專利名稱：一種具有優(yōu)異z向性能的建筑用特厚鋼板及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及建筑用鋼板及其制造方法，特別是具有優(yōu)異的Z向性能的建筑用特厚鋼板及其制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著建筑物向大型化、復(fù)雜化的發(fā)展，對特厚板(》60mm)的需求越來越 多，同時對其內(nèi)在質(zhì)量的要求也日益嚴格。在一些高層建筑、大跨度場館等的建造中，普遍 要求鋼板具有良好的抗層狀撕裂性能。目前國際上廣泛采用板厚方向的斷面收縮率Ψζ作 為衡量Z向性能、評價鋼板層狀撕裂敏感性優(yōu)劣的主要指標。層狀撕裂是一種危害性極大 的破壞形式，簡單來說其形成機制是在焊接應(yīng)力(Z向應(yīng)力)的作用下，基體金屬沿夾雜物 開裂并擴展，最終導(dǎo)致基體金屬沿層狀臺階撕裂斷開，對工程造成無法挽回的巨大損失。因 此，在高層建筑領(lǐng)域迫切需要一種具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚板。日本特開平6-198394號專利申請介紹了一種抗層狀撕裂性能優(yōu)良的建筑結(jié)構(gòu)用 厚板的制造方法。該鋼板化學(xué)成分為CO. 01 0. 20%,SiO. 01 0. 50%,MnO. 5 2. 0%， P ^ 0. 05%, S ^ 0. 02%, CuO. 1 2. 0 %，CrO. 05 1. 0 %，NiO. 1 1. 5 %，MoO. 05 0. 5%, NbO. 005 0. 05%, V0. 01 0. 1%，TiO. 003 0. 5%，B 彡 0. 002%, CaO. 0005 0. 005%, A10. 005 0. 1 %, REM0. 001 0. 02%。該文獻重點介紹了通過足夠的鍛壓加工 率和壓下比來保證鋼板的Z向性能的方法。其不足之處在于采用正火處理的鋼板成分設(shè)計 中均添加了 Cu、M等合金元素，由于M的價格較為昂貴，大大提高了鋼板的成本。另外，該 文獻對鍛壓率也有嚴格的要求，正火鋼板的鍛壓率均在12%以上，這一方面會增大鍛壓設(shè) 備負荷，另外還增加了生產(chǎn)操作的復(fù)雜性，降低了生產(chǎn)效率。另外，該文獻公開的技術(shù)正火 處理的鋼板厚度最大僅為75mm。日本特開平6-158222號專利申請還介紹了一種無需熱處理的具有優(yōu)異Z向性 能的建筑結(jié)構(gòu)用厚板的制造方法。該鋼板的化學(xué)成分為C < 0. 20%，SiO. 05 0. 55%， MnO. 5 1. 8%,S^O. 04%, Cu ^ 1. 0%,Cr ^ 1. 0%,Ni ^ 1. 0%,Mo ^ 1. 0%,Nb ^ 0. 1%, V ^ 0. 1 %, Ti ^ 0. 1 %, Ca ^ 0. 1 %, Α10. 005 0. 10%, H 彡 0. 00008。該文獻技術(shù)的不 足之處在于成分設(shè)計中對H含量要求十分嚴格，要求8ppm,目前國內(nèi)鋼廠能夠控制的 H含量最低為lppm，Ippm以下的H不具備大生產(chǎn)操作的可行性。另外，H含量越低，所需的 脫氫處理時間會大大增加，嚴重影響了生產(chǎn)效率。而本發(fā)明中的H含量要求在2ppm以下， 通過精煉設(shè)備可以有效實現(xiàn)這一目標。另外采用該對比文獻的方法無法生產(chǎn)特厚鋼板，其 鋼板的厚度均為35mm以下，不屬于特厚板的范疇。而且該文獻技術(shù)采用控制軋制(CR)工 藝，生產(chǎn)制造效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服以上問題，提供一種具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，該類 鋼板不僅具有優(yōu)異的Z向性能、良好的強韌性和焊接、冷彎等加工性能，同時在鋼板生產(chǎn)過程中合金元素加入少，大生產(chǎn)操作方便，其厚度可以達到60mm以上，特別是75 130mm。