专利名称：：一种-40℃至-60℃低温冲击韧性热轧h型钢及其制备方法
技术领域：
：本发明涉及热轧状态下具有特殊用途的H型钢，特别涉及高于国家标准低于-40°C要求达到-60°C温度低温冲击韧性要求的低成本H型钢及其制备方法。
背景技术：
：H型钢是一种新型经济结构用钢。H型钢截面形状经济合理，力学性能好，轧制时截面上各点延伸较均勻、内应力小，与普通工字钢比较，具有截面模数大、重量轻、节省金属的优点，可使建筑结构减轻3040%；又因其腿内外侧平行，腿端是直角，拼装组合成构件，可节约焊接、铆接工作量达25%。常用于要求承截能力大，截面稳定性好的大型建筑(如厂房、高层建筑等)，以及桥梁、船舶、起重运输机械、设备基础、支架、基础桩等。H型钢能明显地省工省料，减少原材料、能源和人工的消耗，残余应力低，外观和表面质量好；工程施工速度快，占地面积小，且适合于全天候施工，受气候条件影响小。用热轧H型钢制作的钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的23倍，资金周转率成倍提高，降低财务费用，从而节省投资。由于我国幅员辽阔、地理条件的独特性，具有南北纬度差异、东西海拔差异较大等等特点，在高纬度、高海拔地区，结构用钢对冲击韧性的要求需要达到-60°C左右；另外在海上石油平台建设、极地开发、军事用途等等特殊使用方面都有要求热轧H型钢满足-60°C冲击韧性要求；按照欧标生产的结构钢热轧产品要求_50°C冲击功，例如按照按EN10027-1和CR10260生产的钢种钢种S275NL、S355NL系列，S275ML、S355ML、S420ML、S460ML系列要求-50°C冲击功；日标SLA325、SLA365等钢号要求-55°C冲击功。获得热轧保证低温冲击韧性H型钢产品的技术手段，目前主要有两种途径，一种是通过轧钢过程中控轧控冷实现细晶强化，达到保证低温冲击韧性的目的；另一种是通过添加保证低温冲击韧性的镍、钼等合金成分达到低温冲击韧性高目的。这两种途径都存在的明显的不足，控轧控冷细晶强化工艺在生产中非常难以控制，对轧机要求高、温度控制难以实现而且合格率较低，同时对生产节奏影响大，不适合连续批量生产；第二种途径是添加大量镍、钼合金使低温冲击韧性大幅度降低，但是由于镍钼成本太高，经济生产难以实现。在采取硼铌微合金复合工艺后，低温冲击韧性满足了-40°C性能要求，但是对于低于-40°C低温要求的低温冲击韧性热轧H型钢，不能满足性能要求。寻求生产一种低于-40°C至-60°C低温冲击韧性稳定而且生产成本低廉的H型钢非常重要，且具有重大经济与社会效益，对中国H型钢产品的完善，对我国由钢铁大国向钢铁强国转变具有重大现实意义。目前要求低于-40°C至_60°C低温冲击韧性要求的热轧H型钢一般为低合金高强度结构钢，其中以Q345级别应用较广，高于Q345级别的其他低合金高强度结构钢也有应用。以Q345级别为例说明，Q345具有综合力学性能好，焊接性能、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，C、D、E级钢要求具有良好的低温韧性，例如GB/T1591-94要求Q345E钢纵向低于-40°CAkv^27J。目前，对Q345级别低合金高强度结构钢主要采取铌、钒、钛微合金化和控轧控冷相结合的工艺提高钢材综合性能，特别是低温冲击韧性。其强化机制是沉淀强化和细晶强化，后者对韧性也是有益的。在Q345级别H型钢的实际工业生产过程中，经铌、钒、钛单一或组合微合金化和控轧控冷工艺后，低于-40°CAkv波动较大且合格率不高。H型钢由于形状比较复杂，成型过程基本确定，不易改变道次变形量，因而多采用控制轧制温度及轧后控制冷却，考虑到轧机负荷的限制和控制冷却的复杂性，通过控轧控冷工艺提高钢材性能的可操作性较低。
