專利名稱：：屈服強度160MPa級抗震建筑鋼及其生產方法
技術領域：
：本發明涉及建筑用鋼，具體地指一種屈服強度160MPa級抗震建筑鋼及其生產方法。
背景技術：
：隨著鋼結構建筑事業的發展，提高鋼結構的抗震性能成為保證建筑安全的必要措施之一。在鋼結構建筑耐震設計中，可以通過鋼結構塑性變形來吸收地震產生的能量，這就要求建筑用鋼材有較低的屈服強度、較好的塑性變形能力和良好的伸長率。本發明之前，日本NIPPONSTEELCORP申請的專利(JP20060113479)"LOWYIELDPOINTSTEELFORDAMPERANDITSPRODUCTIONMETHOD",公開了一種用于制作抗震消能阻尼器低屈服點鋼，屈服強度為150250MPa，其化學成分的重量百分比為C:0.0010.050、Si《0.80、Mn:0.12.0、P《0.020、S《0.015、Nb:0.010.60且其含量是C含量的8倍、A1《0.060、N《0.006，另外根據需要還可以含有Ti/V/B/Ni/Cu/Cr/Mo/Ca/RE中的一種或多種。該專利鋼種有效的降低了鋼材的屈服強度，能較好適應建筑抗震性能的需要，但是其化學成分較為復雜，合金元素含量高，生產合金化成本偏高。另外，日本KAWASAKISTEELCO.申請的專利(JP19820200048)"MANUFACTUREOFSTEELSHEETFORWORKINGBYCONTINUOUSCASTINGANDDIRECTHOTROLLING"，公開了一種具有低屈服強度、高延伸率等優良性能的鋼板，其化學成分重量百分比為C《0.015、S《0.030、0《0.08、RE/Ca/Ti/Mg中的一種或兩種以上(元素的重量百分合計含量為0.0020.040)，余量為鐵或其他不可避免的雜質。文中具體給出了添加有Mg的鋼板，其化學成分為C:0.008%、Si:0.20%、Mn:0.31%、P:0.02%、S:0.03%、N:0.0017%、0:0.008%、A1:0.001%、RE:0.020%、Mg:0.010%、B:0.0024%，熱軋后屈服強度為140MPa，冷軋后屈服強度為190MPa。該發明的成分、工藝主要針對冷軋薄鋼板實施，因而不能滿足大型建筑結構的需要，且其Mg元素也僅是以夾雜物變性的目的加入，鋼板雜質含量偏高，其耐候性和焊接性能都不高。
發明內容本發明的目的就是要提供一種屈服強度160MPa級抗震建筑鋼及其生產方法。該鋼具有屈服強度低、延伸率高、抗沖擊性能優良的特點，并且其生產工藝流程簡單、生產成本低。為實現上述目的，本發明所設計的屈服強度160MPa級抗震建筑鋼，其化學成分按重量百分數計為:C:0.0020.005、Si《0.03、Mn:0.100.50、P《0.010、S《0.005、Mg:0.0020.007、Ti:0.0200.070、Nb:0.0100.030、N:0.0010.003、Al《0.050，其余為Fe及不可避免的夾雜。本發明屈服強度160MPa級抗震建筑鋼的生產方法，按通常超純凈鋼工藝進行生產，包括鐵水脫硫、轉爐吹煉、真空處理、連鑄、熱軋、冷卻處理的步驟，其特殊之處在于所述真空處理步驟中，添加Mg合金進行合金化處理，使鋼中組分滿足所述重量百3分比的要求；所述熱軋步驟中，鋼坯加熱溫度控制在1200123(TC，加熱速率控制在814min/cm，開軋溫度控制在11001200°C，控軋末三道累計壓下率3050%，終軋溫度控制在850890°C。進一步地，所述冷卻處理步驟之后還設有退火處理步驟，退火溫度控制在78083(TC，保溫時間控制在(3040)min+板厚(mm)Xlmin/mm，退火完畢后再重復冷卻處理的步驟。更進一步地，所述冷卻處理步驟中，采用加防護罩冷卻或堆垛冷卻的方式緩慢冷卻至室溫。以下就本發明屈服強度160MPa級抗震建筑鋼的化學成分及其生產方法進行分析說明C是鋼中提高強度的主要元素之一，對鋼的強度、延伸率和沖擊韌性影響較大。本發明的抗震建筑鋼屈服強度、抗拉強度低，且屈服強度范圍窄，其C的重量百分含量控制在0.0020.005范圍。Si和Mn在鋼中具有固溶強化作用，尤其當C含量在較低范圍時，二者對強度的影響就較為明顯。對于低屈服點鋼來說需進一步控制Si、Mn元素含量，本發明的Si的重量百分含量控制在0.03以下，Mn的重量百分含量控制在0.100.50。