CN112647014B

CN112647014B - 一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢及其生产方法

Info

Publication number: CN112647014B
Application number: CN202011325158.8A
Authority: CN
Inventors: 潘辉; 刘锟; 田志红; 庞陆峰; 张旭; 徐永先; 郭慧敏; 鲍成人; 李飞
Original assignee: Shougang Group Co Ltd
Current assignee: Shougang Group Co Ltd
Priority date: 2020-11-23
Filing date: 2020-11-23
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2040-11-23
Also published as: CN112647014A

Abstract

本发明提供了一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，属于钢板生产技术领域，所述建筑结构钢的化学成分及其质量分数如下：碳：0.07％～0.17％，硅：0.6％～0.8％，锰：0.3％～1.0％，磷：0.08％～0.15％，硫：0.005～0.035％，铜：0.15％～0.2％，锑：0.1％～0.2％，铈：0.0025％～0.0045％；并选择性包含：锡：0.01％～0.02％，钒：0.05‑0.1％中任意一种或两种，其余为铁以及不可避免的杂质。该建筑结构钢具有优异的耐蚀性，可有效提高钢结构建筑物的寿命和安全性。本发明还提供一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢的生产方法。

Description

一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢及其生产方法

技术领域

本发明属于钢板生产技术领域，涉及一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢及其生产方法。

背景技术

随着我国城市化的迅速发展，钢结构以其自身重量轻，基础造价低，施工周期短，能解决大空间的复杂问题，整体性和抗震性较好以及资源可再生利用等优点，正在逐步取代混凝土结构成为发展趋势。然而，钢结构建筑存在大气腐蚀问题，特别是对于沿海大气环境，由于其Cl离子沉积率高、湿度大、昼夜温差大及紫外线强度高等环境特点，会使钢材的腐蚀速率大幅增加。因此，需要开发和使用沿海地区专用的建筑结构用钢，以保证整体结构的耐久性和安全性。

现有技术和实际的生产建设中，沿海地区钢结构建筑仍然以Q355B和Q235B作为主要钢材原料，表面喷涂防腐漆防锈。然而，由于沿海地区条件恶劣，防腐漆无法完全阻断Cl离子的渗入，特别是栓接节点或焊接接头位置容易发生优先腐蚀，严重影响整体钢结构建筑的使用年限，或造成大量的维护费用。

目前的海洋大气环境用建筑结构钢领域，主要存在以下几方面不足：

（1）强度级别低，主要为屈服强度355MPa级别普通钢材，不利于构件的减重；

（2）现有钢材耐蚀性差，特别是在海洋大气环境中，服役周期短，维护成本高；

（3）可焊性差，低温韧性不足，不适用于低温沿河地区使用。

（4）没有考虑屈强比对建筑构件的影响，需对钢材的屈强比加以控制。

发明内容

为了解决海洋大气环境用建筑结构钢耐蚀性差的技术问题，本发明提供了一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，该建筑结构钢具有优异的耐蚀性，可有效提高钢结构建筑物的寿命和安全性。

本发明还提供一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢的生产方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，所述建筑结构钢的化学成分及其质量分数如下：

碳：0.07％～0.17％，硅：0.6％～0.8％，锰：0.3％～1.0％，磷：0.08％～0.15％，硫：0.005～0.035%，铜：0.15％～0.2％，锑：0.1％～0.2％，铈：0.0025%～0.0045%，其余为铁以及不可避免的杂质；