发明内容针对现有技术的不足，本发明提供一种低于_40°C直至60°C低温冲击韧性热轧H型钢及其制备方法，本发明适用于低于-40°C直至-60°C低温冲击韧性热轧H型钢及制备方法。发明概述通过改变Q345以上级别热轧H型钢的化学成分，改善显微组织，从而提高Q345以上级别H型钢的力学性能，特别是低温冲击性能。以金属强韧化为目标，在Q345钢的基础成分上加入硼元素与镍元素来改善Q345级别以上钢种的低温冲击韧性。发明详述本发明以不需要专门热处理的Q345级别以上热轧H型钢作为基础，结合实际炼钢控制能力和产品质量考虑，通过在钢种成分基础上优化钢质成分，获得一种具有良好低温冲击韧性的H型钢，技术方案如下一种-40°C-60°C低温冲击韧性热轧H型钢，钢成分重量百分比如下(％)C0.010.20，Mn0.801.70，Si0.010.55，P彡0.020，S彡0.020，Nb0.0100.070，Ni0.300.90，B0.00030.0080，余量为Fe和微量杂质。优选的，钢成分重量百分比如下(％)C0.100.18，Mn1.001.40，Si0.100.40，P彡0.015，S彡0.015，Nb0.0150.060，Ni0.300.70，B0.00050.0025，余量为Fe和微量杂质。优选的，钢成分重量百分比如下(％)C0.120.16，Mn1.201.35，Si0.150.30，P彡0.015，S彡0.010，Nb0.0150.030，B0.00050.0020，余量为Fe和微量杂质。优选的，钢成分重量百分比如下(％)<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table><formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>余量为Fe和微量杂质。一种-40°C-60°C低温冲击韧性热轧H型钢制备方法，其特征在于，钢成分重量百分比为(％):C0.010.20,Mn0.801.70，Si0.010.55,P^0.020，S彡0.020，Nb0.0100.070，Ni0.300.90，B0.00030.0080,余量为Fe和微量杂质。冶炼过程中，控制钢中气体含量〔N〕^40ppm,(O)^60ppm；连铸坯采用近终端异型连铸钢坯或者矩形钢坯；调整连铸保护与冷却工艺，使用改进后的大包水口加厚密封圈，浇注过程实行全过程保护浇注；大包下渣检测报警模式采用最高级别，开启水口自动关闭功能，报警后立即关闭水口，防止下渣；中间包采用碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖；三个流均采用ST-SP/BM-HM保护渣；二冷水表根据生产断面选择，避免表面裂纹产生；轧钢加热温度控制在12001260°C，轧钢初轧温度控制11001150°C，终轧温度控制在850920°C之间的奥氏体区，轧后采用空冷至室温。优选的，所述_40°C_60°C低温冲击韧性热轧H型钢制备方法中，上述钢成分重量百分比为(％):C0.080.20，Mn1.001.60，Nb0.0150.070，B0.00050.0080,Si0.100.55，P<0.015，S<0.015，Ni0·300·90，Β0.00030.0080，余量为Fe和微量杂质。优选的，冶炼过程中，控制钢中气体含量〔N〕控制在彡0.0035%，(O)控制在彡0.0050%。本钢种的冶炼和轧制过程中，其它工艺和参数都可以使用现有技术的方法进行。经实验标明，通过加入极少量的硼，能显著影响材料的性能，微量硼对钢材韧性存在有利作用。