CN103147001B - 一种耐火的船体结构用钢及其生产方法 - Google Patents

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

一种耐火的船体结构用钢及其生产方法

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：C0.04％～0.16％，Mn1.20％～1.60％，P≤0.025％，S≤0.025％，Si0.10～0.30％，Ni≤0.40％，Alt0.020～0.060％，Nb0.02％～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真空系统精练，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 (5)

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:0.52%～0.75%,Mn:0.10%～0.50%,P≤0.020%,S≤0.010%,Al:0.066%～0.15%,Ti:0.041%～0.075%,O[T]:0.0020%～0.0080%,余量Fe和不可避免的杂质；生产方法:

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℃～791℃；

3）空冷至室温。

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：Si的重量百分比含量为0.55～0.65%。

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：Ti的重量百分比含量为0.05～0.068%。

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：O的重量百分比含量为0.0035～0.0065%。

5.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℃～791℃；

3）空冷至室温。