所述建筑结构钢的化学成分还包括以下元素中的0～2项：

锡：0.01%～0.02%，钒：0.05-0.1%。

一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢的生产方法，包括：

将铸坯加热后，经过粗轧、精轧获得热轧板；

将所述热轧板进行冷却，冷却后卷取成热轧卷。

其中，所述铸坯制备方法为：铁水预处理后，经冶炼、精炼获得钢水，钢水经连铸工艺获得所述铸坯，所述钢水具有上述化学成分。

进一步的，所述连铸工艺中，矫直段温度大于750℃。

进一步的，所述铸坯加热工艺采用热装热送工艺，铸坯加热温度为1160～1200℃，保温时间＜180min。

进一步的，所述粗轧所得的中间坯厚度为成品厚度的3～8倍，精轧入口温度为1000℃～1050℃，终轧温度为820～860℃。

进一步的，轧后冷却采用前段冷却模式进行快速冷却，目标卷取温度为520℃～580℃，冷却速度大于40℃/s。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，采用低Mn中高C高Si成分体系，复合添加Cu-P-Sb-Ce，在保证沿海大气环境耐蚀性的同时降低合金成本，结合控轧控冷工艺的改进，生产出厚度规格为3-20mm的建筑结构钢，材料屈服强度级别覆盖390MPa-460MPa，180°冷弯D=2a不开裂；屈强比≤0.83，-20℃冲击功≥47J; 加速腐蚀试验腐蚀速率小于等于1.467g/(m²•h)，与Q355B相比，相对腐蚀速率小于等于43.7%；本发明产品适用于沿海大气环境钢结构建筑，材料兼具良好的强韧性、可焊性、冷成形性和耐腐蚀性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明生产的适用于海洋大气环境用建筑结构钢的金相组织照片。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

本发明实施例提供的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明对建筑结构钢的化学成分及制备工艺进行改进，得到一种耐腐蚀性高的建筑结构钢，特别适于在沿海地区建筑中使用。

具体的，建筑结构钢的化学成分如下：

所述建筑结构钢的化学成分还包括以下元素中的一项或两项：

锡：0.01%～0.02%，钒：0.05-0.1%。

本发明的建筑结构钢，其化学成分采用中高C-高Si-低Mn成分体系，通过控制C、Si、Mn加入量控制焊接裂纹敏感性指数，适当提高C含量是为提高强度指标，降低Mn含量目的是为了在控制成本的前提下保证强度，同时避免Mn元素的偏析，高Si有利于材料耐蚀性的提升及强度的提升。合金方面采用Cu-P-Sb-Ce复合添加的微合金化思路，不添加Nb、Mo、Ni、Cr等贵重金属元素，有效控制和降低了合金成本。其中，添加P、Cu元素除提高材料的耐腐蚀性能外，对保证强度也有较大贡献。选择性添加Sn元素进一步提高材料的耐腐蚀性能，以满足不同用户的需求；选择性添加V元素进一步提高材料的强度指标，以满足不同强度级别钢材的需求。

各元素在本发明所述海洋大气环境用建筑结构钢作用如下：

碳：碳主要目的为提高强度，具有成本的优势。但过高的C对塑性和成形性能不利，需要对上下限做明确限定，本发明采用的碳含量为0.07％～0.17％；

硅：硅为固溶强化元素，但添加过高硅会对材料的塑性产生负面影响。此外，Si对提高材料的耐蚀性有一定作用，以及对控制目标组织状获得一定比例的多边形铁素体，提高材料冷成形性有利。在本发明中，通过添加较多含量的Si，结合合适的控轧控冷工艺，通过获得足够比例的多边形铁素体，从而降低材料的屈强比。因此，本发明添加硅含量为0.6％～0.8％；

锰：锰具有固溶强化作用，同时可提高材料淬透性，是提高材料强度重要元素之一，但锰含量添加过高容易产生偏析并会降低材料韧性。此外，从材料可焊性角度考虑，本发明协同控制C和Mn的加入量，即保证强度又保证不产生焊接冷裂纹，本发明添加锰含量为0.3％～1.0％；

硫：本发明允许较高的S含量主要目的为让硫与一部分Cu结合生成硫化铜改善Cu的热脆问题，及与Sb结合提高钢材的耐腐蚀性能，此外还可依靠S的纳米级的析出改善钢材的机械性能。但S元素过高，对钢材的韧性会产生不利影响。因此，本发明限定的硫含量为0.005％～0.035％；

磷：本发明中P为提高材料耐蚀性的重要元素，也是保证材料强度的重要元素。在海洋大气腐蚀环境中，P同样具有良好的耐蚀性作用。本发明复合添加P、Sb及少量Cu，协同作用共同提高材料的耐蚀性。本发明添加磷含量为0.08％～0.15％；

铜：本发明加入Cu的目的是提高材料的耐腐蚀性能，特别是对沿海大气环境腐蚀环境具有良好的效果；但由于Cu属于贵合金，需控制合金成本控制添加上限；另外Cu添加过多会引起轧钢工序的热脆问题。因此，本发明添加0.15～0.20% 的铜；

锑：针对海洋大气腐蚀环境，本发明添加了Sb元素以提高钢材的耐蚀性。除了Sb元素可以在表面形成致密氧化膜以及改变基体电极电位提高耐蚀性外，本发明符合添加的Cu-P-Sb将进一步增加钢材表面的耐蚀性。以及选择性的添加Sn元素，与Sb配合共同提高材料在海洋大气环境中的耐蚀性。因此，本发明添加0.1～0.2% 的锑；