为了尽量减小加入的硼对轧制工艺的影响，本发明将硼含量保守地限定在0.0003%—0.0080%范围内。微量硼对钢材韧性的有利作用(1)抑制磷、硫偏析和沿晶断裂沿晶偏析的硼能降低磷、硫在晶界的偏析及引起的沿晶断裂，显著提高低温韧性，这是由于硼抑制了磷、硫对晶界的弱化和硼自身能提高晶界结合力的结果。(2)改善夹杂物的形态和分布加硼处理后，由于硼是表面活性元素，吸附在硫化物、氧化物表面，阻止夹杂进一步长大，使夹杂变得细小、圆整，均勻分布于晶界，基本上消除了II型夹杂在晶界偏聚，强化了晶界，减小了局部应力集中，抑制了裂纹萌生，降低了裂纹扩展速度，使材料韧性提高。(3)增加铌的作用，进一步细化晶粒硼加入铌钢中，增加了对奥氏体再结晶的阻力，这主要来自于应变诱导的硼偏聚。由于硼可以减小铌的晶界扩散系数，所以硼加入铌钢后增加了铌对晶界的拖曳作用。硼和铌的微合金复合对再结晶的阻碍也来源于Nb、B复合物的形成，这样的复合物存在于新晶界上，增加了铌原子的溶质拖曳作用力，减小了界面迁移速度和再结晶驱动力。这将有利于进一步细化晶粒。(4)加硼有利于降低连铸坯的化学不均勻性、细化柱状晶体，最终形成最佳的金相组织(如细散珠光体)，同时减轻时效硬化作用。(5)镍加镍(Ni)能够使钢强化，改善钢的低温性能，特别是韧性，还可以提高钢的淬透性。图1是实施例1各钢种Akv_t曲线。横坐标为温度，单位。C；纵坐标为，单位J。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。GB/T1591-94规定的Q345化学成分(熔炼分析)(％)C彡0.18，Mn1.001.60，Si彡0.55，P彡0.025，S彡0.025，V0.020.15，NbO.0150.060，Ti0.020.20，Al彡0.015，余量为Fe和微量杂质。碳是钢中最重要的成分，碳量增加钢中珠光体量增加，会使50%FATT上升。因此在生产中为提高材料的韧性往往采用在该钢种允许的成分范围内降低碳含量，由此产生的强度下降则由增加成分中锰含量来弥补。锰是很重要的合金化元素。锰能扩大奥氏体相区，使A4点升高、A3点下降。由于A3温度下降，使先共析铁素体在更低的温度下析出而细化。同样，由于A3温度下降，抑制了碳化物在过冷奥氏体晶界上析出，使钢保持较高的塑性，并降低钢的韧性-脆性转变温度，因此，锰也是低温钢中的主要合金元素。硅是我国低合金钢中主加元素。硅在钢中不形成碳化物而固溶于铁素体，固溶强化作用很强，仅次于碳、氮、磷而超过其他元素，从而显著地提高钢的强度和硬度，同时降低钢的韧性，提高脆性转化温度。磷是钢中的有害杂质。由于其偏析倾向严重，在比较少的含量状态就可以造成危害。磷对钢铁材料的低温性能非常有害，目前普遍认为磷是引起钢的低温脆性的主要元凶。磷在钢中的偏析倾向比较严重，造成带状组织，使钢的力学性能不均勻，特别是那些低温用钢、海洋用钢和抗氢致裂纹钢要求含磷量小于0.01%或者0.005%。硫是绝大多数钢种中(除易切削钢外)的有害杂质。硫在钢中的偏析系数在所有元素中最大，若偏析在晶界，会引起低温沿晶断裂和高温脆化。增加夹杂物颗粒，易于造成夹杂物裂纹，使工艺性能和使用性能都受到损害。对于航空用钢、石油和天然气输送管线钢、海上采油平台用钢等，必须严格控制硫含量，以保证必要的韧性。铌、钒、钛目前在控轧中大量使用的微合金元素，特别是铌对提高材料的强韧性有突出的作用。使之在钢中形成碳、氮及碳氮化合物，利用在不同的条件下产生溶解和析出机理起抑制晶粒长大以及产生沉淀强化作用，在控制轧制中，前者尤为重要。其作用表现在(1)加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大；(2)在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；(3)在低温时起到析出强化的作用。