CN102418037A - 具有抗层状撕裂性能的热轧h型钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢及其生产方法。根据本发明的制造H型钢的方法，不采用Al脱氧，而是在出钢过程中向钢液中添加Si以将钢液中的Si调整至占钢液总重量的0.10％～0.15％来进行硅镇静脱氧，然后向钢液中加入预定量的Ti和Zr中的至少一种，其中，钢种需要的Si含量可以在精炼时补加。根据本发明的热轧H型钢具有抗层状撕裂性能，能够满足一定的厚度方向的Z向性能要求，可应用于高层建筑、大跨度场馆等钢结构工程领域。
Description
技术领域
本发明属于金属压力加工领域，具体地讲，本发明涉及一种具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢及其制造方法。
背景技术
抗层状撕裂性能钢又称Z向钢，它主要采用钢板厚度方向拉伸试验的断面收缩率Z来评价抗层状撕裂能力。为保证钢构件的安全性，对于厚度大于15mm的钢材，只要结构件产生沿板厚方向的拉力或疲劳应力，一般都需要进行Z向性能检查，即对厚度方向上的抗层状撕裂能力进行检验。
对于H型钢而言，其力学分布合理、断面截面系数大、承载能力大，便于拼装与铆焊，因此，H型钢作为一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，已经得到了广泛的应用。随着社会进步及科技发展，各种高层建筑、超高层建筑及各种特殊用途的建筑物越来越多，由此对建筑用钢的各项性能要求也越来越高，特别是在建筑物受力情况复杂时，对建筑用钢的Z向性能提出了要求，以保证建筑结构的稳定性、安全性。
目前的抗层状撕裂钢产品主要是板材，对于要求具有抗层状撕裂性能要求的H型钢产品全部采取焊接方法获得。然而，在焊接过程中，焊接热影响区及焊缝的性能指标的降低在所难免。而且，加工焊接过程也要产生一定的费用，同时焊缝位置的性能测定、探伤均需要费用，同时延长了施工工期。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种满足抗层状撕裂性能要求的热轧H型钢及其生产方法。
根据本发明的一方面，提供了一种具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢的制造方法，该方法包括的步骤为：采用转炉或电弧炉将铁水、废钢或者铁水和废钢经熔炼后出钢，其中，在出钢过程中向钢液中添加Si以将钢液中的Si调整至占钢液总重量的0.10％～0.15％来进行硅镇静脱氧；然后，向钢液中加入预定量的Ti和Zr中的至少一种，接着进行钢包精炼并根据钢种成分的需要补加Si，随后通过连铸制得铸坯；然后，将钢坯加热到1150℃～1300℃并保温一段时间；利用万能轧机将铸坯热轧成H型钢，最后空冷，从而得到所述热轧H型钢。
根据本发明，仅使用Si镇静脱氧，以保持钢的熔炼化学成分Als＜0.010wt％。
根据本发明，使用Si镇静脱氧后加入的Ti和Zr中的至少一种的含量占钢水总重量的0.0001％～0.030％。
根据本发明的另一方面，提供了一种根据上面所述的制造方法制造的具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢，其中，所述热轧H型钢的化学成分按重量百分比计为：0.06％～0.20％的C、0.10％～0.50％的Si、0.4％～1.6％的Mn、少于等于0.025％的P、少于等于0.010％的S、少于等于0.06％的Nb、少于等于0.15％的V、0.0001％～0.030％的Ti和/或Zr、少于0.010％的Als，余量为Fe及不可避免的杂质。
根据本发明的热轧H型钢具有优异的抗层状撕裂性能，能够满足一定的厚度方向的Z向性能要求，可应用于高层建筑、大跨度场馆等钢结构工程领域。
具体实施方式
根据本发明，H型钢中的主要合金元素含量的设定及制造方法依据以下原理：由于铸坯中心偏析、夹杂物或有害元素的影响会导致钢材厚度方向抗层状撕裂性能降低，因此，本发明解决钢板撕裂缺陷的关键在于采用Si镇静法调整冶炼过程的钢液中溶解氧的含量，然后添加适量Ti、Zr或Ti-Zr合金进行处理，对钢中不可避免存在的杂质进行有效变质，以形成颗粒细小、弥散分布且呈圆形的夹杂物，并且消除集中分布、颗粒较大(一般直径≥5μm)的有害夹杂物，同时，降低钢坯中心偏析程度、提高钢材质量，避免钢材使用过程中出现厚度方向的层状撕裂现象。
另外，本发明利用硅镇静钢液，且通过在精炼开始将Si的前含量控制在0.10wt％-0.15wt％以调节钢液中的溶解氧含量，使之与加入的Ti、Zr或Ti-Zr合金钢反应形成细的足够多的复合氧化物粒子，作为晶内铁素体形核的质点加以利用；同时对钢中硫化物进行有效变质，变有害夹杂物为无害夹杂物，提高钢的抗撕裂性能。因此，根据本发明的制造H型钢的方法，与现有的方法不同，不采用Al脱氧，而是仅使用Si镇静脱氧，即，在出钢过程中通过添加Si来镇静钢水进行脱氧。此外，钢种需要的Si含量可以在精炼时补加。
