CN111945068B - 一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法 - Google Patents

一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法，所述耐火钢包含下述质量分数的化学成分：C：0.02～0.08%，Si：0.05～0.20%，Mn：0.80～1.25%，P≤0.003%，S≤0.002%，Mo：0.08～0.20%，Nb：0.052～0.12%，Ti：0.007～0.030%，Y：0.015～0.072%，[N]：10～20×10‑4%，[O]≤32×10‑4%，余量为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：7.26%≤30C+5Mn+6Mo≤8.05%；本发明仅添加少量Mo，不添加Cr、Ni等贵重金属，无需进行复杂的热处理工序，具有成本低廉，制造工序简单，生产周期短等优点，在各冶金企业均可规模化实施；利用本发明方法生产的钢板具有优良的耐火性能、高温蠕变断裂性能以及焊接性能等特点，可广泛应用于各种要求耐火的大型钢结构工程。

Description

一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其 生产方法
技术领域
本发明涉及低合金钢制造技术领域，具体涉及一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法。
背景技术
建筑、桥梁、厂矿等大型钢结构工程用钢除要求常规指标外，有时还要求优良的耐火性能以及焊接性能。耐火性能是要求钢材在600℃高温下其屈服强度不低于室温下屈服强度值的2/3，采用耐火钢材可减薄耐火涂层甚至裸露使用，降低建造费用和维护成本，在发生火灾时，由于高温下钢材持久时间长，可将人员伤亡和财产损失减至最低。传统耐火钢由于添加较多不利于焊接性能的Mo、Cr等贵重合金，在高温下其焊接部位将成为钢结构最薄弱环节。本发明提供一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法，具有优良的耐火性能和焊接性能，且700℃下屈服强度均不低于室温屈服强度的75％，高温蠕变持久时间4.8～6.0小时，用于建造建筑、桥梁、厂矿以及体育场馆等各种大型钢结构工程。
本发明前，专利号为201310160484.1的中国发明专利公开了抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢及其生产方法，其化学成分及重量百分比为C：0.10～0.30％，Si：0.05～0.25％，Mn≤0.20％，P≤0.018％，S≤0.008％，Al≤0.18％，Mo：0.25～0.80％，Co：0.05～0.25％。该发明具有优良的耐火性能和抵抗海洋风浪疲劳性能，800℃屈服强度/室温屈服强度之比均不低于80％，800℃下持续时间5-7小时，但该发明C、Mo、P、S含量较高，增加了合金成本，且对延展性、低温冲击韧性和焊接性能不做要求。
专利号为201310033300.5的中国发明专利公开了一种耐700℃高温的海洋平台用钢及其生产方法，其化学成分及重量百分比为C：0.16～0.21％，Si：0.25～0.45％，Mn：0.50～1.30％，P≤0.020％，S≤0.010％，W：0.15～0.55％，V：0.01～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。该发明700℃高温下屈服强度/室温屈服强度之比均不低于70％，具有优良耐火性能，但该发明C、P、S含量较高，还含有W合金，成本较高，且对延展性、低温冲击韧性、焊接性能以及高温持久时间均不做要求。
专利号为201310056775.6的中国发明专利公开了一种耐火的船体结构用钢及其生产方法，其化学成分及重量百分比为C：0.061～0.19％，Si：0.45～0.7％，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％。该发明成分简单，其600℃高温下持续时间3.5～4.0小时，具有优良耐火性能，但该发明且对延展性、低温冲击韧性和焊接性能均不做要求。
专利号为201110080774.6、201110247615.0和200910045146.7中国发明专利分别公开了一种低成本高强高韧抗震耐火钢及其制备工艺、一种耐火抗震建筑用钢和一种高强度高韧性低屈强比耐火钢及其制造方法，但该三项发明专利仅要求0℃冲击韧性，且对高温蠕变断裂性能和焊接性能不做要求。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的上述缺陷，提供一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法。本发明仅添加少量Mo，不添加Cr、Ni等贵重金属，无需进行复杂的热处理工序，具有成本低廉，制造工序简单，生产周期短等优点，在各冶金企业均可规模化实施。利用本发明方法生产厚度10～100mm的钢板，具有优良的耐火性能和焊接性能，且700℃下屈服强度均不低于室温屈服强度的75％，高温蠕变持久时间4.8～6.0小时，适用于建造建筑、桥梁、厂矿以及体育场馆等各种大型钢结构工程。