適 用領(lǐng)域包括高層建筑、大跨度場館等建筑工程領(lǐng)域。為達到上述目的，本發(fā)明設(shè)計了一種具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其特 征在于，鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為c:0. 10 0. 22%,Si 0. 10 0. 50%、Mn:1.0 2. 0 %, P ≤ 0. 025%, S ≤ 0. 006%, Nb 0. 01 0. 06%、V 0. 02 0. 11%、Ti 0. 005 0. 025%,Ca 0. 0004 0. 0040%,Alt 0. 01 0. 05%,H ≤ 0. 0002%，余量為 Fe 及不可避 免的夾雜，所述的鋼板厚度為> 60mm。優(yōu)選地，0·0001 ≤H ≤0. 0002%。優(yōu)選地，所述具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的厚度為75 130mm。有利地，所述具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其Z向性能為Z35以上，也就 是說Z向性能為35%以上。本發(fā)明的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法，包括如下步驟鐵水深脫硫一轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉一爐外精煉一模鑄一初軋一初軋坯再加熱一自 由軋制一空冷一正火熱處理；其中，初軋坯再加熱到1100°C 1250°C ；將鋼板加熱至860 920°C進行正火熱處理。優(yōu)選地，在本發(fā)明的模鑄中，全程采用吹氬保護澆注。優(yōu)選地，在本發(fā)明的自由軋制中，壓下比D/d≤3.0。優(yōu)選地，在本發(fā)明的自由軋制中，壓下比為3.0≤D/d≤7.0。優(yōu)選地，在本發(fā)明的自由軋制后，空冷至常溫。優(yōu)選地，在本發(fā)明的正火處理中，正火時間為1. 0 2. Omin/mm。以下詳述本發(fā)明中化學(xué)成分的限定理由本發(fā)明中C含量選擇在0. 10 0.22%。碳是鋼中的主要強化元素，為了保證正火 鋼板的強度，其添加量不得低于0.10% ；而建筑用鋼對焊接性能要求非常嚴格，碳是碳當(dāng)量 計算公式的主要元素，過高的碳含量會惡化鋼板的焊接性，因此將碳含量限定在0. 22%以 下，優(yōu)選0. 10 0. 22%。本發(fā)明中Si含量在0. 10 0. 50%。Si主要是以固溶強化形式提高鋼的強度，同 時也是鋼中的脫氧元素，但含量過高會惡化鋼材的焊接性能，因此控制在0. 10 0. 50%。本發(fā)明中Mn含量選擇在1. O 2. 0%。Mn主要通過固溶強化提高鋼的強度。此 外Mn可擴大奧氏體相區(qū)，降低過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，有利于相變組織的細化。但Mn也是 增加碳當(dāng)量的元素，含量過高對鋼的焊接性能有不利影響。因此將Mn含量控制在1.0 2. 0%。本發(fā)明中P含量≤0. 025%。低的磷含量可以使鋼具有良好的韌性和焊接性，因此 本發(fā)明中應(yīng)盡量降低磷含量。本發(fā)明中S含量≤0. 006%。S作為鋼中的有害夾雜對鋼的低溫韌性有較大的損 害作用，更重要的是S與Mn結(jié)合形成MnS夾雜，在熱軋過程中，塑性的MnS夾雜沿軋向延伸 形成MnS夾雜物帶，嚴重損害鋼板的Z向性能，因此鋼中的S含量控制越低越好，考慮到生 產(chǎn)控制的可操作性等因素，本發(fā)明中將S含量控制在0. 