铝作为脱氧剂使用。硼硼在钢中的应用主要集中在微量硼提高钢(ULCB钢和热处理钢)的淬透性上，通过获得均勻的具有良好的综合力学性能的组织(下贝氏体或回火索氏体等)来提高钢的韧性；微量硼提高耐热钢的高温强度和蠕变性能，改善不锈钢和耐热钢的热加工性能；在低碳钢中加硼，硼含量为传统硼钢的35倍，其轧钢控冷工艺采用缓冷，而未采用传统硼钢的强冷工艺，其目的是降低钢的加工硬化性能，而不是提高其强韧性；在高硼合金钢中则是利用硼形成的硼化物提高材料的耐磨性；硼对铸态组织、晶界结合力和夹杂物的形态和分布也有影响。镍国内外的研究表明，镍(Ni)能够使钢强化，改善钢的低温性能，特别是韧性，还可以提高钢的淬透性。表1由不同合金元素提高的屈服强度和抗拉强度的平均比值<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2合金元素对工业纯铁强度和韧性的影响<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>*炉冷为130，空冷为300.查阅国内外的文献得到，低于低于-40°C的工况多采用镍系列低温钢，并且在低于-4(T-60°C的情况下，低温用钢一般采用0.5Ν钢。其性能指标均能够达到，-60°C时冲击功AKV大于27J的要求。实施例1硼镍合金Q345H型钢，钢成分重量百分比如下(％)C^O.18,Mn1.001.60，Si彡0.25，P彡0.020，S彡0.010，Nb0.0100.070，Ni0.300.70，B0.00030.0060，余量为Fe和微量杂质。按上述Q345钢优化成分熔炼试验用钢。工艺流程铁水预处理一120吨复吹转炉—LF精炼一异型坯连铸(全程保护浇注)一加热一除鳞一轧制一冷却；转炉冶炼注意控制钢中P含量，LF精炼控制钢中夹杂物含量，降低钢中气体含量〔0〕^50ppm,〔N〕^35ppm；连铸坯采用近终端异型连铸钢坯或者矩形钢坯，连铸采用全保护浇铸；使用改进后的大包水口加厚密封圈，浇注过程实行全过程保护浇注；包下渣检测报警模式采用最高级别，开启水口自动关闭功能，报警后立即关闭水口，防止下渣；中间包采用碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖；三个流均采用ST-SP/BM-HM保护渣；二冷水表根据生产断面选择，避免表面裂纹产生；控制铸坯冷却，轧钢加热温度控制在12001260°C，轧钢初轧温度控制11001150°C，控制终轧温度850920°C之间，轧后冷床空气冷却至室温。试验钢实际化学成分如下表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>冲击试验采用夏比V型冲击试样，长度方向沿轧制纵向，开槽方向垂直于轧制面。用光学显微镜观察金相组织。用电子探针观察冲击断口形貌。如上所述，试验轧制的Q345钢低温冲击性能良好，无论是常温还是低温冲击功都得到了显著提高，加入适当硼镍合金，并控制好气体含量，可以进一步降低Q345钢的脆性转变温度，从而有效地解决H型钢低温冲击韧性过低的问题。从说明书附图1中可以看到采用本发明生产的硼镍合金H型钢，冲击韧性转变曲线趋于平缓，没有明显的脆性转变温度，低温冲击性能稳定，尤其是-50°C以上冲击值稳定性高。本发明可大幅提高Q345以上级别H型钢的低温冲击韧性，低于-40°C_60°C冲击韧性Akv大于27J，产品质量更易于保证。成分优化过程中已尽可能考虑了实际工业生产的控制能力，而且在当前一些贵重的合金元素价格不断上涨的情况下，用相对低廉的硼来代替贵重合金元素，用硼镍复合作用来提高低温冲击韧性有更大的意义和吸引力。