原料配置，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，得到厚300mm的连铸坯。

(2)加热：将连铸坯进行加热，将铸坯加热至1245℃，保温130min得到加热后的铸坯，使铸坯奥氏体成分均匀化，并避免加热导致的晶粒粗大。

(3)轧制：将加热后的铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制：开轧温度为1115℃，共轧制9道次，道次压下量≥15mm，累积压下量：140mm，终轧温度为1020℃；第一阶段轧制后空冷待温到940℃后，进行第二阶段轧制：共轧制7道次，道次压下量≥10mm。累积压下量：80mm，第二阶段轧制的终轧温度为820℃。

(4)冷却：将轧制后的结构钢直接空冷至室温。

(5)热处理：将冷却至室温的结构钢进行离线热处理，包括亚温淬火+回火。亚温淬火加热至温度850℃，保温时间60min，然后进行水淬；回火加热至温度500℃，保温时间140min，然后空冷至室温。

本实施例所得结构钢的钢板厚度为80mm；钢的金相组织图参见图3，钢的1/4厚度处和1/2厚度处的金相组织图结构无明显差别，都为回火贝氏体+回火马氏体混合组织，在厚度方向上钢组织均匀性较好。对热处理后得到的结构钢进行力学性能测试，测试结果如下：碳当量Ceq为0.49、焊接裂纹敏感指数为Pcm0.27、屈服强度Rp0.2为653MPa、抗拉强度Rm为813MPa、屈强比为0.80、延伸率A为19.6％、-40℃冲击功Kv2为136J。采用本实施例得到的一批钢板的抽检结果显示该批钢材的屈服强度Rp0.2均位于640-680MPa范围内，保证其强度的同时保证了其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性。

实施例4：

本实施例的结构钢采用了如下设计：

各化学成分成分质量比为：C0.13％，Si0.35％，Mn1.05％，P0.014％，S0.006％，V0.054％，Cr0.42％，Mo0.30％，Ti0.02％，Nb0.028％，Ni0.55％，Cu0.25％，B0.0018％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

制备上述成分设计的结构钢的方法，包括如下步骤：

(1)冶炼、精炼及连铸：按照上述化学成分进行原料配置，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，得到厚300mm的连铸坯。

(2)加热：将连铸坯进行加热，将铸坯加热至1245℃，保温130min得到加热后的铸坯，使铸坯奥氏体成分均匀化，并避免加热导致的晶粒粗大。

(3)轧制：将加热后的铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制：开轧温度为1115℃，共轧制9道次，道次压下量≥15mm，累积压下量：140mm，终轧温度为1020℃；第一阶段轧制后空冷待温到940℃后，进行第二阶段轧制：共轧制7道次，道次压下量≥10mm。累积压下量：80mm，第二阶段轧制的终轧温度为820℃。

(4)冷却：将轧制后的结构钢直接空冷至室温。

(5)热处理：将冷却至室温的结构钢进行离线热处理，包括亚温淬火+回火。亚温淬火加热至温度850℃，保温时间60min，然后进行水淬；回火加热至温度450℃，保温时间130min，然后空冷至室温。

本实施例所得结构钢的钢板厚度为80mm；钢的1/4厚度处和1/2厚度处的金相组织图结构无明显差别，钢的金相组织都为回火贝氏体+回火马氏体混合组织，在厚度方向上的钢组织均匀性较好。对热处理后得到的结构钢进行力学性能测试，测试结果如下：碳当量Ceq为0.49、焊接裂纹敏感指数为Pcm0.27、屈服强度Rp0.2为633MPa、抗拉强度Rm为803MPa、屈强比为0.79、延伸率A为17.8％、-40℃冲击功Kv2为97J。采用本实施例得到的一批钢板的抽检结果显示该批钢材的屈服强度Rp0.2均位于630-665MPa范围内，保证其强度的同时保证了其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性。

实施例5：本实施例的结构钢采用了如下设计：

各化学成分成分质量比为：C0.13％，Si0.35％，Mn1.05％，P0.014％，S0.006％，V0.054％，Cr0.42％，Mo0.30％，Ti0.02％，Nb0.028％，Ni0.55％，Cu0.25％，B0.0018％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。

制备上述成分设计的结构钢的方法，包括如下步骤：

(1)冶炼、精炼及连铸：按照上述化学成分进行原料配置，采用转炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，得到厚300mm的连铸坯。

(2)加热：将连铸坯进行加热，将铸坯加热至1240℃，保温150min得到加热后的铸坯，使铸坯奥氏体成分均匀化，并避免加热导致的晶粒粗大。

(3)轧制：将加热后的铸坯进行两阶段控制轧制，第一阶段轧制：开轧温度为1097℃，共轧制10道次，道次压下量≥15mm，累积压下量：180mm，终轧温度为1006℃；第一阶段轧制后空冷待温到938℃后，进行第二阶段轧制：共轧制6道次，道次压下量≥10mm。累积压下量：70mm，第二阶段轧制的终轧温度为809℃，得到的结构钢轧件的组织为回火贝氏体+回火马氏体混合组织。

(4)冷却：将轧制后的结构钢直接空冷至室温。

(5)热处理：将冷却至室温的结构钢进行离线热处理，包括亚温淬火+回火。亚温淬火加热至温度850℃，保温时间30min，然后进行水淬；回火加热至温度500℃，保温时间120min，然后空冷至室温。

本实施例所得结构钢的钢板厚度为50mm；钢的1/4厚度处和1/2厚度处的金相组织图结构无明显差别，钢的金相组织都为回火贝氏体+回火马氏体混合组织，在厚度方向上的钢组织均匀性较好。对热处理后得到的结构钢进行力学性能测试，测试结果如下：碳当量Ceq为0.49、焊接裂纹敏感指数为Pcm0.27、屈服强度Rp0.2为724MPa、抗拉强度Rm为876MPa、屈强比为0.83、延伸率A为17.84％、-40℃冲击功Kv2为167J。采用本实施例得到的一批钢板的抽检结果显示该批钢材的屈服强度Rp0.2均位于710-745MPa范围内，保证其强度的同时保证了其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性。

对比例

对比例中除热处理步骤不同于实施例1以外，其他步骤及钢成分与实施例1相同，本对比例的热处理步骤省去了实施例1的亚温淬火处理，即直接将冷却至室温的钢材进行回火处理，回火处理条件同实施例1。该对比例得到的结构钢的力学性能如下：屈服强度Rp0.2为435MPa、抗拉强度Rm为568MPa、屈强比为0.77、延伸率A为23.3％、-40℃冲击功Kv2为201J。

综上，本发明公开一种厚规格低屈强比高强度建筑用结构钢及其制备方法，针对厚规格的低屈强比高强度建筑用结构钢，进行了成分设计和工艺研究，开发了厚度40-100mm的屈服强度不小于630MPa的建筑用结构钢。解决了当钢板厚度增加时的技术难题，其成分设计和生产工艺都与较薄钢板的完全不同，特别是在提高其强度的同时保证了其具有较低的屈强比和较好的冲击韧性。此结构钢有利于钢结构建筑的高层化发展，且由于其屈强比低、综合力学性能较好，有利于提高钢结构建筑的抗震安全性。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。