006%以下。本發(fā)明中Nb含量在0. Ol 0. 06%。Nb是強碳氮化合物形成元素，通過細晶強化和析出強化提高鋼的強度。當(dāng)Nb含量低于0.01%時，對正火鋼板的強化效果不夠；當(dāng)Nb含 量高于0. 06%時，對鋼板的焊接性能有不利影響。因此將Nb含量控制在0. 01 0. 06%。本發(fā)明中V含量在0.02 0. 11%。V是典型的析出強化元素，與鋼中N和C結(jié)合 生成細小的碳氮化物能夠有效提高鋼板的強度，但向鋼中添加過量的V容易惡化鋼板的低 溫韌性和焊接性能。因此本發(fā)明中V含量控制在0. 02 0. 11%。本發(fā)明中Ti含量在0. 005 0. 025%。鋼中加入微量的Ti能夠和N結(jié)合生成穩(wěn) 定性能高的TiN粒子，抑制焊接時熱影響區(qū)內(nèi)奧氏體晶粒的長大，改善鋼的焊接性。Ti加入 量過少時，形成TiN粒子數(shù)量不足，不能夠有效的抑制焊接熱影響區(qū)的晶粒長大；加入Ti含 量過多時，鋼液凝固過程中容易析出大尺寸的TiN，成為裂紋萌生的起點，惡化鋼板的Z向 性能。本發(fā)明中Ca含量在0. 0004 0. 0040%。通過鈣處理可以改變硫化物形態(tài)，由易 于變形的條狀夾雜變?yōu)椴灰鬃冃蔚?、穩(wěn)定細小的球狀夾雜，提高鋼板的Z向性能，另外還可 以改善鋼的低溫韌性，保證力學(xué)性能的各向同性。本發(fā)明中Alt含量在0.01 0.05%。鋼中加入的A1主要用來脫氧，另外還能夠 固定鋼中的自由[N]，改善焊接熱影響區(qū)的低溫韌性。當(dāng)鋼中Alt低于0.01%時，其脫氧效 果和固氮效果均不理想；當(dāng)鋼中Alt高于0. 05%時，A1203夾雜增多，影響鋼板的Z向性能 及焊接性能。本發(fā)明中H含量< 0.0002%，鋼中氫含量較高時，容易在缺陷及夾雜物附近聚集 從而產(chǎn)生白點，成為鋼材的疲勞裂紋源，嚴重惡化鋼材的Z向性能。本發(fā)明的高Z向性能的建筑用特厚鋼板的生產(chǎn)方法，其基本工藝流程如下鐵水深脫硫一轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉一爐外精煉一模鑄一初軋一板坯再加熱一軋制 —冷卻一正火。采用鐵水深脫硫，轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉(控制C含量)，RH真空循環(huán)脫氣工藝，同 時進行鈣處理，獲得鋼的化學(xué)成份(重量% )為C 0. 10 0. 22 %、Si. 0. 10 0. 50 %、 Mn :1. 0 2. 0%、P 彡 0. 025%、S 彡 0. 006%、Nb :0. 01 0. 06%、V :0. 02 0. 11%、Ti 0. 005 0. 025%,Ca 0. 0004 0. 0040%,Alt 0. 01 0. 05%,H ^ 0. 0002%，余量為 Fe
及不可避免的夾雜。將符合本發(fā)明鋼化學(xué)成分要求的鋼水進行模鑄，并全程采用吹氬保護澆注，避免 因鋼水氧化引起的鋼中夾雜物增多，從而惡化鋼板的Z向性能。按照上述化學(xué)成份進行冶煉和鑄造后，根據(jù)以下工藝條件進行軋制、冷卻及熱處 理將初軋坯加熱到1100°c 1250°C，進行自由軋制(AR軋制)，保證壓下比D/d ^ 3. 0 (D 初軋坯厚度，d 成品厚度)，優(yōu)選D/d ( 7. 0,然后空冷至常溫，而后將鋼板加熱至 860 920°C進行正火熱處理，保溫時間為1. 0 2. Omin/mm。初軋坯加熱過程是保證鋼中的各類合金元素包括Nb、Ti和V碳氮化物溶解于鋼 中的過程。加熱溫度低于1100°c，則會導(dǎo)致合金元素特別是Nb和V碳氮化物不能充分溶 解，影響其發(fā)揮細晶和析出強化的功能，從而不能滿足鋼板的力學(xué)性能要求；加熱溫度高于 1250°C后不僅浪費能源，還會導(dǎo)致晶粒長大，影響鋼材強度和低溫沖擊性能，甚至還可能出 現(xiàn)鋼板過燒和脫碳等使鋼板報廢的情況。因此，在本發(fā)明中，選擇1100 1250°C的加熱溫 度應(yīng)該是合適的。
