CN103147001A - 一种耐火的船体结构用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐火的船体结构用钢,其组分及重量百分比含量为:C:0.061%~0.19%,Si:0.45%~0.75%,Mn:0.10%~0.50%,P≤0.020%,S≤0.010%,Al:0.055%~0.15%,Ti:0.041%~0.075%,O[T]:0.0020%~0.0080%;生产步骤:冶炼;经对铸坯常规加热后进行控制轧制,控制终轧温度在725℃~885℃;空冷至温。本发明在化学成分简单,易控制的前提下,在600℃环境中持续时间3.5~4.0小时,钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的75%,且成本较低,适宜规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及结构钢及其生产方法,具体地属于一种内高温结构用钢及其生产方法,确切地为能够在600℃高温下钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的75%的船体结构用钢及其生产方法。
背景技术
巨型客轮、大型油船、海洋钻井平台、远洋船舶、舰艇火灾事故时有发生,造成人员生命、财产损失,有的还严重破坏了区域海洋生态环境。
传统的客轮、油船、海洋钻井平台、远洋船舶多采用普通船体结构钢建造,这些钢材耐火性能差,随着温度的升高其强度急剧下降,在短时间内发生坍塌,极易造成人员伤亡。如果采用耐火钢板建造,即使发生火灾,耐火钢结构也不会在短时间内垮塌,着火区域人员有足够的时间逃离险境,而且可以赢得救援时间,减少人员、生态和财产损失。
经检索,中国专利申请号为201010276585.1专利文献,公开了“一种490级别建筑结构用耐火钢板及其制造方法”,其钢板化学成分的重量百分比为:C0.02%~0.10%、Si0.05%~0.40%、Mn0.50%~1.40%、Nb0.010%~0.040%、Ti0.010%~0.040%、Als0.010%~0.050%、Cr0.10%~0.50%、Mo0.05%~0.22%、B0.0005%~0.0020%。其制造方法是:钢坯加热温度1100~1280℃,第一阶段终轧温度不小于980℃;第二阶段轧制开始温度970~850℃,再结晶区轧制积累变形量大于60%,终轧温度750~900℃;在终轧和开始冷却之间保留30~120秒;之后进行控制冷却,开冷温度为700~850℃,终冷温度为700~400℃;最后将钢板快速堆垛缓冷,堆垛温度650~300℃,保温时间为10~24小时。可获得良好且均匀的板型和性能,延伸率A%≥20%,屈强比Rel(或Rp0.2)/Rm≤0.8。该专利文献的不足在于化学成分中含Cr,这是因为在服役温度高于500℃时,Cr与C的析出相会迅速集聚长大,与基体失去共格关系,产生大的空洞,即裂纹,高温强度会快速下降,失去耐火性能;另外其成形轧制过程较为复杂,控制参数较多,降低钢材成材率,增加生产成本。
检索到的中国专利申请号为200780032737.X的专利文献,公开了一种 “高温强度、韧性和耐再热脆化特性优异的耐火钢材及其制造方法”,其化学成分以质量%计,含有C:0.001%~0.030%、Si:0.05%~0.50%、 Mn:0.4%~2.0%、Nb:0.03%~0.50%、Ti:0.005%以上且不到0.040%、 N:0.0001%以上且不到0.0050%、Al:0.005%~0.030%,P、S分别限制为P:0.03%以下、S:0.02%以下,且满足C-Nb/7.74≤0.005、2≤Ti/N≤ 12,其余量由Fe以及不可避免的杂质组成。类似另一项中国专利申请号为200880011610.4的专利文献,公开了一种“高温强度和韧性优良的钢材及其制造方法”,其组分及含量为C:0.001~0.030%、Si:0.05~0.50%、Mn:0.40~2.00%、Nb:0.03~ 0.50%、Ti:0.005~低于0.040%、N:0.0008%~低于0.0050%,将P、S的含量限定为P:0.03%以下、S:0.02%以下,余量为Fe及不可避免的杂质;满足C-Nb/7.74≤0.004,以30~300个/mm2的密度具有粒径为0.05~10μm 的Ti系氧化物。该两项专利文献的不足在于钢中添加的合金元素C含量较低,因而高温下强度较低;添加的N与Ti生成大颗粒四方形的TiN导致钢材疲劳强度降低,若用于海洋环境下钢结构,易较低这些钢结构服役年限。
