CN107604248A - 一种高强度q500gjd调质态建筑结构用钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板，该钢板的化学成分为C0.10‑0.15%，Si0.20‑0.50%，Mn1.10‑1.60%，P≤0.015%，S≤0.005%，Cr0.10‑0.30%，Mo≤0.30%，Ni+Mo：0.15‑0.90%，Cu≤0.30%，Al0.02‑0.04%，V0.030‑0.080%，Ti0.01‑0.02%，V+Nb+Ti≤0.12%，N≤0.006%；其碳当量≤0.52%的Q500GJD牌号。本申请涉及‑交货状态为QT(调质）的Q500GJD建筑结构用钢板，屈服强度540‑580MPa，抗拉强度670‑710MPa，伸长率≥18%；屈强比≤0.82，‑20℃V型冲击功≥100J的高强度建筑用钢板产品。

Description

一种高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及特种钢冶金技术领域，尤其是一种Q500GJD调质态建筑结构钢板及其制造方法。

背景技术

高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程用的结构钢GJ有严格的要求，其是以区别于其他用途钢种的特殊钢种存在的，建筑行业对建筑结构钢的分类也格外具体和分明，不同的牌号有不同的用途。

2016年11月实施的《建筑结构用钢板》(GB/T 19879-2015)，比GB/T 19879-2005版新增加了多个高强度牌号如Q500GJ、Q550GJ等。这说明我国近年来的高层建筑用钢板应用越来越多，在未来不远的高层建筑、超高层建筑、大跨度体育场馆、机场、会展中心以及钢结构厂房等大型建筑工程方面，仅有高强度如420MPa、460MPa级的建筑用钢板，已不能满足建筑行业发展要求。该标准的出台将有助于促进企业研发高于Q460GJ 以上牌号的建筑结构用钢板。

现有技术中，相关强度的Q500钢板目前只能在机械设备钢中才有，但是机械设备用钢又远达不到建筑行业的使用要求，如屈强比、冲击功，抗震能力都无法满足建筑结构用钢。

中厚板的生产工艺，按交货状态划分，主要有常规热轧、TMCP、热处理三种主要工艺。目前，广泛采用的TMCP工艺，与常规热轧相比，由于采用控制轧制和控制冷却手段，虽然生产能耗增加，但产品性能显著提高。然而，TMCP工艺的实施，必须依赖钢中微合金化元素Nb、V、Ti等的加入。Nb、V、Ti等微合金元素资源属于不可常再生资源。而热处理工艺主要通过温度控制实现对钢中微观组织的分布、形态、体积分数等方面的控制，进而达到控制钢材综合性能的目的，热处理成为保证钢材性能主要手段，几乎不依赖合金元素的添加。在这种情况下，热处理比TMCP工艺更具有先进性；且经热处理的钢材性能均匀，稳定、性能匹配良好。

公告号CN103556075B的发明“一种调质高强度Q500D特厚钢板生产方法”是采用300mm连铸坯生产100-120mm特厚板，用铸坯轧制+调质热处理。钢板应用于矿山、港口大型设备的生产。公告号CN103556074B的发明“一种调质高强度Q500E特厚钢板的生产方法”是采用铸坯轧制+调质热处理的生产工艺，生产Q500E的100-120mm特厚钢板，也属于矿山、港口大型机械制造用钢，它与本发明的Q500调质态高建的不同之处在于：1)应用领域不同。属于矿山、港口大型机械制造用钢。2)生产工艺复杂，轧制周期性长。如“轧制中粗轧阶段，使用轧机除鳞高压水连续对板坯空过道次冷却…，板坯表面温度900-950℃时，每道次开高压水冷却轧件…”。这种边轧边冷却的方式，不利于大压下量的轧制；且轧件内部与表面存在的温差较大时，大变形也有可能产生轧件组织不均。3)增加了生产工序。如“在线淬火”+离线淬火。4)低压缩比：300mm连铸坯生产100-120mm特厚板压缩比仅为2.5-3.0，无法保证获得相应性能的组织。

GB/T 19879-2015的标准针对建筑结构用钢要求，开发高强度Q500GJ系列中的新产品，简化生产工艺，缩短生产周期，降低生产成本是本领域技术人员的研发重点。