軋制過程中采用控制軋制可以有效提高鋼板的力學(xué)性能，但控制軋制過程需要較 長時間待溫，大大降低了生產(chǎn)效率；采用本發(fā)明成分設(shè)計的鋼板在軋制過程中無需控軋即 可滿足鋼板的Z向性能和力學(xué)性能要求，因此本發(fā)明軋制過程中采用自由軋制(AR軋制)。由于鋼錠內(nèi)部不可避免的存在疏松、縮孔等內(nèi)部缺陷，如果軋制過程中不能充分 壓合，在鋼板受到Z向應(yīng)力時，缺陷處極易成為裂紋源從而引發(fā)層狀撕裂，大大降低了鋼板 的z向性能，因而需保證壓下比D/d彡3. 0 ；另一方面，如果壓下比過大，會引起軋制道次增 多，軋制時間增加，降低了生產(chǎn)效率。因而本發(fā)明中壓下比優(yōu)選控制在3. 0彡D/d彡7. 0。良好的基體組織也是提高鋼板Z向性能的有效保障。正火加熱溫度太高、保溫時 間過長時，容易引起晶粒長大，不利于鋼板的組織細化，另外還增加生產(chǎn)成本，降低生產(chǎn)效 率；正火加熱溫度太低、保溫時間太短時，鋼板不能充分奧氏體化，甚至可能出現(xiàn)混晶等不 利的組織情況。因此本發(fā)明中正火溫度控制為860 920°C，保溫時間為1. 0 2. Omin/mm。按照本發(fā)明的成分設(shè)計和工藝制造建筑用特厚鋼板，具有如下優(yōu)點由于本發(fā)明鋼采用微合金元素少，大生產(chǎn)中的操作方便，生產(chǎn)的鋼板具有優(yōu)異的 抗層狀撕裂性能，其Z向性能可達到Z35以上。按照本發(fā)明生產(chǎn)的鋼厚度可達到60mm以上，特別是75 130mm，滿足了高層建筑 對特厚鋼板的需求。本發(fā)明鋼具有良好的焊接性能和較低的屈強比，滿足了對建筑用鋼的焊接性能和 抗震性能的嚴格要求。由于本發(fā)明鋼的軋制工藝采用自由軋制，不需要進行控制軋制，無需待溫時間，因 此可提高生產(chǎn)效率。


圖1A是采用本發(fā)明生產(chǎn)的130mm厚鋼板的斷口形貌(Z = 69% )。圖1B是采用本發(fā)明生產(chǎn)的130mm厚鋼板的斷口的能譜圖。圖2A是采用本發(fā)明生產(chǎn)的65mm厚鋼板的斷口形貌(Z = 66% )。圖2B是采用本發(fā)明生產(chǎn)的65mm厚鋼板的斷口的能譜圖。圖3A是未采用本發(fā)明生產(chǎn)的70mm厚鋼板的斷口形貌(Z = 20% )圖3B是未采用本發(fā)明生產(chǎn)的70mm厚鋼板的斷口的能譜圖。
具體實施例方式按照本發(fā)明鋼化學(xué)成分要求，即C :0. 10 0.22%、Si 0. 10 0. 50%、Mn :1. 0
2.0%, P ^ 0. 025 %, S ^ 0. 006%, Nb 0. 01 0. 06%、V 0. 02 0. 11%、Ti 0. 005 0. 025%,Ca 0. 0004 0. 0040%,Alt 0. 01 0. 05%,H ^ 0. 0002%，余量為 Fe 及不可避 免的夾雜，采用純凈鋼冶煉工藝，在煉鋼廠300噸轉(zhuǎn)爐進行頂?shù)讖?fù)合吹煉，然后進行爐外精 煉，獲得實施例1 8的化學(xué)成分見表1，余量為Fe及不可避免的夾雜。將初軋坯加熱至1100 1250°C，進行自由軋制(AR軋制)，保證壓下比D/d為
3.0彡D/d彡7. 0 (D 初軋坯厚度，d 成品厚度)，軋后空冷至室溫，最后將鋼板加熱至860 920°C，進行正火熱處理，保溫時間為1. 0 2. Omin/mm。最終產(chǎn)品厚度分別為60mm、70mm、 80mm、90mm、100mm、120mm和130mm，其Z向性能及其他力學(xué)性能見表2。