中国专利申请号为200980000163.7的专利文献,公开了一种“焊接接头部的耐再热脆化性和韧性优良的耐火钢材及其制造方法”, 其钢材是室温强度为400~600N/mm2级的钢,并使用下述钢制得,该钢作为主要成分含有C:0.010%以上且低于0.05%、Si:0.01~0.50%、Mn:0.80~2.00%、Cr:0.50%以上且低于2.00%、V:0.03~0.30%、Nb :0.01~0.10%、N:0.001~0.010%、Al:0.005~0.10%,限制Ni、Cu、Mo 、B各自的含量,各元素满足用4Cr[%]-5Mo[%]-10Ni[%]-2Cu[%]- Mn[%]>0表示的关系。该专利文献存在的不足是化学成分过于复杂,需要控制的合金元素很多,是一种不经济的钢种。钢中合金元素Cr使碳化物在高温下易急剧长大,失去高温强化效果,恶化钢的力学性能和使用性能。
中国专利申请号为201110213957.0的专利文献,公开了 “一种高强度高韧性船板钢及其TMCP生产工艺方法”, 该专利文献提供了一种高强度高韧性船板钢及其TMCP生产工艺方法按重量百分比,包括以下组分:C:0.04~0.08%;Si:0.15~0.40%;Mn:1.30~1.55%;P:≤0.012%;S:≤0.005%;Nb:0.025~0.045%;Ti:0.010~0.020%;Ni:0.015~0.025%;Als:0.020~0.050%;N:≤0.007%;其余为Fe和微量杂质。类似地,另一项中国专利申请号为200810235729.1的专利文献,公开了一种 “宽厚规格高强度船板钢及其生产工艺”, 该专利文献提供了一种高强度钢及其生产工艺,宽厚规格高强度船板钢组成成分:C 0.04%~0.16%,Mn 1.20%~1.60%,P≤0.025%,S≤0.025%, Si 0.10~0.30%,Ni≤0.40%,Alt 0.020~0.060%,Nb 0.02%~0.05%, Ti≤0.02%,N≤0.012%,其量为Fe。冶炼加热炉内加热温度为 1180℃~1220℃,加热时间为3.0~4.0h;粗轧开轧温度1080℃~ 1120℃,进行4~6道次轧制;精轧开轧温度800℃~900℃,进行4~ 9道次轧制,终轧温度800~830℃;控冷开始喷水冷却温度780℃~ 820℃,终止喷水冷却温度为600℃~720℃。该两专利文献仅仅是生产普通船体结构钢材,不具有抗高温耐火性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,提供一种在600℃环境中能持续时间3.5~4.0小时,钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的75%的耐火船体结构钢及其制造方法。
实现上述目的的措施:
一种耐火的船体结构用钢,其组分及重量百分比含量为:C:0.061%~0.19%, Si: 0.45%~0.75%, Mn: 0.10%~0.50%, P≤0.020%, S≤0.010%, Al: 0.055%~0.15%, Ti: 0.041%~0.075%, O[T]: 0.0020%~0.0080%,余量Fe和不可避免的杂质。
优选的:C的重量百分比含量为0.075~0.15%。
优选的:Si的重量百分比含量为0.55~0.65%。
优选的:Al的重量百分比含量为0.061~0.12%。
优选的:Ti的重量百分比含量为0.05~0.068%。
优选的:O[T]的重量百分比含量为0.0035~0.0065%。
生产一种耐火的船体结构用钢的方法,其步骤为:
1)冶炼,控制在RH真空炉处理时间为10~30分钟;当RH真空炉处理时间达到所设定处理时间的五分之四时,按照吹氧量为900~1050m3/分钟吹氧3~10秒钟,然后再继续进行真空处理直至处理结束,控制钢液中O[T]含量在0.0020%~0.0080%;
2)经对铸坯常规加热后进行控制轧制,控制终轧温度在725℃~885℃;
3)空冷至室温。
其特征在于:当整体成分偏下限取值时,则终轧温度控制在725℃~765℃;当整体成分取值偏上限时,则终轧温度控制在766℃~885℃范围。
本发明主要合金元素含量的设定及制造方法,依据以下原理:
随着温度的升高,低合金结构钢的微观结构就会发生回复、再结晶现象,回复过程一般发生在温度低于200℃的情况,在该过程中结构钢的屈服强度和抗拉强度略有降低。环境温度高于200℃而低于600℃时,就会发生初级再结晶现象,即新的无畸变的晶核就会形成,钢材的屈服强度和抗拉强度就会明显下降,环境温度超过600℃时,就会发生晶粒长大现象,形成的无畸变的晶核的晶界就会迁移,屈服强度和抗拉强度会急剧降低。为使钢具有良好的耐高温性能,使得钢材在600℃时的屈服强度不低于室温屈服强度的75%,重要措施在于遏制再结晶晶核的长大,即抑制再结晶晶界的迁移,本发明技术就是利用钢中高温稳定的第二相粒子Al2O3及Ti2O3在高温下阻碍晶界的移动速率,从而有效抑制了晶粒长大,使得本发明钢材在高温下仍具有理想的屈服强度和抗拉强度。因此,本发明钢中重要的合金元素为Al、Ti和O,按本发明提供的制造方法,可在钢中获得细小的、分布均匀的Al2O3及Ti2O3颗粒,这些颗粒处于晶界处就会有效地阻止晶界的移动,分布在基体中的Al2O3及Ti2O3颗粒会与位错发生交互作用,钉扎位错,抑制位错的滑移,提高钢的屈服强度,位于珠光体区域的Al2O3及Ti2O3颗粒,会提高钢的抗拉强度,整体结果是钢的高温屈服强度和抗拉强度均得到提高。
