抗拉强度≥ 600MPa 的热轧 U 型钢板桩用钢及其生产方法 【技术领域】
本发明涉及一种钢板桩用钢及其生产方法， 具体属于抗拉强度≥ 600MPa 的热轧 U 型钢板桩用钢及其生产方法。背景技术
钢板桩作为一种新型环保建筑钢材， 在国外广泛应用于码头、 堤防护岸、 挡土墙、 船坞、 断流、 建桥围堰等工程中。 近年来， 欧洲各国和韩国、 美国等国家都积极开发和推广应 用， 使钢板桩生产得到快速发展， 消费量逐年增加。 目前， 全球钢板桩的年消费量已达到 250 万 -300 万吨， 其中日本约 80 万吨、 欧美约 140 万吨。然而， 这一新型环保建筑钢材在我国 目前生产还是空白， 与国外存在很大差距。 有关专家认为， 推广使用钢板桩有利于适应中国 水工及基础施工建筑领域发展的新需求。
钢板桩的基本结构 ： 一是钢制板桩， 二是两边系接头结构， 三是在地里或水中构成 墙壁。由于它的特殊结构， 因而具有独特的优点 ： 高强度、 轻型、 隔水性能好 ； 耐久性强， 使 用寿命达到 20-50 年 ； 可重复使用， 一般可使用 3-5 次 ； 环保效果显著， 在施工中可大大减 少取土量和混凝土的使用量， 有效保护土地资源 ； 具有较强的救灾抢险的功能， 尤其是在防 洪、 塌方、 塌陷、 流沙的抢险救灾中， 见效特别快 ； 施工简单， 工期缩短， 建设费用较省。 此外， 钢板桩能处理并解决挖掘过程中出现的一系列问题 ； 使用钢板桩能提供必要的安全性， 而 且 ( 救灾抢险的 ) 时效性较强 ； 能降低对空间的要求 ； 不受天气条件的制约 ； 在使用钢板桩 的过程中， 能简化检查材料或系统性能的复杂程序 ； 保证其适应性， 互换性良好。在做深基 坑支护及深海打桩时， 其要承受巨大剪切力， 因此要求钢板桩具有高的强度及高的韧性。 所 以， 为了满足深基坑支护及深海打桩时需求， 开发高强高韧热轧 U 型钢板桩成为必须。
在公开的标准 BS EN 1993-5 ： 2007、 美标 A 572/A 572M-07、 JIS A 5528 ： 2006 和 中 国 国 家 标 准 GB/T 20933-2007 最 大 抗 拉 强 度 只 有 430MPa， 在做深基坑支护及深 海打桩时难以满足要求。在本发明前， 仅有日本申请的专利 (JP20020123465 ： 发明人 YOKOYAMAHIROYASU， etc)“一种具有良好性能的钢板桩” 。该专利公开其抗拉强度高于 510MPa， 总延伸量高于 17％， 其不足之处在于， 生产时采用了大量的贵重合金 Mo、 Ti、 Al、 Nb、 V 等元素， 无疑增加了生产成本， 削弱了产品市场竞争力， 不宜于推广。 发明内容
本发明的目的在于解决上述在此技术领域用钢存在的不足， 提供一种具有高的强 度及高的韧性， 满足了热轧钢板桩作为深基坑支护及深海打桩时需求， 耐久性强， 使用寿命 长， 并能重复使用的抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢及其生产方法。
实现上述目的的技术措施 ：
抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 其化学成分及重量百分比为 ： C 0.31 ～ 0.50％、 Mn 1.0 ～ 2.0％、 Si 0.10 ～ 0.60％、 P ≤ 0.02％、 S ≤ 0.02％、 TAl 0.01 ～ 0.06％， Nb 0.015 ～ 0.035％， Ti 0.005 ～ 0.030％， 其余为 Fe 及不可避免的杂质。其在于 ： Nb 的重量百分比为 0.02 ～ 0.03％。
其在于 ： Ti 的重量百分比为 0.01 ～ 0.025％。
一种生产抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢的方法， 其步骤 ：
1) 进行冶炼 ： 控制其出钢温度在 1660 ～ 1680℃ ；
2) 进行转炉精炼 ： 控制其精炼时间在 20 ～ 50 分钟 ； 在转炉精炼结束前 5 ～ 10 分 钟时， 按照 20 ～ 30 公斤 / 吨钢加入 Si-Ca 线 ；
3) 进行连铸 ： 控制浇铸温度在 1580 ～ 1595℃， 电磁搅拌始终， 控制连铸坯端面尺 寸在 ： 280 ～ 380 毫米 ×320 ～ 420 毫米 ；
4) 将连铸坯加热到 1150 ～ 1300℃ ；
5) 进行轧制 ： 控制压缩比在 18 ～ 40， 控制钢的致密度不低于 98％。
本发明中各合金元素的作用及机理 ：