其中對比1和對比2是日本特開平6-198394的技術(shù)，對比3和對比4是日本特開平6-158222的技術(shù)。 注AR為自由軋制；CR為控制軋制。Z向性能的測定根據(jù)GB/T5313-85《厚度方向性能鋼板》中的取樣要求，在鋼板 軋制方向的一端中部截取6個全厚度試樣，3個加工成拉伸試樣(直徑d0 = 10mm)，3個備 用，以此來測定鋼板的Z向性能。通過表1、表2中發(fā)明實施例與對比例的比較可以發(fā)現(xiàn)，對比1、對比2的成分中添 加了 Cu、Ni元素之后，對Z向性能并無明顯影響，且由于其價格較貴，相對提高了鋼板的生 產(chǎn)成本。雖然Cu、Ni的加入可以有效提高鋼板的強度和低溫韌性，但鋼板的屈強比也大大 提高。從表中可以看到，對比例的屈強比高達0.89，而本發(fā)明實施例中鋼板的屈強比均為
0.72以下，因此，Cu、Ni的加入雖然提高了強度，卻大大降低了鋼板的抗震性能。另外，對比
1、對比2還要求控制鍛壓率，不但增大了鍛壓設(shè)備的負荷，還增加了生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性。而 本發(fā)明中無需添加Cu、Ni等合金元素，同時對鍛壓率無任何要求，簡化了生產(chǎn)操作，提高了 生產(chǎn)效率。另外，對比鋼板的厚度僅為75mm以下，本發(fā)明的特厚板厚度最大可達130mm，且 具有優(yōu)異的Z向性能。圖1A是采用本發(fā)明生產(chǎn)的130mm厚鋼板的斷口形貌，該鋼板的Z向性能為Z = 69%。圖1B是該鋼板斷口的能譜圖。圖2A是采用本發(fā)明生產(chǎn)的65mm厚鋼板的斷口形貌， 該鋼板的Z向性能為Z = 66%，圖2B是該鋼板斷口的能譜圖。圖3A是未采用本發(fā)明生產(chǎn) 的70mm厚鋼板的斷口形貌，該鋼板的Z向性能為Z = 20%。圖3B為該鋼板斷口的能譜圖。從圖中可以看出，采用本發(fā)明生產(chǎn)的鋼板斷口形貌均為韌窩狀，韌窩底部存在成
8顆粒狀或細小球狀的CaS夾雜，該夾雜即是經(jīng)鈣處理變性后形成的不易變形的夾雜物。而 未采用本發(fā)明生產(chǎn)的鋼板斷口呈現(xiàn)層狀撕裂的形貌，斷面上存在較多長條狀MnS夾雜。由 于MnS夾雜在軋制過程中極易變形，當(dāng)鋼板收到Z向的拉伸作用時就很容易沿MnS夾雜處 撕裂斷開，因而鋼板的Z向性能較差。對比3、對比4的成分中H含量均控制在0. 8ppm之內(nèi)，為了得到如此低的氫含量， 勢必要大大增加脫氫處理時間，嚴重影響了生產(chǎn)效率。另外，對比3、對比4的生產(chǎn)工藝中采 用控制軋制方法，軋制過程中待溫會嚴重影響生產(chǎn)效率。最重要的一點是采用對比專利的 方法所生產(chǎn)的鋼板最大厚度僅為35mm，無法達到本發(fā)明中特厚板(60 130mm)的厚度范圍。由此可見，本發(fā)明鋼通過添加少量的微合金元素，采用自由軋制和正火工藝可以 穩(wěn)定生產(chǎn)具有高Z向性能的建筑用特厚板。本發(fā)明生產(chǎn)的特厚板可廣泛應(yīng)用于高層建筑、 大跨度體育場館建設(shè)等領(lǐng)域。以上通過實施例對本發(fā)明進行了較為詳細的說明，但不僅僅限于這些實施例，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況之下，還可以有更多變化或改進的其他等效實施例，而這些變化 和改進都屬于本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其特征在于，鋼的重量百分比計的化學(xué)成分為C010～0.22％、Si0.10～0.50％、Mn1.0～2.0％、P≤0.025％、S≤0.006％、Nb0.01～0.06％、V0.02～0.11％、Ti0.005～0.025％、Ca0.0004～0.0040％、Alt0.01～0.05％、H≤0.0002％，余量為Fe及不可避免的夾雜，所述的鋼板厚度為≥60mm。