本发明一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢，所述耐火钢包含下述质量分数的化学成分：C：0.02～0.08％，Si：0.05～0.20％，Mn：0.80～1.25％，P≤0.003％，S≤0.002％，Mo：0.08～0.20％，Nb：0.052～0.12％，Ti：0.007～0.030％，Y：0.015～0.072％，[N]：10～20×10-4％，[O]≤32×10-4％，余量为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：7.26％≤30C+5Mn+6Mo≤8.05％。
优选地，所述Ti：0.012～0.027％，Y：0.022～0.063％。
本发明所述耐火钢的厚度为10～100mm，具有优良的耐火性能和焊接性能，且700℃下屈服强度均不低于室温屈服强度的75％，高温蠕变持久时间为4.8～6.0小时。
本发明的一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)脱硫处理：来料铁水温度＞1250℃，S≤0.03％，渣层厚度＞50mm时扒渣处理；对搅拌器预烧烤3～5min后，浸入铁水深度350～600mm，搅拌时间6～9min，转速80～120r/min，搅拌结束后扒渣处理；脱硫终点S≤0.001％；
(2)转炉冶炼：采用双渣法冶炼，吹氧枪位控制在1.40～1.80m，氧压控制住0.80～0.85MPa，供氧流量14500～17500m3/h，供氧时间850～950s；造渣碱度2.8～4.0，根据炉内渣情况分批少量加入萤石，每炉总加入量≤550kg，吹炼终点前2min严禁加入萤石；在出钢至3/4～4/5时间内加入挡渣球、挡渣塞进行挡渣出钢，冶炼终点要求P≤0.002％，出钢过程中严禁点吹操作，避免增氮，渣厚≤100mm；
(3)炉外精炼：LF处理时间≥60min，白渣碱度控制为4.0～6.0，白渣保持时间≥10min，微调合金后吹氩时间≥5min，避免精炼中后期钢水裸露，确保精炼结束后氮增量≤0.001％；
(4)RH真空处理：真空度＜67Pa，真空处理保持时间≥16min，添加Y和Ti合金并控制Y：0.015～0.072％，Ti：0.007～0.030％；
(5)轧制：采用横轧展宽，纵轧到底，展宽比≤1.25，控制开轧温度1020～1080℃，终轧温度830～890℃；
(6)冷却：对轧后钢板弛豫缓冷(5+h/4)s后进行层流冷却，控制冷却速度(2+h/5)℃/s，其中h是以mm为单位的成品厚度值。
优选地，所述开轧温度为1030～1070℃，终轧温度为840～880℃。
以下详述本发明中化学成分限定量的理由：
本发明的C含量选择在0.02～0.08％，C通过间隙固溶强化和碳氮化物沉淀强化显著提高强度，可在高温下形成TiC颗粒于晶界处沉淀析出，阻碍晶界滑动和延迟裂纹形成，提高高温蠕变断裂性能。当C含量低于0.02％时，高温下形成的TiC颗粒有限，无法起到提高高温蠕变断裂性能的作用，当C含量高于0.08％时，高温下在晶界处聚集较多TiC颗粒，增加晶界脆性，不利于高温蠕变断裂性能，同时降低塑韧性和焊接性能，故C含量限定为0.02～0.08％。
本发明的Si含量选择在0.05～0.20％，Si主要作用是固溶强化和脱氧，但降低塑韧性。另外，当Si和杂质元素同时出现在晶界时，降低晶界强度，不利于高温蠕变断裂性能。故综合考虑本发明产品性能，将Si含量限定为0.05～0.20％。
本发明的Mn含量选择在0.80～1.25％，Mn具有细化晶粒作用，是确保钢材强韧性和焊接热影响区低温韧性不可或缺的重要元素之一。当Mn含量低于0.80％时，上述作用得不到保证。当Mn含量高于1.25％时，增加焊接裂纹敏感性，也不利于焊接接头焊接性能。故Mn含量限定为0.80～1.25％。
本发明的P≤0.003％、S≤0.002％，P、S均易在晶界处偏聚，S还易形成条状MnS夹杂，不利于塑韧性，因此P和S是有害杂质元素。
本发明的Mo含量选在0.08～0.20％，Mo除了以固溶强化及其碳化物沉淀析出形式提高室温和高温强度外，Mo还增加位错密度作为形核核心促进NbC均匀析出。另外，Mo在NbC周围形成的偏析层可有效防止高温下NbC聚集长大，提高高温强度和高温下蠕变断裂性能。当Mo含量小于0.08％时，上述作用无法保证，Mo含量大于0.20％时，导致合金成本增加，也不利于低温韧性和焊接性能。故Mo含量限定为0.08～0.20％。