C： C 是决定钢强度的主要元素， 是形成珠光体的主要物质， 碳化物在钢中的形态 和多少决定钢的硬度和强度， 即随着 C 含量的增加钢的强度、 硬度增加， 而钢的塑性和韧性 下降。所以 C 含量不宜太高， 而碳是提高强度最有效的元素， C 含量不宜过低。因此， 将C含 量控制在 0.20 ～ 0.50％范围内。 Mn ： Mn 主要固溶于铁素体中以提高材料的强度， 其又是良好的脱氧剂和脱硫剂， 含有一定量的锰可以消除或减弱钢因硫引起的脆性， 从而改善钢的加工性能。但当锰含量 较高时， 有使钢晶粒粗化的倾向， 冶炼浇铸和轧后冷却不当时， 容易使钢产生白点， 因此 Mn 含量不易太高。故 Mn 含量控制在 1.0 ～ 2.0％范围内。
Si ： Si 在钢中不形成碳化物， 是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中， 显著 提高钢的弹性极限， 故 Si 含量不宜过高， 其控制在 0.10 ～ 0.60％范围内。
S、 P： S、 P 是强烈的裂纹敏感性元素， 因而应尽可能的低， S 含量过高， 会形成大量 的 MnS， MnS 在钢液凝固时易在晶界析出， 在热轧时被轧成带状夹杂， 降低了钢材的延展性 及韧性， 因此 S 含量越低越好， S 含量控制在≤ 0.020％。P 能够提高低温脆性转变温度， 使 钢的低温冲击性能大幅下降， 因此一般要求 P ≤ 0.020％。
TAl ： TAl 是用作炼钢时的脱氧定氮剂， Al 与钢中的 N 形成细小难熔 AlN 质点， 这些 细小弥散分布的难熔化合物起阻抑作用， 进而细化铁素体晶粒， Al 的含量过低， 细化铁素体 晶粒作用不明显， Al 的含量过高， 会使钢液的流动性降低， 形成的大量 Al2O3 会在水口处结 瘤， 从而堵塞水口。因此将 TAl 含量控制 0.010 ～ 0.060％范围内。
Nb ： 铌是本钢中重要的微合金化元素， 其提高强度的机理是细晶强化和沉淀强化， 细化晶粒， 提高强度但不降低钢的低温冲击韧性， 通过析出物的钉扎作用， 抑制奥氏体在轧 制过程中的晶粒长大。 但铌降低钢的高温热塑性， 从而增加了含铌钢铸坯的热裂倾向， 因此 含量不宜过高， 其控制含量在 0.015％～ 0.35％。
Ti ： 钛可产生强烈的沉淀强化及中等程度的晶粒细化作用。 钛的化学活性很强， 易 与钢中的 C、 N、 O、 S 形成化合物， 为了降低钢中固溶 N 含量， 通常采用微钛处理固定钢中的 N。TiN 可有效组织奥氏体晶粒在加热过程中的长大， 起直接强化作用。在含铌钢中加入微 量的钛， 可改善铌的热塑性， 使铸坯产生裂纹的敏感性减小。本发明采用微钛处理， 钛控制 在 0.005 ～ 0.030％范围内。
本发明抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 完全满足了热轧钢板桩作为深基
坑支护及深海打桩时需求， 耐久性强， 使用寿命长， 即可达 20 ～ 50 年， 并能重复使用， 其生 产工艺简单， 利于推广。 具体实施方式
实施例 1
抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 其化学成分及重量百分比为 ： C 0.31％、 Mn1.0％、 Si 0.10％、 P ≤ 0.02％、 S ≤ 0.02％、 TAl 0.01％， Nb 0.015％， Ti 0.005％， 其余 为 Fe 及不可避免的杂质。
一种生产抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢的方法， 其步骤 ：
1) 进行冶炼 ： 控制其出钢温度在 1660 ～ 1665℃ ；
2) 进行转炉精炼 ： 控制其精炼时间在 20 分钟 ； 在转炉精炼结束前 5 分钟时， 按照 20 公斤 / 吨钢加入 Si-Ca 线 ；
3) 进行连铸 ： 控制浇铸温度在 1580 ～ 1585℃， 电磁搅拌始终， 控制连铸坯端面尺 寸为 ： 280 毫米 ×320 毫米 ；
4) 将连铸坯加热到 1150 ～ 1165℃ ；
5) 进行轧制 ： 控制压缩比为 18， 控制钢的致密度为 98％。
实施例 2
抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 其化学成分及重量百分比为 ： C 0.36％、 Mn1.2％、 Si 0.19％、 P ≤ 0.02％、 S ≤ 0.02％、 TAl 0.018％， Nb 0.02％， Ti 0.01％， 其余 为 Fe 及不可避免的杂质。