发明内容

本发明的目的是开发一种高强度调质态的Q500GJ系列中的新产品Q500GJD，简化生产工艺，缩短生产周期，降低生产成本，同等要求下，建筑结构重量更轻。

本发明的技术方案为：一种高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为，C：0.10-0.15％，Si：0.20-0.50％，Mn：1.10-1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：0.10-0.30％，Mo：≤0.30％不包含0，Ni+Mo：0.15-0.90％， Cu：≤0.30％，Al：0.02-0.04％，V：0.030-0.080％，Ti：0.01-0.02％，V+Nb+Ti≤0.12％， N≤0.006％余量为铁及不可避免的杂质元素；其碳当量≤0.52％的Q500GJD牌号。

本申请涉及的建筑钢板厚度12-40mm，交货状态为QT(调质)的Q500GJD建筑结构用钢板，钢板的组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒度8.0级以上。其屈服强度 540-580MPa，抗拉强度670-710MPa，伸长率≥18％；屈强比≤0.82，-20℃V型冲击功≥100J(标准是≥47J)的高强度建筑用钢板产品。其综合性能完全能满足GB/T 19879-2015和高层建筑用钢板的客户要求。

本发明设计的冶炼成分各元素的主要作用:

C:C元素在Fe中形成间隙固溶体的溶质元素，其固溶强化效果大于其它元素在Fe中形成置换式固溶体的溶质元素。C在钢的组织中以渗碳体或珠光体形式存在时能产生很大的相变强化，提高了强度。因此，本发明将材料中的C含量控制为0.10-0.15％。

Mn:Mn元素在Fe中形成置换式固溶体的溶质元素；Mn主要具有“固溶强化效果，增加对钢的韧性有显著影响”等多种机制。因此，本发明将材料中的Mn含量控制为 1.1-1.6％。

S：在微低合金钢中，S的含量提高将使钢的塑性、韧性下降；因此，优选S含量尽可能低。

Nb:Nb能在低合金钢加热时阻止晶粒长大；在轧制过程中通过应变诱导，析出Nb的碳化物沉淀在晶界和位错上，阻止奥氏体形变再结晶，达到细化晶粒；能改善钢的显微组织，提高性能。

V：V除了具备Nb元素特性外，Nb-V复合加入时，其强度比单独加Nb的高。还可使奥氏体晶粒进一步细化，使冷却后的铁素体晶粒更细小，有利于韧性的改善。

Ti:它是强化固N元素。在复合低微合金钢中，N将优先与Ti形成TiN。TiN阻止加热时奥氏体晶粒粗化的作用比Nb(CN)大；利用高温析出的TiN和VN阻止奥氏体再结晶晶粒粗化。

Si:Si在钢中不形成碳化物。但它在铁中的固溶度较大，能显著强化铁素体，其固溶强化效果高于Mn。但Si较高时，强度增加，但韧性下降。故控制Si含量为0.20-0.50％。

Cr:它是中等碳化物形成元素。溶入铁素体中的Cr，产生固溶强化，并可提高钢的淬透性，提高钢的强度。因此，其含量控制为0.10-0.30％。

Ni:它是非碳化物形成元素。以固溶形式存在于钢中，与Cr配合用时可提高钢的淬透性；同时有利于降低材料的脆性转变温度，提高材料的冲击性能。

Mo:Mo存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用，并可提高钢的淬透性。Ni、Mo都是比较贵的金属，本发明将材料中的Ni、Mo含量之和控制为0.15-0.90％。

碳在钢的组织中以渗碳体或珠光体形式存在时能产生很大的相变强化，提高了强度，尤其是对抗拉强度贡献更显著，有利于本发明产品的屈强比；但对产品的韧性不利。因此，化学成分设计时，既要考虑产品碳当量限制性，又要顾及其产品的综合性能要求；所以，碳元素含量不宜加入过高。强度缺失的部分，或屈强比偏高的部分，可通过加入适量的微合金元素如铌、钒、铝、镍等，和选择合适的轧制工艺；将化学成分和控制工艺结合起来能起到沉淀强化、固溶强化、细化晶粒、改善钢的内在组织，降低材料的脆性转变温度；又能提高力学性能。达到有利于屈强比低、冲击韧性好的目标。

上述高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板的制造方法：冶炼原料依次采用转炉底(顶)吹冶炼，全程吹氩，LF炉脱氧、脱硫、去除夹质、调整成分及温度的精炼和 RH炉脱气工序冶炼符合化学成分要求的钢水；接下来的生产工序如下