P和S在本發明的鋼中屬于有害雜質，為了減少P、S對超低碳鋼韌塑性的不良影響，需嚴格控制鋼中的P、S重量百分含量，所以本發明控制在P《0.010、S《0.005較低的比例，從而減小P、S對產品性能的不良影響。Mg與0、S元素有較高的親和力，本發明加入重量百分含量為0.0020.007的Mg元素，會明顯提高鋼板的脫氧和脫硫能力，達到良好的脫硫、脫氧以及控制夾雜物形態和分布的效果，提高鋼的純凈度，并降低了夾雜物對組織性能的影響。Ti和Nb是兩種強烈的碳化物和氮化物形成元素，本發明借鑒超低碳鋼IF鋼化學成分設計原理，在鋼中添加適量的Ti、Nb元素，使鋼中的C、N原子被固定成碳化物、氮化物，呈現無間隙原子狀態。研究表明，在IF鋼中加入的Ti>4C+3.43N時才可以使C、N原子被完全固定，從而有效減少C、N原子對位錯運動的釘扎作用。但在鋼中不宜添加過量的Ti元素，較多的Ti會使其碳氮化物顆粒粗化從而失去晶界釘扎作用。此外，一定量的Ti、Nb也能起到提高鋼種韌性的作用。本發明將Ti、Nb元素重量百分含量控制為Ti:0.0200.070、Nb:0.0100.030。Al能起到傳統的脫氧劑作用，本發明中的A1的含量控制在O.050以下的范圍對脫氧起到很好的作用。N是確保TiN所必需的元素，為了確保所需的最低數量的TiN，必須含有重量百分含量0.001%以上的N;但N含量過多時，鋼中固溶的N又會導致焊接熱影響區韌性惡化。鋼中N含量對鋼的力學性能也有很大影B向，隨著N的下降，鋼的延伸率和斷面收縮率有明顯的提高，其與氮會使鋼產生時效效應有關。此外，鋼中N和夾雜物同時存在是影響鋼力學性能的重要因素。本發明將N重量百分含量限定為0.0010.003。本發明屈服強度160MPa級抗震建筑鋼在化學成分上采用低C、Si、Mn等合金元素的超低碳系鋼設計，冶煉過程中通過添加Mg元素，利用其與0、S元素較高的親和力，達到良好的脫硫、脫氧以及控制夾雜物形態和分布的效果，提高了鋼的純凈度，降低了夾雜物對鋼種強度、韌性的影響。此外，采用Ti、Nb合金元素復合加入，利用其沉淀析出作用固定鋼中游離的C、N元素，提高了鋼板的韌性。本發明的生產方法采用鐵水脫硫技術，轉爐頂底吹煉，真空處理及連鑄工藝，按通常超純凈鋼工藝進行生產。依據Hall-Petch關系0y=oi+Kyd—1/2(式中oy為鐵素體屈服強度，Oi相當于單晶的屈服強度，Ky是與晶界結構有關的常數，d為鐵素體晶粒的平均直徑)可知，增大鐵素體晶粒尺寸能夠使屈服強度降低，而組織中晶粒尺寸的大小受化學成分、軋制工藝、熱處理加熱溫度和保溫時間等因素的影響。因此，本發明采用高溫快速軋制的工藝來促使鋼板晶粒增大，鋼坯加熱溫度控制在1200123(TC，加熱速率控制在814min/cm，鋼的開軋溫度控制在11001200°C，控軋末三道累計壓下率3050%，終軋溫度控制在85089(TC。最后采用加防護罩冷卻或者堆垛冷卻等方式緩慢冷卻至室溫，以促進晶粒進一步長大，所得鋼產品的屈服強度在140180MPa之間的極低范圍。如果此時鋼產品的屈服強度高于上述設計范圍要求的上限時，則可將鋼產品進一步采用退火熱處理，退火溫度控制為78083(TC，保溫時間控制為基本的3040min，再跟據鋼板厚度適當延長(鋼板厚度每增加lmm，加熱時間延長lmin)，即保溫時間控制在(3040)min+板厚(mm)Xlmin/mm能較好地促進鐵素體晶粒增大，獲得足夠低的屈服強度，然后采用加防護罩冷卻或者堆垛冷卻等方式緩慢冷卻至室溫。本發明的抗震建筑鋼室溫下為單一的鐵素體組織，晶粒尺寸大，具有良好的沖擊韌性和冷熱加工性能以及優良的焊接性能和減震性能，適用于各種鋼結構建筑以及其它具備減震性能要求的低合金鋼結構及裝置。同時，本發明的生產方法工藝簡單，合金化成本低，并且利用本發明方法生產的鋼產品屈服強度范圍控制在40Mpa的較窄區域，較好地保障了生產的鋼產品具有穩定的性能。具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明的屈服強度160MPa級抗震建筑鋼及其生產方法作進一步的詳細描述。表1列出了本發明實施例15的抗震建筑鋼化學成分重量百分含量(余量為Fe及不可避免在雜質)，以及市售普通建筑鋼的成分重量百分含量(余量為Fe及不可避免在雜質)。