專利名稱：高抗震建筑結構鋼及其生產工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有高抗震性能的建筑結構鋼，特別涉及主要成份含錳、硅、釩、鈦等元素的碳-錳低合金鋼，以及采用釩、鈦微合金化和控制軋鋼的生產工藝方法。
現行抗震設計用鋼，主要以鋼的靜強度為依據。但在強烈的交變地震載荷下，建筑物的破壞，首先是由建筑結構鋼的高應變低周疲勞破壞引起的。這既不同于靜載下的破壞，也不同于低應變高周疲勞破壞。因此，高應變低周疲勞是地震中建筑結構鋼的主要失效模式。
目前我國《建筑抗震設計規范》手冊(GBJ11-89)規定“縱向鋼筋宜采用Ⅱ、Ⅲ級變形鋼筋”，即包括20MnSi(Ⅱ級)、25MnSi(Ⅲ級)。而這類C-Mn鋼具有高的應變時效敏感性，在施工中受冷變形后，經過一定時間，發生自然時效，強度升高，塑性下降。預變形鋼筋剩余延性減少很多，塑性更顯著降低。混凝土剪力墻低周疲勞試驗表明，應變時效敏感的鋼使剪力墻的延性系數降低，載荷下降速度較快。
我國北方地震區，最低氣溫可達-40℃。北京每年有很長時間氣溫在0℃以下。但已用于北京長城飯店的25MnSiV鋼筋，在應變時效狀態下的韌脆轉變溫度在10℃以上。鋼材在韌脆轉變溫度以下，已處于冷脆狀態，此時如果發生強烈地震，很容易使鋼材發生冷脆斷裂，導致建筑物倒塌。
鋼筋需要焊接。通常認為，鋼的碳當量CE(C+1/6Mn)在0.40以下，有良好的可焊性;在0.50以上造成焊接困難。20MnSi的CE上限達0.52，25MnSi和25MnSiV上限達0.57。
鋼的強度與塑性的配合和高應變低周疲勞密切相關。強度高而塑性過低，如25MnSiV;或塑性高而強度過低，如A3，此二種情況高應變低周疲勞抗力都低。只有當強度與塑性指標的乘積達極大值時，方可獲得最佳的高應變低周疲勞性能，此時鋼材吸收地震能量的能力最大。
根據實踐經驗總結和實驗分析，建筑結構鋼的抗震性能指標應包括(1)高應變低周疲勞性能;(2)應變時效敏感性;(3)韌脆轉變溫度;(4)可焊性;(5)強度與塑性的配合。
現在常用建筑結構鋼抗震性能普遍較差。主要存在以下問題(1)應變時效敏感性較高(如20MnSi經應變時效后可使鋼的塑性(δ5)降低18-29%);(2)韌脆轉變溫度高達20℃以上(應變時效狀態)，在20℃以下，鋼材即處于冷脆狀態，-40℃aKV僅為5-8J/cm2(應為34J/cm2以上);(3)可焊性差，碳當量高達0.57(宜在0.45以下)，以致焊縫區成為薄弱環節，強震時極易導致早期斷裂;(4)強度過低或塑性過低，強度(σb)與塑性(σ5)之乘積為137-176MPa，鋼材吸收地震能量的能力較低;(5)高應變低周疲勞抗力差，最大交變應力幅值(σa max)與相應的循環應變范圍(△σt)之乘積為21.6-26.3MPa，對交變地震載荷的抗力低。
這些鋼抗震性能差的主要原因是(1)化學成分不當。鋼中C、Mn含量上限過高，20MnSi為C0.25、Mn1.60，25MnSi為C0.30、Mn1.60;(2)未加入對提高抗震性能有利的微量合金元素;(3)未用控制軋制工藝。
1985年，重慶大學和攀鋼曾共同研制含釩高強度抗震鋼筋22MnSiV。在新Ⅲ級鋼筋技術要求的基礎上，增加了對抗震性能的考慮，1992年7月經四川省冶金廳組織鑒定。這種鋼采用了釩微合金化，沒有用控制軋制工藝，鋼的抗震性能還存在以下問題(1)可焊性較差，碳當量上限達0.50;(2)應變時效敏感性仍達10.7%，應變時效后延伸率可低到20%。抗震綜合性能指標還不能滿足高抗震等級的要求。其原因是(1)鋼中C上限過高，Mn仍偏高，P、S上限也偏高;(2)釩的微合金化沒有與控制軋制相配合，未充分發揮微量釩的有利作用。
本發明的目的在于，針對上述現有技術存在的問題，提供一種具有高抗震性能的建筑結構鋼及其生產工藝方法。該鋼種的抗震性能指標達到(1)應變時效敏感性低于2.0%;(2)應變時效態韌脆轉變溫度降低到-40°以下;(3)碳當量上限降低到0.43，使鋼具有良好的焊接性能;(4)使鋼材具有較高的強度(σb)，也有較高的塑性(δ5)，兩者乘積(σb·δ5)達到200MPa;(5)提高對高應變低周疲勞抗力，σa max·△εt值高于34.0MPa。
為了達到上述發明目的，本發明的技術方案是(1)調整合金元素成分。①.在20MnSi基礎上，改進成分設計，利用V微合金化，抑制鋼的應變時效。含V量控制在鋼中含N量的7-9倍，即V0.04-0.08%，過多的V會升高韌脆性轉變溫度。②.再加微量Ti(0.01-0.03%)，細化晶粒，改善鋼中非金屬夾雜物形態及焊縫組織性能，以提高高應變低周疲勞性能。過多的Ti易形成形狀規則的Ti的化合物，促使疲勞裂紋的萌生與擴展。微量Ti還有抑制應變時效的作用;③.降低鋼中C含量到0.14-0.20%，④.降低Mn含量到1.10-1.40%，使鋼具有較高塑性和較低韌脆轉變溫度;⑤.降低碳當量，以保持較好的焊接性能。調整后的高抗震性能建筑結構鋼化學成分見表1。