(1)采用宽厚板连铸机生产150mm～370mm坯料，其连铸工艺主要参数：过热度为10～45℃，铸机拉速0.5～1.3m/min；使用动态二冷工艺，水比量为0.5～1.0L/kg；凝固未端采用动态轻压下、电磁搅拌；坯料长度按合同订单钢板尺寸的组坯规则，将坯料定尺；坯料下线堆缓冷24小时以上；将精整合格的坯料按生产计划发送轧钢车间；

(2)坯料加热：加热炉的预热段温度：500-850℃、加热一段温度：900-1100℃、加热二段温度：1130-1210℃、均热段温度：1160-1220℃；加热总时间≥10.5×H分钟， H为坯料厚度，单位：cm，为确保坯料加热均匀，坯料在炉内各段应匀速步进；

(3)坯料出炉后，采用粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮；粗除鳞包括精除鳞的水压≥20MPa；

(4)轧制分二阶段：粗轧和精轧，

粗轧的控制轧制：粗轧又包括奥氏体再结晶区控轧和奥氏体未再结晶区控轧，开轧温度≥980℃，粗轧道次中至少有2道次在轧机能力允许下，采用大压下量，目的是在高温奥氏体再结晶区轧制时，保证轧制变形量大于或等于15％，使奥氏体晶粒均匀；在未再结晶区轧制时，各道次压下率越大，变形带越容易产生，且在整体组织中容易均匀。为保证获得细小均匀的铁素体晶粒，控制奥氏体未再结晶区的总压下率≥40％，待温厚度≥60mm；

精轧的控制轧制：热处理后钢材的晶粒度大小，是以轧制后轧件的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒大小为基础。为确保控制轧制后的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，选择待温后开轧温度820-900℃，成品厚度≤12mm可不待温而直接轧制，终轧温度为780-830℃，精轧后三道累计压下率≥26％，轧成成品厚度；

(5)轧制完成后送热矫机矫平，轧件热矫温度≥500℃；之后送冷床自然冷却；冷却至300-400℃则下线堆缓冷，成品厚度≤12mm不堆缓冷，堆缓冷≥300℃，其堆缓冷≥36小时；

(6)表观质量检验，合格板转入热处理工序，热处理采用淬火+回火，淬火温度890-920℃，在炉时间1.9-2.4×H分钟，H为钢板成品厚度mm，水冷；回火温度640-680℃，在炉时间3.0-3.5×H分钟，H为钢板成品厚度mm，成品厚度≤12mm的回火在炉时间为15-30分钟；空冷至室温；探伤检验、钢板外观质量检验，理化性能检验、剪切或切割、入库。

为获得高强度、高韧性的钢板综合性能，本申请采用控轧和控冷(TMCP)工艺。控轧工艺又分为：奥氏体再结晶区控轧、奥氏体未再结晶区控轧、铁素体和珠光体(A+F) 二相区控轧，实现强度和韧性的双提高。尤其地，在未再结晶区轧制可能得到均匀细小的铁素体晶粒，也有可能得到粗细不均的混晶铁素体晶粒。为避免此种不利因素，在总变形量一定时，在轧机能力许可条件下，道次压下率越大，变形带越容易产生，且在整体组织中更容易均匀。因此，为保证获得细小均匀的铁素钵晶粒，需要在未再结晶区采用大压下量，总压下率≥40％较理想。

根据2016年11月实施的GB/T 19879-2015《建筑结构用钢板》，比GB/T 19879-2005版新增加了多个高强度牌号如Q500GJ、Q550GJ等，当前还没有企业批量生产Q500GJD 调质态的建筑用钢板产品。本发明率先采用150mm-370mm厚度连铸坯，经加热、二个阶段轧制，轧制中实行控制轧制，轧制完成后，经淬火+回火热处理，生产12-40mm厚度的Q500GJD建筑用钢板；钢板组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒度8.0级以上，屈服强度540-580MPa，抗拉强度670-710MPa，伸长率≥18％；屈强比≤0.82，-20℃ V型冲击功≥100J。

本申请采用调质热处理工艺后，能够简化化学成分，降低微合金元素的添加种类和添加量，降低原料成本，并有助于降低控轧生产的难度。与非调质热处理钢相比，本申请含有少量贝氏体，使产品具有较高的强韧性配合。