表1:成分CSiMnPsMgNbTiAl其他實施例10.0020.0090.100.0090.0020.0020.0300.020N:0.001實施例20.0030.0220.220.0100.0030.0040.0220.0500.030N:0.002實施例30.0050.0300.500.0090.0030.0070.0100.0700.050N:0.003<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>對上述實施例15中的鋼材按通常超純凈鋼工藝進行生產，通過鐵水脫硫、轉爐頂底吹煉、真空處理時添加Mg合金進行合金化、連鑄、熱軋、冷卻至室溫。在熱軋時，鋼坯加熱溫度控制在12001230°C，加熱速率控制在814min/cm，鋼的開軋溫度控制在1100120(TC，控軋末三道累計壓下率3050%，終軋溫度控制在850890°C;對實施例15鋼軋制鋼板的規格依次為18mm、20mm、35mm、30mm、20mm。最后，采用加防護罩冷卻或堆垛冷卻的方式緩慢冷卻至室溫。對其中屈服強度高于180MPa的鋼產品，再采用退火處理，退火溫度控制在780830。C，保溫時間控制在(3040)min+板厚(mm)Xlmin/mm，再重復采用加防護罩冷卻或堆垛冷卻的方式緩慢冷卻至室溫。對表1所述實施例15的抗震建筑鋼產品和對比鋼14進行屈服強度、沖擊韌性、延伸率等力學性能以及夾雜物級別采用國標方法進行測試，測試結果見表2。表2:<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>通過表2的數據可以看出，本發明抗震建筑鋼產品的屈服強度極低在140180MPa之間的極低范圍，其沖擊韌性比普通鋼更優異，延伸率表現極好均超過45%，并且本發明抗震建筑鋼夾雜物主要為氧化物，夾雜物級別低，鋼質純凈，晶粒度集中在4.5級左右，晶粒尺寸容易控制。試驗表明，本發明的鋼板具有良好的抗震性能、焊接性能及冷熱加工性能。本發明抗震建筑鋼可進行手弧焊、埋弧焊或氣體保護焊等方法的焊接，用于建造各種鋼結構建筑、塔架以及其它具備減震性能要求的低合金鋼結構及裝置，可在地震時首先屈服，有效地吸收地震波，有效降低地震或其他劇烈振動帶來的損壞作用，避免結構主體的破壞。權利要求一種屈服強度160MPa級抗震建筑鋼，其化學成分按重量百分數計為C0.002～0.005、Si≤0.03、Mn0.10～0.50、P≤0.010、S≤0.005、Mg0.002～0.007、Ti0.020～0.070、Nb0.010～0.030、N0.001～0.003、Al≤0.050，其余為Fe及不可避免的夾雜。2.—種權利要求1所述屈服強度160MPa級抗震建筑鋼的生產方法，包括鐵水脫硫、轉爐吹煉、真空處理、連鑄、熱軋、冷卻處理的步驟，其特征在于所述真空處理步驟中，添加Mg合金進行合金化處理，使鋼中組分滿足所述重量百分比的要求；所述熱軋步驟中，鋼坯加熱溫度控制在1200123(TC，加熱速率控制在814min/cm，開軋溫度控制在1100120(TC，控軋末三道累計壓下率3050%，終軋溫度控制在850890°C。3.根據權利要求2所述的屈服強度160MPa級抗震建筑鋼的生產方法，其特征在于所述冷卻處理步驟之后還設有退火處理步驟，退火溫度控制在78083(TC，保溫時間控制在(3040)min+板厚(mm)Xlmin/mm，退火完畢后再重復冷卻處理的步驟。4.根據權利要求2或3所述的屈服強度160MPa級抗震建筑鋼的生產方法，其特征在于所述冷卻處理步驟中，采用加防護罩冷卻或堆垛冷卻的方式緩慢冷卻至室溫。全文摘要本發明公開了一種屈服強度160MPa級抗震建筑鋼及其生產方法。該鋼的化學成分按重量百分比計為C0.002～0.005、Si≤0.03、Mn0.10～0.50、P≤0.010、S≤0.005、Mg0.002～0.007、Ti0.020～0.070、Nb0.010～0.030、N0.001～0.003、Al≤0.050，其余為Fe及不可避免的夾雜。其生產方法包括鐵水脫硫、轉爐吹煉、真空處理、連鑄、熱軋、冷卻等步驟。在鋼產品屈服強度高于180MPa時，所述冷卻步驟之后還設有退火處理步驟。實驗證明，本發明的屈服強度160MPa級抗震建筑鋼具有屈服強度低、延伸率高及沖擊韌性優良的特點，并且其生產方法工藝簡單，生產成本低。文檔編號B21B37/74GK101775541SQ201010123669公開日2010年7月14日申請日期2010年3月9日優先權日2010年3月9日發明者習天輝,劉文斌,卜勇,張開廣,童明偉,芮曉龍,董中波,董漢雄,鄒德輝,郭斌,陳先猛,陳曉申請人:武漢鋼鐵(集團)公司