铈：铈元素可改善夹杂物形貌为球形及控制夹杂物为小尺寸，减弱夹杂物对材料性能和耐蚀性的影响。另外，通过添加铈元素，可减弱Cu、Sb以及Sn元素造成开裂和表面裂纹缺陷的几率，以及可以提高材料的焊接性能。因此，本发明添加25-45ppm的铈元素。

锡：锡的作用是提高钢材的耐海洋大气腐蚀性能，与Sb共同作用于钢材表面，形成致密氧化膜以及减弱电极腐蚀的作用。但锡为低熔点元素，一方面需控制加入量避免出现开裂和裂纹缺陷，同时需配合合适的控轧控冷工艺。本发明针对部分用户沿海用结构钢特殊或更高的耐蚀性需求，选择性的添加0.01-0.02%的锡元素。

钒：钒在本发明中的作用是提高钢材的强度以及焊接接头性能。通过轧制过程的V的析出，将钢材强度等级提高至460MPa；同时，加入V元素有利于焊接接头位置形成氢陷阱，提高材料的抗延迟开裂性能。V的作用需要与控轧控冷工艺配合才能发挥最大作用。本发明针对高强度级别海洋大气环境用结构钢，选择性的添加0.05-0.1%的钒元素。

本发明对生产工艺的改进要点为：

一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢的冶炼工艺，连铸矫直段温度大于750℃，避免Sb、Cu、V等元素引起铸坯边角处裂纹。如果矫直段温度低于750℃，进入铸坯的边角部将进入脆性温度区间，在脆性区进行矫直容易引起开裂或隐形裂纹，进一步已传至热轧都的成品，导致成品钢板的边部开裂问题。

轧制过程中，严格控制以下各控轧控冷工艺参数。

本发明铸坯采用热装热送工艺，铸坯在加热炉内加热至1160～1200℃，在炉时间小于180min；采用热装热送工艺的目的为减少总在炉时间，通过快速加热和精准控制加热温度区间，避免铜脆开裂，以及避免磷、锑元素导致出现裂纹缺陷，加热温度区间需设定为1160～1200℃；

采用两阶段控制轧制，中间坯厚度采用8倍～12倍成品厚度，保证具有足够的奥氏体未再结晶区压下量，有利于细化晶粒，提高最终产品的高温性能；增加中间坯厚度同时可以缩短中间坯长度，从而减小进精轧头尾温度差，防止尾部温度降低过大增加轧机负荷。采用较大的中间坯厚度有利于提高带钢最终的强度和韧性。

精轧过程需按照成品厚度规格严格控制精轧入口温度为1000℃～1050℃，终轧温度为820～860℃；控制精轧入口温度的主要目的为控制部分再结晶区的轧制量，避免出现大比例的混晶组织造成冲击韧性降低；采用较低的终轧温度的目的为细化晶粒，提高材料的强韧性。

钢带出精轧后采用前段冷却模式进行快速冷却，冷却速度大于40℃/s。一方面有利于加强相变后的组织强化和细晶强化，另一方面有利于控制建筑用钢的屈强比。目标卷取温度为520℃～580℃，目标组织以多边形铁素体、贝氏体和针状铁素体为主，避免出现大量的珠光体造成韧性降低。依靠多边形铁素体降低屈强比，依靠贝氏体和针状铁素体提高材料的强度、韧性及获得良好的耐腐蚀性能。

基于上述改进，本发明制备的建筑结构钢屈服强度级别覆盖390MPa-460MPa，180°冷弯D=2a不开裂；屈强比≤0.83，-20℃冲击功≥47J; 加速腐蚀试验腐蚀速率小于等于1.467g/(m²•h)，与Q355B相比相对腐蚀速率小于等于43.7%。适用于沿海大气环境钢结构建筑，材料兼具良好的强韧性、可焊性、冷成形性和耐腐蚀性能。

下面将结合实施例、对照例及实验数据对本申请一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢进行详细说明。

实施例

一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，其化学成分按质量分数为：

碳0.07％～0.17％，硅：0.6％～0.8％，锰：0.3％～1.0％，磷：0.08％～0.15％，硫：0.005～0.035%，铜：0.15％～0.2％，锑：0.1％～0.2％，铈：0.0025%～0.0045%，选择性添加以下合金元素的一项或两项：锡：0.01%～0.02%，钒：0.05-0.1%，其余为铁以及不可避免的杂质。