使用本产品可减轻建筑结构重量，降低建筑的建造成本，降低建筑的钢结构用材厚度，提高建筑的制造可靠性；

本发明属率先生产的产品；其厚度12-40mmQ500GJD产品的性能均匀、稳定，综合性能良好。当前还没有企业生产如本申请要求保护的Q500GJD建筑用钢板产品。

附图说明

图1为本发明实施例1的钢板金相组织图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

采用经过脱硫的铁水和优质废钢作为原料，转炉底(顶)吹冶炼，全程吹氩，LF 炉脱氧、脱硫、去除夹质、调整成分及温度的精炼和RH炉脱气工序；最终得到钢水的重量百分比为以Fe为基础元素并包含如下元素成分：C：0.10-0.15％，Si：0.20-0.50％， Mn：1.10-1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Cr：0.10-0.30％，Mo：≤0.30％，Ni+Mo： 0.15-0.90％，Cu：≤0.30％，Al：0.02-0.04％，V：0.030-0.080％，Ti：0.01-0.02％，V+Nb+ Ti≤0.12％，N≤0.006％余量为铁及不可避免的杂质元素；其碳当量≤0.52％的 Q500GJD。

经宽厚板连铸机恒温、恒速及合理的二冷工艺、凝固未端动态轻压下、电磁搅拌生产出150mm-370mm的连铸坯料。按合同订单钢板尺寸的组坯规则，将坯料定尺；坯料下线堆缓冷24小时以上。将精整合格的坯料按生产计划发送轧钢生产。加热工艺：加热炉的预热段温度：500-850℃、加热一段温度：900-1100℃、加热二段温度：1130-1210℃、均热段温度：1160-1220℃；加热总时间≥10.5×H分钟(H为坯料厚度，单位：cm)。为确保坯料的加热均匀，坯料在炉内各段应匀速步进。坯料出炉后采用粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮；粗除鳞、精除鳞水压≥20MPa。

获得高强度、高韧性的钢板综合性能，应采用控轧和控冷(TMCP)工艺。轧制分二阶段：粗轧控制轧制和精轧控制轧制。粗轧的控制轧制：开轧温度≥980℃，粗轧道次中至少有2道次在轧机能力允许下，采用大压下量；目的是在高温奥氏体再结晶区轧制时，保证压下量达到一定量，即轧制变形量大于或等于15％，使奥氏体晶粒均匀。在未再结晶区轧制时，各道次压下率越大，变形带越容易产生，且在整体组织中容易均匀。为保证获得细小均匀的铁素钵晶粒，在未再结晶区采用了其总压下率≥40％。待温厚度≥60mm (成品厚度≤12mm不待温)。

精轧的控制轧制：热处理后钢材的晶粒度大小，是以轧制后轧件的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒大小为基础。为确保控制轧制后的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，所以，选择待温后开轧温度820-900℃(成品厚度≤12mm不待温而直接轧制)，终轧温度为780-830℃；精轧后三道累计压下率≥26％。

轧制完成后送热矫机矫平，轧件热矫温度≥500℃；之后送冷床自然冷却；冷却至300-400℃则下线堆缓冷(成品厚度≤12mm不堆缓冷)，堆缓冷≥300℃，其堆缓冷≥ 36小时。表观质量检验，合格板转入热处理工序。淬火温度890-920℃，在炉时间1.9-2.4 ×H分钟(H—为钢板成品厚度,mm)，水冷；回火温度640-680℃，在炉时间3.0-3.5×H 分钟(H—为钢板成品厚度,mm)，成品厚度≤12mm，回火在炉时间为15-30分钟；空冷至室温。探伤检验、钢板外观质量检验，理化性能检验、剪切或切割、入库。

实例1：采用370mm厚的连铸坯料生产轧制40mm厚度钢板。用连铸坯370×2300×3200mm，轧制成品板40×2600×L(长度)mm。坯料冷装入加热炉，加热炉的预热段温度：650-700℃、加热一段温度：1000-1050℃、加热二段温度：1150-1200℃、均热段温度：1180-1220℃；加热总时间220分钟。经粗轧轧制，待温厚度88mm；待温后精轧机开轧温度820℃，经精轧机轧制，终轧温度810℃；经热矫机矫平；之后送冷床自然冷却，冷却至335℃时下线堆缓冷；经37小时堆缓冷后，进行钢板外观质量检验；合格板转入热处理工序。淬火温度910℃，在炉时间85分钟，水冷；回火温度670℃，在炉时间136分钟，空冷至室温。探伤、外观质量检验和取样、理化检验。理化性能检验结果见表1、金相组织(铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒度8.0级以上)如图1。

