一種耐火的船體結構用鋼及其生產方法
2023-05-08 20:42:36 1
專利名稱：一種耐火的船體結構用鋼及其生產方法
技術領域：
本發明涉及結構鋼及其生產方法，具體地屬於一種內高溫結構用鋼及其生產方法，確切地為能夠在600°c高溫下鋼材下屈服強度ReL不低於室溫屈服強度的75%的船體結構用鋼及其生產方法。
背景技術：
巨型客輪、大型油船、海洋鑽井平臺、遠洋船舶、艦艇火災事故時有發生，造成人員生命、財產損失，有的還嚴重破壞了區域海洋生態環境。傳統的客輪、油船、海洋鑽井平臺、遠洋船舶多採用普通船體結構鋼建造，這些鋼材耐火性能差，隨著溫度的升高其強度急劇下降，在短時間內發生坍塌，極易造成人員傷亡。如果採用耐火鋼板建造，即使發生火災，耐火鋼結構也不會在短時間內垮塌，著火區域人員有足夠的時間逃離險境，而且可以贏得救援時間，減少人員、生態和財產損失。經檢索，中國專利申請號為201010276585.1專利文獻，公開了 「一種490級別建築結構用耐火鋼板及其製造方法」，其鋼板化學成分的重量百分比為: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%。其製造方法是:鋼坯加熱溫度1100 1280°C，第一階段終軋溫度不小於980°C;第二階段軋制開始溫度970 850°C，再結晶區軋制積累變形量大於60%，終軋溫度750 900°C ;在終軋和開始冷卻之間保留30 120秒；之後進行控制冷卻，開冷溫度為700 850°C，終冷溫度為700 400°C ;最後將鋼板快速堆垛緩冷，堆垛溫度650 300°C，保溫時間為10 24小時。可獲得良好且均勻的板型和性能，延伸率A%彡20%，屈強比Rel (或Rp0.2)/Rm彡0.8。該專利文獻 的不足在於化學成分中含Cr，這是因為在服役溫度高於500°C時，Cr與C的析出相會迅速集聚長大，與基體失去共格關係，產生大的空洞，即裂紋，高溫強度會快速下降，失去耐火性能；另外其成形軋制過程較為複雜，控制參數較多，降低鋼材成材率，增加生產成本。檢索到的中國專利申請號為200780032737.X的專利文獻，公開了一種「高溫強度、韌性和耐再熱脆化特性優異的耐火鋼材及其製造方法」，其化學成分以質量％計，含有C:0.001% 0.030%,S1:0.05% 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 分別限制為 P:0.03% 以下、S:0.02% 以下，且滿足 C-Nb/7.74 ( 0.005,2 ( Ti/N (12，其餘量由Fe以及不可避免的雜質組成。類似另一項中國專利申請號為200880011610.4的專利文獻，公開了一種「高溫強度和韌性優良的鋼材及其製造方法」，其組分及含量為C:0.001 0.030%,S1:0.05 0.50%,Mn:0.40 2.00%,Nb:0.03 0.50%,T1:0.005 低於0.040%,N:0.0008% 低於0.0050%，將P、S的含量限定為P:0.03%以下、S:0.02%以下，餘量為Fe及不可避免的雜質；滿足C-Nb/7.74 ( 0.004，以30 300個/mm2的密度具有粒徑為0.05 10 μ m的Ti系氧化物。該兩項專利文獻的不足在於鋼中添加的合金元素C含量較低，因而高溫下強度較低；添加的N與Ti生成大顆粒四方形的TiN導致鋼材疲勞強度降低，若用於海洋環境下鋼結構，易較低這些鋼結構服役年限。中國專利申請號為200980000163.7的專利文獻，公開了一種「焊接接頭部的耐再熱脆化性和韌性優良的耐火鋼材及其製造方法」，其鋼材是室溫強度為400 600N/mm2級的鋼，並使用下述鋼製得，該鋼作為主要成分含有C:0.010%以上且低於0.05%、S1:
0.01 0.50%, Mn:0.80 2.00%, Cr:0.50% 以上且低於 2.00%, V:0.03 0.30%, Nb:0.01 0.10%, N:0.001 0.010%, Al:0.005 0.10%，限制 N1、Cu、Mo、B 各自的含量，各元素滿足用4Cr[% ]-5Mo[% ]-10Ni[% ]-2Cu[% ]- Mn[% ] > 0表示的關係。該專利文獻存在的不足是化學成分過於複雜，需要控制的合金元素很多，是一種不經濟的鋼種。鋼中合金元素Cr使碳化物在高溫下易急劇長大，失去高溫強化效果，惡化鋼的力學性能和使用性能。中國專利申請號為201110213957.0的專利文獻，公開了 「一種高強度高韌性船板鋼及其TMCP生產工藝方法」，該專利文獻提供了一種高強度高韌性船板鋼及其TMCP生產工藝方法按重量百分比，包括以下組分: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 % ；T1:0.010 0.020 % ；Ni:0.015 0.025% ；Als:0.020 0.050% ；N S 0.007% ;其餘為 Fe 和微量雜質。類似地，另一項中國專利申請號為200810235729.1的專利文獻，公開了一種「寬厚規格高強度船板鋼及其生產工藝」，該專利文獻提供了一種高強度鋼及其生產工藝，寬厚規格高強度船板鋼組成成分:C 0.04% 0.16%, Mn 1.20% 1.60%, P 彡 0.025%, S 彡 0.025%, Si0.10 0.30%,Ni ( 0.40%,Alt 0.020 0.060%,Nb 0.02% 0.05%, Ti ( 0.02%,N彡0.012%，其量為Fe。冶煉加熱爐內加熱溫度為1180°C 1220°C，加熱時間為3.0
4.0h ;粗軋開軋 溫度1080°C 1120°C，進行4 6道次軋制；精軋開軋溫度800°C 900°C，進行4 9道次軋制，終軋溫度800 830°C ;控冷開始噴水冷卻溫度780°C 820°C，終止噴水冷卻溫度為600°C 720V。該兩專利文獻僅僅是生產普通船體結構鋼材，不具有抗高溫耐火性能。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，提供一種在600°C環境中能持續時間3.5 4.0小時，鋼材下屈服強度ReL不低於室溫屈服強度的75%的耐火船體結構鋼及其製造方法。實現上述目的的措施:
一種耐火的船體結構用鋼，其組分及重量百分比含量為:C:0.061% 0.19%, S1:
0.45% 0.75%, Mn: 0.10% 0.50%, P 彡 0.020%, S 彡 0.010%, Al: 0.055% 0.15%,T1: 0.041% 0.075%, 0[T]: 0.0020% 0.0080%,餘量 Fe 和不可避免的雜質。優選的:C的重量百分比含量為0.075 0.15%。優選的:Si的重量百分比含量為0.55 0.65%。優選的:A1的重量百分比含量為0.061 0.12%。優選的:Ti的重量百分比含量為0.05 0.068%。優選的:0[T]的重量百分比含量為0.0035 0.0065%。
生產一種耐火的船體結構用鋼的方法，其步驟為:
O冶煉，控制在RH真空爐處理時間為10 30分鐘；當RH真空爐處理時間達到所設定處理時間的五分之四時，按照吹氧量為900 1050m3/分鐘吹氧3 10秒鐘，然後再繼續進行真空處理直至處理結束，控制鋼液中0[T]含量在0.0020% 0.0080% ；
2)經對鑄坯常規加熱後進行控制軋制，控制終軋溫度在725°C 885°C；
3)空冷至室溫。其特徵在於:當整體成分偏下限取值時，則終軋溫度控制在725°C 765°C ;當整體成分取值偏上限時，則終軋溫度控制在766°C 885°C範圍。本發明主要合金元素含量的設定及製造方法，依據以下原理:
隨著溫度的升高，低合金結構鋼的微觀結構就會發生回復、再結晶現象，回復過程一般發生在溫度低於200°C的情況，在該過程中結構鋼的屈服強度和抗拉強度略有降低。環境溫度高於200°C而低於600°C時，就會發生初級再結晶現象，即新的無畸變的晶核就會形成，鋼材的屈服強度和抗拉強度就會明顯下降，環境溫度超過600°C時，就會發生晶粒長大現象，形成的無畸變的晶核的晶界就會遷移，屈服強度和抗拉強度會急劇降低。為使鋼具有良好的耐高溫性能，使得鋼材在600°C時的屈服強度不低於室溫屈服強度的75%，重要措施在於遏制再結晶晶核的長大，即抑制再結晶晶界的遷移，本發明技術就是利用鋼中高溫穩定的第二相粒子Al2O3及Ti2O3在高溫下阻礙晶界的移動速率，從而有效抑制了晶粒長大，使得本發明鋼材在高溫下仍具有理想的屈服強度和抗拉強度。因此，本發明鋼中重要的合金元素為Al、Ti和0，按本發明提供的製造方法，可在鋼中獲得細小的、分布均勻的Al2O3及Ti2O3顆粒，這些顆粒處於晶界處就會有效地阻止晶界的移動，分布在基體中的Al2O3及Ti2O3顆粒會與位錯發生交互作用，釘扎位錯，抑制位錯的滑移，提高鋼的屈服強度，位於珠光體區域的Al2O3及Ti2O3顆粒，會提高鋼的抗拉強度，整體結果是鋼的高溫屈服強度和抗拉強度均得到提高。以下簡述本發明鋼中選定各合金元素及成分範圍的理由:
C，設定範圍為0.061% 0.19%，％，優選0.075 0.15%。C為低合金結構鋼中有效的間隙固溶強化元素之一，生產過程中易控制其含量。為使本發明鋼材室溫屈服強度在375 550MPa範圍，採用本發明提供的製造方法得以滿足，過低的C含量易使鋼材的室溫屈服強度低於375MPa，過高的C含量易使得鋼材的衝擊韌性和斷裂韌性降低。Si，設定範圍是0.45% 0.75%，優選的Si含量範圍按重量百分比為0.55
0.65%。加入鋼中可顯著提高鋼的屈服強度，另外，加入鋼中的Si可使得鋼材具有熱強性，在高溫環境下，Si有阻礙晶粒長大的功效，提高鋼的高溫強度，但過多地加入Si會使鋼的韌性，尤其使低溫韌性明顯降低。Mn，設定範圍0.10% 0.50%。加入鋼中可形成置換固溶強化效果，提高鋼的屈服強度，還可以降低鋼的相變溫度，通過控制軋制過程，細化晶粒，在提高鋼的強度同時提高其斷裂韌性，但對鋼的高溫強度貢獻不大，且與S反應生產易變形的MnS，惡化鋼材的室溫性能和高溫性能，故耐高溫結構鋼中不宜多加合金元素Mn。Al: 0.055% 0.15%，，優選0.061 0.12%範圍。加入適量的Al，採用本發明提
供的製造方法，在鋼中形成彌散分布、細小的Al2O3顆粒。其一方面抑制鋼中原子擴散，提高鋼的屈服強度；另一方面， 可有效釘扎晶界，產生細化晶粒效果，提高鋼的高溫強度，使鋼具有良好的耐火性能。但過量的Al含量會生產大顆粒的Al2O3惡化鋼的性能。一般地，將鋼中第二相顆粒尺寸高於10 μ m即稱為大顆粒析出相，大顆粒Al2O3易形成不規則尖角形狀，在外力作用下，這些尖角會「刺傷」基體，產生宏觀裂紋，在高溫下這些裂紋會加速擴展，威脅鋼結構的安全。T1: 0.041% 0.075%,優選範圍0.05 0.068%。加入適量的Ti，採用本發明提供的製造方法，使其在鋼中形成彌散分布、細小高溫很穩定的Ti2O3顆粒，一方面抑制鋼中原子擴散，提高鋼的屈服強度；另一方面，可有效釘扎晶界，產生細化晶粒效果，提高鋼的高溫強度，使鋼具有良好的耐火性能。但過量的Ti含量會生產大顆粒的TiN惡化鋼的性能。因為這些TiN大顆粒第二相與基體失去了共格關係，大顆粒邊界與基體之間就形成了裂紋，在外載荷的作用下，這些大顆粒第二相不僅不能阻礙位錯的遷移，反而還促使了裂紋的擴展，其室溫和高溫力學性能均會急劇降低
0[T]: 0.0020% 0.0080%，優選的O[Τ]含量範圍按重量百分比為0.0035 0.0065%。按照本發明提供的生產方法，可與鋼中Al、Ti反應生成Al2O3及Ti2O3顆粒，在高溫下抑制再結晶晶粒長大，提高鋼的高溫性能，使得本發明鋼具有耐火性能，且剩餘自由O的含量很少，過低的O含量不足以在鋼中生成Al2O3及Ti2O3顆粒，過多的O含量易使鋼產生脆性，且惡化鋼的冷加工性能。0[Τ]超過0.0080%時，鋼中自由氧含量就會顯著增加，增加的自由氧以固溶狀態處於鋼基體中，釘扎位錯，使得鋼材冷彎等冷加工過程易發生斷裂現象，更難於保證鋼的高溫性能。P、S是鋼中有害的雜質元素，鋼中P易在鋼中形成偏析，降低鋼的韌性及焊接性能。鋼中S易形成易變形的MnS、FeS等硫化物，惡化鋼的衝擊韌性和加工性能，急劇降低鋼的高溫性能，故P、S含量越低越好，但若將其含量限定得過低，會增加生產難度，提高生產成本，將鋼得P、S含量分別限定在彡0.02%及彡0.010%常規範圍。以下簡述生產方法所依據的原理:
鋼水冶煉過程採用RH真空系統精練，時間10 30分鐘，減少鋼中大顆粒夾雜物如Al2O3及Ti2O3、夾渣及N、H氣體等有害成分。RH精煉持續時間到總時間的4/5時，吹氧3 10秒鐘，最後剩餘時間完成RH精煉，使得鋼中氧含量達到O: 0.0020% 0.0080%。目的在於使鋼中含有適量的0，與Al、Ti反應生成Al2O3及Ti2O3顆粒，吹氧時間長了會增加鋼中自由氧含量，惡化鋼的室溫性能和高溫性能，時間短了，沒有足夠多的O與Al、Ti反應生成Al2O3及Ti2O3顆粒。鋼板軋制過程採用控制軋制方法，終軋溫度控制在725°C 885°C，軋後空冷至室溫。使得鋼板室溫屈服強度為375 550MPa。本發明與現有技術相比，在化學成分簡單，易控制的前提下，在600 °C環境中持續時間3.5 4.0小時，鋼材下屈服強度ReL不低於室溫屈服強度的75%，且成本較低，適宜
規模生產。
具體實施例方式下面對本發明予以詳細描述:
表I為本發明各實施例及對比例的組分取值列表；
表2為本發明各實施例及對比 例的主要工藝參數及性能列表；
本發明各實施例按照以下步驟生產:其步驟:
1)冶煉，控制在RH真空爐處理時間為10 30分鐘；當RH真空爐處理時間達到所設定處理時間的五分之四時，按照吹氧量為900 1050m3/分鐘吹氧3 10秒鐘，然後再繼續進行真空處理直至處理結束，控制鋼液中0[T]含量在0.0020% 0.0080% ；
2)經對鑄坯常規加熱後進行控制軋制，控制終軋溫度在725°C 885°C；
3)空冷至室溫。表1.本發明實施例與比較鋼化學成分
權利要求
1.一種耐火的船體結構用鋼，其組分及重量百分比含量為:c:0.061% 0.19%, S1:0.45% 0.75%, Mn: 0.10% 0.50%, P 彡 0.020%, S 彡 0.010%, Al: 0.055% 0.15%,T1: 0.041% 0.075%, 0[T]: 0.0020% (λ 0080%,餘量 Fe 和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的一種耐火的船體結構用鋼，其特徵在於:C的重量百分比含量為0.075 0.15%。
3.如權利要求1所述的一種耐火的船體結構用鋼，其特徵在於:Si的重量百分比含量為 0.55 0.65%。
4.如權利要求1所述的一種耐火的船體結構用鋼，其特徵在於:A1的重量百分比含量為 0.061 0.12%。
5.如權利要求1所述的一種耐火的船體結構用鋼，其特徵在於:Ti的重量百分比含量為 0.05 0.068%O
6.如權利要求1所述的一種耐火的船體結構用鋼，其特徵在於:0的重量百分比含量為0.0035 0.0065%。
7.生產權利要求1所述的一種耐火的船體結構用鋼的方法，其步驟為: O冶煉，控制在RH真空爐處理時間為10 30分鐘；當RH真空爐處理時間達到所設定處理時間的五分之四時，按照吹氧量為900 1050m3/分鐘吹氧3 10秒鐘，然後再繼續進行真空處理直至處理結束，控制鋼液中0[T]含量在0.0020% 0.0080% ； 2)經對鑄坯常規加熱後進行控制軋制，控制終軋溫度在725°C 885°C； 3)空冷至室溫。
8.如權利要求7所述的生產一種耐火的船體結構用鋼的方法，其特徵在於:當整體成分偏下限取值時，則終 軋溫度控制在725°C 765°C;當整體成分取值偏上限時，則終軋溫度控制在766°C 885°C範圍。
全文摘要
一種耐火的船體結構用鋼，其組分及重量百分比含量為C0.061%～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%；生產步驟冶煉；經對鑄坯常規加熱後進行控制軋制，控制終軋溫度在725℃～885℃；空冷至溫。本發明在化學成分簡單，易控制的前提下，在600℃環境中持續時間3.5～4.0小時，鋼材下屈服強度ReL不低於室溫屈服強度的75％，且成本較低，適宜規模生產。
文檔編號C21C7/10GK103147001SQ20131005677
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月22日 優先權日2013年2月22日
發明者陳顏堂, 郭斌, 李書瑞, 張開廣, 劉文斌, 童明偉, 鄒德輝 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司