权利要求一种-40℃～-60℃冲击韧性硼镍合金H型钢，其特征在于，钢成分重量百分比如下(％)C0.01～0.20，Mn0.80～1.70，Si0.01～0.55，P≤0.020，S≤0.020，Nb0.010～0.070，Ni0.30～0.90，B0.0003～0.0080，余量为Fe和微量杂质。2.如权利要求1所述-40°C-60°C冲击韧性硼镍合金H型钢，其特征在于，钢成分重量百分比如下(％)C0.100.18,Mn1.001.40，Si0.100.40，P≤0.015，S≤0.015，Nb0.0150.060，Ni0.300.70，B0.00050.0025，余量为Fe和微量杂质。3.如权利要求1所述的-40°C-60°C冲击韧性硼镍合金H型钢，其特征在于，钢成分重量百分比如下(％)C0.120.16,Mn1.201.35，Si0.150.30,P≤O.015,S≤O.010，Nb0.0150.030，B0.00050.0020，余量为Fe和微量杂质。4.一种-40°C-60°C冲击韧性硼镍合金H型钢的制备方法，其特征在于，钢成分重量百分比为(％):C0·010·20，Μη0·801·70，Si0.100.55，P≤0.020，S≤0.020，Nb0.0100.070，Ni0.400.90，B0.00030.0080，余量为Fe和微量杂质；冶炼过程中，控制钢中气体含量〔N〕≤0.004%,(O)≤0.0060%;连铸坯采用近终端异型连铸钢坯或者矩形钢坯；调整连铸保护与冷却工艺，使用大包水口加厚密封圈，浇注过程实行全过程保护浇注；大包下渣检测报警模式采用最高级别，开启水口自动关闭功能，防止下渣；中间包采用碱性覆盖剂结合碳化稻壳进行覆盖；三个流均采用ST-SP/BM-HM保护渣；二冷水表根据生产断面选择，避免表面裂纹产生；轧钢加热温度控制在12001260°C，轧钢初轧温度控制11001150°C，终轧温度控制在850920°C之间的奥氏体区，轧后采用空冷至室温。5.如权利要求4所述的_40°C-60°C冲击韧性硼镍合金H型钢的制备方法，其特征在于，钢成分重量百分比为(%):C0.080.20，Mn1.001.60，Nb0.0150.070，B0.00050.0080，Si0.100.55,P≤0.015，S≤0.015,Ni0.300.90,B0.00030.0080，余量为Fe和微量杂质。6.如权利要求4所述的-40°C_60°C冲击韧性硼镍合金H型钢的制备方法，其特征在于，冶炼过程中，控制钢中气体含量〔N〕控制在≤0.0035%,〔0〕控制在≤0.0050%。全文摘要本发明涉及一种低于-40℃～-60℃低温冲击韧性热轧H型钢及其制备方法，其特征在于，钢成分重量百分比为(％)C≤0.20，Mn0.80～1.70，Si≤0.55，P≤0.020，S≤0.020，Nb0.010～0.070，Ni0.30～0.90，B0.0003～0.0080，余量为Fe和微量杂质。冶炼过程中，控制钢中气体含量〔N〕≤40ppm，〔O〕≤60ppm。连铸坯采用近终端异型连铸钢坯或者矩形钢坯。本发明适用于低于-40℃直至-60℃低温冲击韧性热轧H型钢及制备，经试验与生产，V型试样低于-40～-60℃冲击性能稳定超过27J。在稳定提供性能基础上，本发明具有节约合金用量，成本低廉的特点。文档编号C22C38/12GK101812632SQ20091001949公开日2010年8月25日申请日期2009年11月3日优先权日2009年11月3日发明者仝丽珍,冯伟,刘军,季春生,朱宝晶,杜传治,王作成,王协斌,王学新,王晓,董昌兴,赵修领,郝少锋,马文,高俊庆申请人:莱芜钢铁股份有限公司