以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由:
C,设定范围为0.061%~0.19%,%,优选0.075~0.15%。C为低合金结构钢中有效的间隙固溶强化元素之一,生产过程中易控制其含量。为使本发明钢材室温屈服强度在375~550MPa范围,采用本发明提供的制造方法得以满足,过低的C含量易使钢材的室温屈服强度低于375MPa,过高的C含量易使得钢材的冲击韧性和断裂韧性降低。
Si,设定范围是0.45%~0.75%,优选的Si含量范围按重量百分比为0.55~0.65%。加入钢中可显著提高钢的屈服强度,另外,加入钢中的Si可使得钢材具有热强性,在高温环境下,Si有阻碍晶粒长大的功效,提高钢的高温强度,但过多地加入Si会使钢的韧性,尤其使低温韧性明显降低。
Mn,设定范围0.10%~0.50%。加入钢中可形成置换固溶强化效果,提高钢的屈服强度,还可以降低钢的相变温度,通过控制轧制过程,细化晶粒,在提高钢的强度同时提高其断裂韧性,但对钢的高温强度贡献不大,且与S反应生产易变形的MnS,恶化钢材的室温性能和高温性能,故耐高温结构钢中不宜多加合金元素Mn。
Al: 0.055%~0.15%,, 优选0.061~0.12%范围。加入适量的Al,采用本发明提供的制造方法,在钢中形成弥散分布、细小的Al2O3颗粒。其一方面抑制钢中原子扩散,提高钢的屈服强度;另一方面,可有效钉扎晶界,产生细化晶粒效果,提高钢的高温强度,使钢具有良好的耐火性能。但过量的Al含量会生产大颗粒的Al2O3恶化钢的性能。一般地,将钢中第二相颗粒尺寸高于10μm即称为大颗粒析出相,大颗粒Al2O3易形成不规则尖角形状,在外力作用下,这些尖角会“刺伤”基体,产生宏观裂纹,在高温下这些裂纹会加速扩展,威胁钢结构的安全。
Ti: 0.041%~0.075%,优选范围0.05~0.068%。加入适量的Ti,采用本发明提供的制造方法,使其在钢中形成弥散分布、细小高温很稳定的Ti2O3颗粒,一方面抑制钢中原子扩散,提高钢的屈服强度;另一方面,可有效钉扎晶界,产生细化晶粒效果,提高钢的高温强度,使钢具有良好的耐火性能。但过量的Ti含量会生产大颗粒的TiN恶化钢的性能。因为这些TiN大颗粒第二相与基体失去了共格关系,大颗粒边界与基体之间就形成了裂纹,在外载荷的作用下,这些大颗粒第二相不仅不能阻碍位错的迁移,反而还促使了裂纹的扩展,其室温和高温力学性能均会急剧降低
O[T]: 0.0020%~0.0080%,优选的O[T]含量范围按重量百分比为0.0035~0.0065%。按照本发明提供的生产方法,可与钢中Al、Ti反应生成Al2O3及Ti2O3颗粒,在高温下抑制再结晶晶粒长大,提高钢的高温性能,使得本发明钢具有耐火性能,且剩余自由O的含量很少,过低的O含量不足以在钢中生成Al2O3及Ti2O3颗粒,过多的O含量易使钢产生脆性,且恶化钢的冷加工性能。O[T]超过0.0080%时,钢中自由氧含量就会显著增加,增加的自由氧以固溶状态处于钢基体中,钉扎位错,使得钢材冷弯等冷加工过程易发生断裂现象,更难于保证钢的高温性能。
P、S是钢中有害的杂质元素,钢中P易在钢中形成偏析,降低钢的韧性及焊接性能。钢中S易形成易变形的MnS、FeS等硫化物,恶化钢的冲击韧性和加工性能,急剧降低钢的高温性能,故P、S含量越低越好,但若将其含量限定得过低,会增加生产难度,提高生产成本,将钢得P、S含量分别限定在≤0.02%及≤0.010%常规范围。
以下简述生产方法所依据的原理:
钢水冶炼过程采用RH真空***精练,时间10~30分钟,减少钢中大颗粒夹杂物如Al2O3及Ti2O3、夹渣及N、H气体等有害成分。RH精炼持续时间到总时间的4/5时,吹氧3~10秒钟,最后剩余时间完成RH精炼,使得钢中氧含量达到O: 0.0020%~0.0080%。目的在于使钢中含有适量的O,与Al、Ti反应生成Al2O3及Ti2O3颗粒,吹氧时间长了会增加钢中自由氧含量,恶化钢的室温性能和高温性能,时间短了,没有足够多的O与Al、Ti反应生成Al2O3及Ti2O3颗粒。钢板轧制过程采用控制轧制方法,终轧温度控制在725℃~885℃,轧后空冷至室温。使得钢板室温屈服强度为375~550MPa。