实例2：设计采用150mm厚的连铸坯料，生产轧制20mm厚度钢板。采用的连铸坯150×2400×3500mm，轧制成品板12×2800×L(长度)mm。坯料冷装入加热炉，加热工艺同实例1。经粗轧轧制到厚度65mm，送精轧机轧制，终轧温度795℃；轧制完成后轧件直送入热矫机矫平；送冷床自然冷却；然后精整、钢板外观质量检验；合格板转入热处理工序。淬火温度905℃，在炉时间25分钟，水冷；回火温度660℃，在炉时间27分钟，空冷至室温。探伤、外观质量检验和取样、理化检验。理化性能检验结果见表1。

性能检验结果表表1

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为，C：0.10-0.15%，Si：0.20-0.50%，Mn：1.10-1.60%，P：≤0.015%，S：≤0.005%，Cr：0.10-0.30%，Mo：≤0.30%不包含0，Ni+Mo：0.15-0.90%，Cu：≤0.30%，Al：0.02-0.04%，V：0.030-0.080%，Ti：0.01-0.02%，V+ Nb+ Ti≤0.12%， N≤0.006%余量为铁及不可避免的杂质元素；其碳当量≤0.52%的Q500GJD牌号。

2.根据权利要求1所述的高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板，其特征在于：钢板厚度12-40mm，交货状态为QT(调质）的Q500GJD建筑结构用钢板；其屈服强度540-580MPa，抗拉强度670-710MPa，伸长率≥18%；屈强比≤0.82，-20℃V型冲击功≥100J的高强度建筑用钢板产品。

3.根据权利要求1所述的高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板，其特征在于：铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒度8.0级以上。

4.一种制造权利要求1所述高强度Q500GJD调质态建筑结构用钢板的方法，其特征在于：冶炼原料依次采用转炉底（顶）吹冶炼，全程吹氩，LF炉脱氧、脱硫、去除夹质、调整成分及温度的精炼和RH炉脱气工序冶炼符合化学成分要求的钢水；接下来的生产工序如下

（1）采用宽厚板连铸机生产150mm～370mm坯料，其连铸工艺主要参数：过热度为10～45℃，铸机拉速0.5～1.3m/min；使用动态二冷工艺，水比量为0.5～1.0L/kg；凝固未端采用动态轻压下、电磁搅拌；坯料长度按合同订单钢板尺寸的组坯规则，将坯料定尺；坯料下线堆缓冷24小时以上；将精整合格的坯料按生产计划发送轧钢车间；

（2）坯料加热：加热炉的预热段温度：500-850℃、加热一段温度：900-1100℃、加热二段温度：1130-1210℃、均热段温度：1160-1220℃；加热总时间≥10.5×H分钟，H为坯料厚度，单位：cm，为确保坯料加热均匀，坯料在炉内各段应匀速步进；

（3）坯料出炉后，采用粗除鳞机和精除鳞机除去氧化铁皮；粗除鳞包括精除鳞的水压≥20MPa；

（4）轧制分二阶段：粗轧和精轧，

粗轧的控制轧制：粗轧又包括奥氏体再结晶区控轧和奥氏体未再结晶区控轧，开轧温度≥980℃，粗轧道次中至少有2道次在轧机能力允许下，采用大压下量，目的是在高温奥氏体再结晶区轧制时，保证轧制变形量大于或等于15％，使奥氏体晶粒均匀；为保证获得细小均匀的铁素体晶粒，控制奥氏体未再结晶区的总压下率≥40％，待温厚度≥60mm；

精轧的控制轧制：为确保控制轧制后的变形奥氏体晶粒和相变后的铁素体晶粒长大，选择待温后开轧温度820-900℃，成品厚度≤12 mm可不待温而直接轧制，终轧温度为780-830℃，精轧后三道累计压下率≥26％，轧成成品厚度；

（5）轧制完成后送热矫机矫平，轧件热矫温度≥500℃；之后送冷床自然冷却；冷却至300-400℃则下线堆缓冷，成品厚度≤12 mm不堆缓冷，堆缓冷≥300℃，其堆缓冷≥36小时；

（6）表观质量检验，合格板转入热处理工序，热处理采用淬火+回火，淬火温度890-920℃，在炉时间1.9-2.4×H分钟，H为钢板成品厚度mm，水冷；回火温度640-680℃，在炉时间3.0-3.5×H分钟，H为钢板成品厚度mm，成品厚度≤12 mm的回火在炉时间为15-30分钟；空冷至室温；探伤检验、钢板外观质量检验，理化性能检验、剪切或切割、入库。