一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢的生产方法，包括以下步骤：

S1：铁水预处理后，经冶炼、精炼获得钢水，钢水经过转炉冶炼后获得铸坯；冶炼过程严格调控P、S、Sb、Ce等元素的含量，铸坯的化学成分按重量百分比为：碳0.07％～0.17％，硅：0.6％～0.8％，锰：0.3％～1.0％，磷：0.08％～0.15％，硫≤0.005～0.035%，铜：0.15％～0.2％，锑：0.1％～0.2％，铈：0.0025%～0.0045%，选择性添加以下合金元素的一项或两项：锡：0.01%～0.02%，钒：0.05-0.1%，其余为铁以及不可避免的杂质。

S2：将铸坯采用热装热送工艺放入加热炉进行加热，控制加热温度和保温时间。

S3：将加热后的铸坯放入轧机进行轧制，控制精轧入口和出口温度，得到目标厚度钢板。

S4：对热轧板进行冷却，采用前段冷却模式进行层流冷却，将冷却后的热轧板进行卷取，获得钢板成品；卷取过程中的目标卷取温度控制为520～580℃；钢板成品的厚3.0～20.0mm。

具体实施例冶炼化学成分见表1：

表中，耐大气腐蚀性指数（I）计算公式如下：

I=26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)²

表中，焊接冷裂纹敏感指数Pcm计算公式如下：

Pcm（%）=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+60Ni+Mo/15+V/10+5B

表1 适用于海洋大气环境用建筑结构钢实施例和对比例的化学成分

1-12号实施例具体生产工艺见表2：

表2 适用于海洋大气环境用建筑结构钢实施例和对比例生产工艺

1-12号实施例及对比例钢材的力学性能见表3：

表3 适用于海洋大气环境用建筑结构钢实施例及对比例钢材性能

对实施例和对比例进行周期浸润试验，试验方法为：0.01mol/L亚硫酸氢钠溶液，试验时间72小时，试验标准TB/T2375-1993。

表4 适用于海洋大气环境用建筑结构钢实施例及对比例钢材腐蚀速率

本发明提供的适用于海洋大气环境用建筑结构钢通过合理设计钢中化学成分及比例，结合精确工艺窗口的控轧控冷技术，使最终获得的钢板成品具有高强度、良好的冷成形性能、良好的低温韧性和焊接性能、优良的耐腐蚀性能，同时保证屈强比不大于0.83，适用于建筑领域钢结构使用。与传统Q355B建筑结构用钢相比，钢板室温强度、塑性、韧性均提升，同时耐腐蚀性能达到Q355B耐蚀性的2.28倍以上，制造钢结构的耐腐蚀性能和安全性大幅提升。

从图1可知，适用于海洋大气环境用建筑结构钢金相组织为铁素体（多边形铁素体和针状铁素体）+贝氏体+岛状马氏体，组织较为细小均匀，保证了钢材在具有良好耐腐蚀性的同时，具有良好的冷成形性和强韧性。

最后，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，其特征在于，所述建筑结构钢的化学成分及其质量分数如下：

碳：0.07％～0.17％，硅：0.6％～0.8％，锰：0.3％～1.0％，磷：0.08％～0.15％，硫：0.005～0.035%，铜：0.15％～0.2％，锑：0.1％～0.2％，铈：0.0025%～0.0045%，其余为铁以及不可避免的杂质；所述建筑结构钢金相组织包括多边形铁素体、针状铁素体、贝氏体和岛状马氏体；

所述建筑结构钢的制备方法如下：

将铸坯加热后，经过粗轧、精轧获得热轧板；将所述热轧板进行冷却，冷却后卷取成热轧卷；

其中，铸坯加热工艺采用热装热送工艺，铸坯加热温度为1160～1200℃，保温时间＜180min，所述粗轧所得的中间坯厚度为成品厚度的3～8倍，精轧入口温度为1000℃～1050℃，终轧温度为820～860℃。

2.根据权利要求1所述的一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，其特征在于，所述建筑结构钢的化学成分及其质量分数还包括：锡：0.01%～0.02%和/或钒：0.05-0.1%。

3.根据权利要求2所述的一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，其特征在于，所述铸坯制备方法为：

铁水预处理后，经冶炼、精炼获得钢水，钢水经连铸工艺获得所述铸坯。

4.根据权利要求3所述的一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，其特征在于，所述连铸工艺中，矫直段温度大于750℃。

5.根据权利要求1所述的一种适用于海洋大气环境用建筑结构钢，其特征在于，轧后冷却采用前段冷却模式进行快速冷却，目标卷取温度为520℃～580℃，冷却速度大于40℃/s。