本发明与现有技术相比,在化学成分简单,易控制的前提下,在600℃环境中持续时间3.5~4.0小时,钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的75%,且成本较低,适宜规模生产。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述:
表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表;
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数及性能列表;
本发明各实施例按照以下步骤生产:
其步骤:
1)冶炼,控制在RH真空炉处理时间为10~30分钟;当RH真空炉处理时间达到所设定处理时间的五分之四时,按照吹氧量为900~1050m3/分钟吹氧3~10秒钟,然后再继续进行真空处理直至处理结束,控制钢液中O[T]含量在0.0020%~0.0080%;
2)经对铸坯常规加热后进行控制轧制,控制终轧温度在725℃~885℃;
3)空冷至室温。
表1. 本发明实施例与比较钢化学成分
表2.本发明实施例钢及比较钢的主要工艺参数和性能列表
从表2可以得知,本发明在600℃环境中能持续时间3.5~4.0小时,钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的75%,各项性能远优于对比例钢。
上述实施例仅为最佳例举,而并非是对本发明的实施方式的限定。
Claims (8)
1.一种耐火的船体结构用钢,其组分及重量百分比含量为:C:0.061%~0.19%, Si: 0.45%~0.75%, Mn: 0.10%~0.50%, P≤0.020%, S≤0.010%, Al: 0.055%~0.15%, Ti: 0.041%~0.075%, O[T]: 0.0020%~0.0080%,余量Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的一种耐火的船体结构用钢,其特征在于:C的重量百分比含量为0.075~0.15%。
3.如权利要求1所述的一种耐火的船体结构用钢,其特征在于:Si的重量百分比含量为0.55~0.65%。
4.如权利要求1所述的一种耐火的船体结构用钢,其特征在于:Al的重量百分比含量为0.061~0.12%。
5.如权利要求1所述的一种耐火的船体结构用钢,其特征在于:Ti的重量百分比含量为0.05~0.068%。
6.如权利要求1所述的一种耐火的船体结构用钢,其特征在于:O的重量百分比含量为0.0035~0.0065%。
7.生产权利要求1所述的一种耐火的船体结构用钢的方法,其步骤为:
1)冶炼,控制在RH真空炉处理时间为10~30分钟;当RH真空炉处理时间达到所设定处理时间的五分之四时,按照吹氧量为900~1050m3/分钟吹氧3~10秒钟,然后再继续进行真空处理直至处理结束,控制钢液中O[T]含量在0.0020%~0.0080%;
2)经对铸坯常规加热后进行控制轧制,控制终轧温度在725℃~885℃;
3)空冷至室温。
8.如权利要求7所述的生产一种耐火的船体结构用钢的方法,其特征在于:当整体成分偏下限取值时,则终轧温度控制在725℃~765℃;当整体成分取值偏上限时,则终轧温度控制在766℃~885℃范围。
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Effective date of registration: 20170711 Address after: 430083 Qingshan District, Hubei, Wuhan factory before the door No. 2 Patentee after: Wuhan iron and Steel Company Limited Address before: 430080 Wuhan, Hubei Friendship Road, No. 999, Wuchang Patentee before: Wuhan Iron & Steel (Group) Corp. |
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CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160210 Termination date: 20210222 |
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