2.如權(quán)利要求1所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其特征在于， 0. 0001 彡 H 彡 0. 0002%。
3.如權(quán)利要求2所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其特征在于，所述的鋼板 厚度為大于75至130mm。
4.如權(quán)利要求1 3中任一所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其特征在于， 所述鋼板的Z向性能為Z35以上。
5.如權(quán)利要求1 4中任一所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法， 包括如下步驟鐵水深脫硫一轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉一爐外精煉一模鑄一初軋一初軋坯再加熱一自由軋 制一空冷一正火熱處理；其中，初軋坯再加熱到IlOO0C 12500C ；將鋼板加熱至860 920°C進行正火熱處理。
6.如權(quán)利要求5所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法，其特征在于， 模鑄中，全程采用吹氬保護澆注。
7.如權(quán)利要求5或6所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法，其特征 在于，在自由軋制中，壓下比D/d≤3.0。
8.如權(quán)利要求7所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法，其特征在于， 在自由軋制中，壓下比為3. 0≤D/d≤7. 0。
9.如權(quán)利要求5 8中任一所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法， 其特征在于，空冷至常溫。
10.如權(quán)利要求5 9中任一所述的具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板的制造方法， 其特征在于，正火處理時間為1. 0 2. Omin/mm。
全文摘要
一種具有優(yōu)異Z向性能的建筑用特厚鋼板，其特征在于，鋼的化學(xué)成分(重量百分比)為C010～0.22％、Si0.10～0.50％、Mn1.0～2.0％、P≤0.025％、S≤0.006％、Nb0.01～0.06％、V0.02～0.11％、Ti0.005～0.025％、Ca0.0004～0.0040％、Alt0.01～0.05％、H≤0.0002％，余量為Fe及不可避免的夾雜，所述鋼板的厚度為≥60mm。這種特厚鋼板的制造包括鐵水深脫硫→轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)合吹煉→爐外精煉→模鑄→初軋→初軋坯再加熱→自由軋制→空冷→正火熱處理；其中，初軋坯再加熱到1100℃～1250℃；將鋼板加熱至860～920℃進行正火熱處理。這種特厚鋼板具有優(yōu)異的Z向性能，可廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨度場館等建筑工程領(lǐng)域。
文檔編號C21D8/02GK101845588SQ200910048139
公開日2010年9月29日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月24日
發(fā)明者李自剛, 楊阿娜, 柏明卓 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司