一种生产抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢的方法， 其步骤 ：
1) 进行冶炼 ： 控制其出钢温度在 1665 ～ 1670℃ ；
2) 进行转炉精炼 ： 控制其精炼时间在 30 分钟 ； 在转炉精炼结束前 6 分钟时， 按照 22 公斤 / 吨钢加入 Si-Ca 线 ；
3) 进行连铸 ： 控制浇铸温度在 1585 ～ 1590℃， 电磁搅拌始终， 控制连铸坯端面尺 寸为 ： 300 毫米 ×350 毫米 ；
4) 将连铸坯加热到 1180 ～ 1195℃ ；
5) 进行轧制 ： 控制压缩比为 25， 控制钢的致密度为 98.5％。
实施例 3
抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 其化学成分及重量百分比为 ： C 0.41％、 Mn1.5％、 Si 0.3％、 P ≤ 0.02％、 S ≤ 0.02％、 TAl 0.031％， Nb 0.025％， Ti 0.018％， 其余 为 Fe 及不可避免的杂质。
一种生产抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢的方法， 其步骤 ：
1) 进行冶炼 ： 控制其出钢温度在 1670 ～ 1680℃ ；
2) 进行转炉精炼 ： 控制其精炼时间在 40 分钟 ； 在转炉精炼结束前 7 分钟时， 按照 25 公斤 / 吨钢加入 Si-Ca 线 ；
3) 进行连铸 ： 控制浇铸温度在 1590 ～ 1595℃， 电磁搅拌始终， 控制连铸坯端面尺 寸为 ： 340 毫米 ×X365 毫米 ；
4) 将连铸坯加热到 1205 ～ 1225℃ ；5) 进行轧制 ： 控制压缩比为 32， 控制钢的致密度为 99％。
实施例 4
抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 其化学成分及重量百分比为 ： C 0.46％、 Mn1.75％、 Si 0.45％、 P ≤ 0.02％、 S ≤ 0.02％、 TAl 0.049％， Nb 0.03％， Ti 0.025％， 其 余为 Fe 及不可避免的杂质。
一种生产抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢的方法， 其步骤 ：
1) 进行冶炼 ： 控制其出钢温度在 1660 ～ 1670℃ ；
2) 进行转炉精炼 ： 控制其精炼时间在 45 分钟 ； 在转炉精炼结束前 8.5 分钟时， 按 照 28 公斤 / 吨钢加入 Si-Ca 线 ；
3) 进行连铸 ： 控制浇铸温度在 1580 ～ 1590℃， 电磁搅拌始终， 控制连铸坯端面尺 寸为 ： 360 毫米 ×390 毫米 ；
4) 将连铸坯加热到 1255 ～ 1270℃ ；
5) 进行轧制 ： 控制压缩比为 36， 控制钢的致密度为 99.3％。
实施例 5
抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢， 其化学成分及重量百分比为 ： C 0.5％、 Mn 2.0％、 Si 0.6％、 P ≤ 0.02％、 S ≤ 0.02％、 TAl 0.06％， Nb 0.035％， Ti 0.03％， 其余 为 Fe 及不可避免的杂质。 一种生产抗拉强度≥ 600MPa 热轧 U 型钢板桩用钢的方法， 其步骤 ：
1) 进行冶炼 ： 控制其出钢温度在 1665 ～ 1675℃ ；
2) 进行转炉精炼 ： 控制其精炼时间在 50 分钟 ； 在转炉精炼结束前 10 分钟时， 按照 30 公斤 / 吨钢加入 Si-Ca 线 ；
3) 进行连铸 ： 控制浇铸温度在 1580 ～ 1590℃， 电磁搅拌始终， 控制连铸坯端面尺 寸为 ： 380 毫米 ×420 毫米 ；
4) 将连铸坯加热到 1290 ～ 1300℃ ；
5) 进行轧制 ： 控制压缩比为 40， 控制钢的致密度为 100％。
本发明钢的力学性能试验结果列入表 1。
上述实施例的产品钢经检测， 其力学性能结果见下表 1
表1： 产品的性能检验结果
实施例 1 2 3 4 5
Rm 660 758 650 770 785A(％ ) 26 24 28 23 20Z(％ ) 18 17 20 16 15钢致密度 99.5％ 100％ 99.8％ 98.8％ 98％压缩比 18 28 25 32 40从表 1 中可以看出， 本发明的产品完全能满足热轧钢板桩作为深基坑支护及深海 打桩时强度及韧性需求。6