表1 高抗震性能建筑結構鋼(代號GK94)的化學成分
(2)采用控制軋制技術。控制終軋溫度在780-830℃;在920-880℃以下的斷面縮減率大于50%，使應變誘導析出細小、彌散的化合物質點，以提高鋼的強度而不升高韌脆轉變溫度，并使鋼的鐵素體晶粒細化;在第一階段軋3-4道后，在空氣中冷待到900℃，再進行第二階段軋制，軋4-6道，將終軋溫度控制在830℃-780℃，從而使鋼的強度、塑性、韌性都得到提高，結果對交變地震載荷的抗力顯著提高。
附
圖1為GK94(表3No.2)φ20mm鋼筋放大400倍的金相組織，附圖2是放大40000倍的透射電鏡照片。附圖3為20MnSiφ20mm鋼筋放大400倍的金相組織，附圖4是在放大30000倍的透射電鏡照片。可見GK94的組織比20MnSi更細;經應變誘導析出的第二相質點數量更多，分布彌散。
本發明的一個實施例如下在20MnSi的基礎上，將化學成分進行改進。在鋼中加入微量V和Ti;降低C和Mn的含量;用常用的脫P、S技術，使P、S含量小于0.035%。鋼的冶煉，允許用不同的冶煉方法，但在加入V和Ti之前，充分脫氧。用55～65mm鋼坯軋制φ16mm-φ28mm鋼筋。用GD測溫儀按控制軋制工藝(表2)控制出爐溫度、第一階段軋制后冷待溫度和終軋溫度。根據表1和表2生產的φ20mm鋼筋，鋼的成分及常規機械性能見表3，測得的抗震性能見表4。
本發明的技術效果表明，“GK94”的綜合抗震性能遠優于現有各種建筑結構鋼。與目前最常用的20MnSi比較，高應變低周疲勞抗力提高35～36%，應變時效敏感性降低18-24%，應變時效態韌脆轉變溫度降低40℃，在-40℃的沖擊韌性(CVN)由8J/cm2提高到94J/cm2，碳當量降低17%，強度(σb)與塑性(δs)的乘積提高了29-30%。其常規性能均符合有關的國家標準和規范，軋成的鋼筋完全滿足GB1499-91鋼筋混凝土用熱軋帶助鋼筋Ⅲ級RL400級的性能要求，遠遠超過了《建筑抗震設計規范》手冊中有關結構材料的要求。
表3 “GK94”鋼筋的成份及常規機械性能
表4 “GK94”鋼筋的抗震性能<
>我國現有鋼廠設備都能生產這種鋼，不需要增加投入。鋼筋生產成本，只比20MnSi增加3%。由于各項性能的提高，按靜強度設計要求，比20MnSi節約鋼材用量19%(20MnSi為RL335級，“GB94”屬于RL400級)。對建設單位，不僅可節約鋼材，且可減少施工工作量。
我國7度以上地震區總面積有312平方公里，占全國總面積的32.5%。按近年建筑鋼材在我國鋼材總產量中所占比例計算，對這種鋼的年需求量在500萬噸以上，因而具有廣闊的推廣應用前景。
權利要求
1.一種高抗震建筑結構鋼，其特征在于由C、Mn、Si、V、Ti、P、S等元素組成，其含量范圍(%)為C0.14-0.20Si0.30-0.70Mn1.10-1.40V0.04-0.08Ti0.01-0.03P≤0.035S≤0.035。
2.一種實施權利要求1所述的高抗震建筑結構鋼的工藝方法，其特征是1)在20MnSi的基礎上，對化學成分進行了調整和改進;①利用V微合金化，使含V量控制在鋼中含N量的7-9倍，即V0.04-0.08%;②再加微量Ti(0.01-0.03%);③鋼中C含量降低到0.14-0.20%;④鋼中Mn含量降低到1.10-1.40%;⑤采用常用的脫P、S技術適當降低P、S含量均到≤0.035%;⑥在加入微合金元素V和Ti之前，充分脫氧冶煉;2)采用控制軋制技術①出爐溫度為1150℃;②對軋制φ16～28mm的鋼筋分二階段軋制第一階段軋制，軋制道次為3-4次，然后在空氣中冷卻到920-880℃;第二階段軋制，軋制道次為4-6次，使斷面縮減率大于50%。③終軋溫度控制在830-780℃。
全文摘要
一種高抗震性能的建筑結構鋼及其生產工藝，主要特征是采用了V微合金化抑制鋼的應變時效，再加入微量的Ti，提高鋼的高應變低周疲勞性能，同時適當調整了C、Mn等元素含量，改進了成分設計。生產工藝上主要采用控制軋制技術，使鋼的強度、塑性、韌性都得到提高。該結構鋼具有較高的綜合抗震性能，可作為抗震建筑結構鋼取代目前廣泛應用的20MnSi等鋼種。
文檔編號C22C38/14GK1105395SQ9411194
公開日1995年7月19日 申請日期1994年10月22日 優先權日1994年10月22日
發明者龔士弘, 盛光敏 申請人:重慶大學