下面将详细地描述根据本发明的具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢的制造方法。
根据本发明，具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢的制造方法包括顺序执行的以下步骤：采用转炉或电弧炉将铁水、废钢或者铁水与废钢经熔炼后出钢，其中，在出钢过程中向钢液中添加Si以将钢液中的Si调整至占钢液总重量的0.10％～0.15％来进行硅镇静脱氧，然后，向钢液中加入预定量的Ti和Zr中的至少一种，接着进行钢包精炼并根据钢种成分的需要补加Si，随后通过连铸制得铸坯；然后，将钢坯加热到1150℃～1300℃并保温一段时间；利用万能轧机将铸坯热轧成H型钢，最后空冷，从而得到根据本发明的H型钢。
根据本发明，使用Si镇静脱氧合金化，不采用含Al材料进行脱氧与合金化，保持钢的熔炼化学成分Als＜0.010wt％。根据本发明，使用Si镇静脱氧，出钢过程按0.10wt％～0.15wt％的熔炼成分加入Si，然后加入0.00010wt％～0.030wt％的Ti、Zr或Ti-Zr合金，钢种的Si可根据需要在精炼过程补加。这里，可以分别以Ti线和Zr线中的至少一种的形式加入Ti和Zr中的至少一种，然而，本发明不限于此。例如，根据本发明的一个实施例，可以分别以Fe-Ti合金、Fe-Zr合金或Fe-Ti-Zr合金的形式向Si镇静脱氧后的钢中加入Ti和Zr中的至少一种。
此外，根据本发明，将铸坯的均热温度控制在1150℃～1300℃，时间约为2小时。在利用万能轧机将铸坯热轧成H型钢的过程中，开轧温度控制为1100±50℃，终轧温度控制在830℃～950℃。根据本发明，在轧后空冷的步骤中，轧后自然冷却至常温的时间约为2小时。
通过本发明的上述方法制造的H型钢，能够满足抗层状撕裂性能的要求，其中，这种热轧H型钢的腹板、翼缘沿厚度方向的拉伸断面收缩率Z可以达30％以上。根据本发明的一个实施例，通过上述制造的H型钢的翼缘沿厚度方向的拉伸断面收缩率Z可以在33％～51％之间。
根据本发明的具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢，其化学成分按重量百分比计为：0.06％～0.20％的C、0.10％～0.50％的Si、0.4％～1.6％的Mn、少于等于0.025％的P、少于等于0.010％的S、少于等于0.06％的Nb、少于等于0.15％的V、0.0001％～0.030％的Ti和/或Zr、少于0.010％的Als，余量为Fe及不可避免的杂质。
下面将说明根据本发明的热轧H型钢的化学成分限定在上述范围内的原因。
本发明的H型钢在使用过程中对力学性能、冲击韧性、焊接性能和Z向性能(即抗层状撕裂性能)有较高的要求。根据这些使用要求，本发明对钢种成分、生产工艺进行了优化设计。
根据低合金高强度钢的设计理念，现代焊接结构要求低合金高强度钢有较低的碳当量。为了控制碳当量，保证良好的焊接性能，碳含量控制在0.06wt％～0.20wt％的范围内，锰含量控制在0.4wt％～1.6wt％的范围内。这样既可以达到以较低成本实现根据本发明的H型钢的力学性能要求，又可以保证良好的焊接性能。
P含量主要影响钢的塑性，容易形成“冷脆”，S主要影响钢的冲击韧性和韧-脆转变温度，另外，钢中硫化物夹杂影响钢的各向异性，导致Z向性能的降低。因此，将S含量严格控制在0.010wt％以下，将P含量严格控制在0.025wt％以下，从而减少夹杂物，提高钢的塑韧性。
Nb、V是强碳、氮化合物形成元素，能够起到强烈的强化作用。同时Nb可以延迟变形奥氏体再结晶，细化铁素体晶粒，提高钢板的强韧性。因此，根据本发明的H型钢中根据钢材的强韧性能要求可以添加少于等于0.150wt％的V、少于等于0.060wt％的Nb中的至少一种，从而提高H型钢产品的各项性能。
铝(Al)是炼钢过程常用的脱氧元素，具有脱氧能力强的特点，同时具有细化晶粒的作用。为了提高钢的纯净度和调整晶粒度，通常对钢液进行铝脱氧时，在熔炼过程的早期阶段添加铝进行脱氧并使产生的Al2O3上浮分离，从而提高钢液的洁净度，这主要是以降低钢液的氧浓度和还原作为初始脱氧产物的氧化物为目的。然而，其中作为脱氧产物的部分Al2O3仍会残存于钢液中，由于Al2O3容易团聚，造成产品探伤不合格；而且，铝脱氧的钢液在浇铸成型过程容易造成水口堵塞。因此，根据本发明，使用Si镇静脱氧合金化，而不采用含Al材料进行脱氧与合金化，并且保持钢的熔炼化学成分Als＜0.010wt％，以使钢液中的溶解氧保持在合理的水平，而不是过低。
下面将结合实施例对本发明作进一步的描述。这些示例只是出于举例说明的目的，而非意图限制本发明的范围。
实施例1
利用近终型异型坯生产热轧H型钢，该近终型异型坯的化学成分为：0.11wt％的C、0.19wt％的Si、1.33wt％的Mn、0.007wt％的Ti、0.004wt％的Zr、0.036wt％的Nb、0.012wt％的P、0.006wt％的S、小于0.003wt％的Als，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的生产工艺如下：采用转炉将铁水经炼钢后出钢，在出钢过程中将钢液中的Si调整到0.12wt％；然后，向钢液中加入预定量的Fe-Ti-Zr合金，接着进行钢包精炼并根据近终型异型坯的化学成分及其含量补加部分硅铁，将钢水温度调整到出钢温度进行连铸，然后进行热轧。
热轧工艺是，将铸坯加热至1250℃±30℃，均热约2小时后进行热轧，轧制出规格为H900×300×14×26mm的H型钢，轧后空冷。
本实施例所制造的H型钢的屈服强度为420MPa，翼缘位置的Z向性能大于39％。
实施例2
利用近终型异型坯生产热轧H型钢，该近终型异型坯化学成分及其含量是：0.16wt％的C、0.27wt％的Si、1.49wt％的Mn、0.010wt％的Ti、0.013wt％的V、0.019wt％的P、0.007wt％的S、小于0.005wt％的Als，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的生产工艺如下：采用转炉将铁水经炼钢后出钢，在出钢过程中将钢液中的Si调整到0.10wt％；然后，向钢液中加入预定量的Fe-Ti合金，接着进行钢包精炼并根据近终型异型坯的化学成分及其含量补加部分硅铁，将钢水温度调整到出钢温度进行连铸，然后进行热轧。
热轧工艺是，铸坯加热至1250±30℃，均热约2小时后进行热轧，轧制出规格为H600×300×14×23mm的H型钢，轧后空冷。
本实施例所制造的H型钢的屈服强度为365MPa，翼缘位置的Z向性能大于36％。
实施例3
利用矩形坯生产热轧H型钢，该矩形坯化学成分及其含量是：0.15wt％的C、0.34wt％的Si、1.41wt％的Mn、0.011wt％的Ti、0.032wt％的Nb、0.015wt％的P、0.009wt％的S、痕迹量的Als，余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例的生产工艺如下：采用转炉将铁水经炼钢后出钢，在出钢过程中将钢液中的Si调整到0.15wt％；然后，向钢液中加入预定量的Ti线，接着进行钢包精炼并根据近终型异型坯的化学成分及其含量补加部分硅铁，将钢水温度调整到出钢温度进行连铸，然后进行热轧。
热轧工艺是，铸坯加热至1260±30℃，均热约2小时后进行热轧，轧制规格为H400×200×8×13mm的H型钢，轧后空冷。
本实施例所制造的H型钢的屈服强度为465MPa，翼缘位置的Z向性能33％以上。
因此，根据本发明的H型钢具有化学成分简单、易于控制、生产成本低、工艺过程简单的特点，所制造的这种热轧H型钢具有抗层状撕裂性能，能够满足一定的厚度方向的Z向性能要求，可应用于高层建筑、大跨度场馆等钢结构工程领域。
本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施例进行各种变型和修改。
Claims (4)
1.一种具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢的制造方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：采用转炉或电弧炉将铁水、废钢或者铁水和废钢经熔炼后出钢，其中，在出钢过程中向钢液中添加Si且将钢液中的Si调整至占钢液总重量的0.10％～0.15％，以进行硅镇静脱氧；然后，向钢液中加入预定量的Ti和Zr中的至少一种，接着进行钢包精炼并根据钢种成分的需要补加Si，随后通过连铸制得铸坯；然后，将钢坯加热到1150℃～1300℃并保温一段时间；利用万能轧机将铸坯热轧成H型钢，最后空冷，从而得到所述热轧H型钢。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于仅使用Si镇静脱氧，以保持钢的熔炼化学成分Als＜0.010wt％。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于使用Si镇静脱氧后加入的Ti和Zr中的至少一种的含量占钢水总重量的0.0001％～0.030％。
4.一种根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的制造方法制造的具有抗层状撕裂性能的热轧H型钢，其特征在于所述热轧H型钢的化学成分按重量百分比计为：0.06％～0.20％的C、0.10％～0.50％的Si、0.4％～1.6％的Mn、少于等于0.025％的P、少于等于0.010％的S、少于等于0.06％的Nb、少于等于0.15％的V、0.0001％～0.030％的Ti和/或Zr、少于0.010％的Als，余量为Fe及不可避免的杂质。
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