本发明的Nb含量选择在0.052～0.12％，钢中Nb碳氮化物质点可有效抑制奥氏体晶粒长大，以细晶强化和沉淀强化形式同时提高强度和低温韧性。更重要的是与Mo联合加入时，Mo能促进NbC均匀沉淀析出，并在NbC周围形成偏析层，防止NbC在高温下聚集长大，从而提高高温强度和高温蠕变断裂性能。当Nb含量低于0.052％时，上述作用不明显，当Nb含量高于0.12％时，易形成含Nb的大型复合夹杂，不利于高温蠕变断裂性能和焊接性能。
本发明的Ti选择在0.007～0.030％，Ti的碳氮化物可抑制加热和焊接过程中奥氏体晶粒长大，提高强韧性和HAZ低温韧性，同时，还可以在高温下形成TiC颗粒于晶界处沉淀析出，阻碍晶界滑动和延迟裂纹形成，提高高温蠕变断裂性能。但当Ti含量小于0.007％时，上述作用不明显，当Ti含量大于0.030％时，高温下在晶界处聚集较多TiC颗粒，增加晶界脆性，不利于蠕变断裂性能和焊接性能，同时降低塑韧性。故Ti限定为0.007-0.030％，优选0.012～0.027％。
本发明的Y含量选择在0.015～0.072％，本发明Y可球化变质硫化物夹杂，改善冲击韧性和HAZ韧性；另外，高温下固溶于奥氏体中的Y可偏聚于晶界并提高晶界强度，阻碍晶界滑动和延迟裂纹形成，提高高温蠕变断裂性能。当Y含量小于0.015％时，上述作用不明显，当Y含量大于0.072％时，易形成含Y大型复合夹杂，降低钢质纯净度，不利于冲击韧性和高温性能。故Y限定为0.015～0.072％，优选0.022～0.063％。
本发明的N含量选择在10～20×10-4％，钢中适量N与Nb等微合金元素形成的碳氮化物是强韧性的重要保证。若N含量低于10×10-4％，上述作用较弱，无法确保强韧性，当N含量高于20×10-4％，钢中固溶N增多，从而增加应变时效敏感性的风险。
本发明的O含量选择在≤32×10-4％，本发明O属于有害气体，为确保钢质纯净度和避免大量大尺寸复合夹杂出现，须严格限定O≤32×10-4％。
同时上述化学成分还必须满足：7.26％≤30C+5Mn+6Mo≤8.05％。当30C+5Mn+6Mo＜7.26％时，导致钢材强度不足，降低高温性能和高温蠕变断裂性能，当30C+5Mn+6Mo＞8.05％时，将增加焊接裂纹敏感性系数，降低焊接性能和HAZ冲击韧性。
本发明钢除含有上述化学成分外，余量为Fe及不可避免的夹杂。
本发明的目的是提供一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢及其生产方法，其所涉及的钢板成品无需进行复杂的热处理工序，具有成本低廉，制造工序简单，生产周期短等优点，在各冶金企业均可规模化实施，其特征在于工艺参数的精确控制，具体措施如下：
1)为了确保钢板焊接等综合性能，KR深脱硫时要求原料铁水S≤0.03％，以降低杂质元素含量，净化钢质，而搅拌器相关参数控制可确保铸坯白点等缺陷产生，从而提高钢的综合性能水平；
2)转炉冶炼：采用双渣法冶炼，尽可能降低P含量，以满足冶炼终点时P≤0.002％的要求；为避免出钢过程中氮含量回升，出钢期间严禁点吹操作，渣厚≤100mm，同时控制氧压、氧流量等工艺参数，以确保钢质纯净；
3)炉外精炼：进行造渣并处理60min以上以便深脱硫和脱氧，降低MnS夹杂含量，微调合金后吹氩时间不低于5min以达到均匀化钢液成分和温度的目的，且严格控制氮增量≤0.001％，确保最终铸坯P≤0.003％；
4)RH真空处理：控制真空度和处理时间，确保钢质纯净度；进行脱气轻处理，添加Y和Ti合金并控制Y：0.015～0.072％，Ti：0.007～0.030％；优选Ti：0.012～0.027％，Y：0.022～0.063％，以便高温下在晶界处有适量TiC颗粒析出，同时固溶于奥氏体中的Y偏聚于晶界，从而阻碍晶界滑动和延迟裂纹形成，提高高温蠕变断裂性能；
5)出钢温度一般在1180～1200℃之间，高压除磷后先通过雾冷将铸坯温度降至开轧温度1020～1080℃，目的是在奥氏体完全再结晶区大压下量轧制，使奥氏体晶粒充分破碎，并在大压下量轧制空隙期间延迟奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒尺寸；830～890℃属于奥氏体非再结晶区轧制，可避免混晶组织出现，也可进一步细化晶粒尺寸；对轧后钢板弛豫缓冷诱使碳化物或碳氮化物析出，改善综合性能，提高高温性能，控制冷却速度以获得本发明所需的组织结构，以获得本发明所要求的力学性能水平。
值得说明的是，经本发明人反复试验验证，严格采用本发明化学成分、生产方法进行冶炼、炉外精炼、RH真空处理、轧制以及冷却工艺参数制造的钢板才能满足本发明钢要求。利用本发明方法生产厚度10～100mm的钢板，具有优良的耐火性能、高温蠕变断裂性能以及焊接性能等特点，700℃下屈服强度均不低于室温屈服强度的75％，高温蠕变持久时间4.8～6.0小时，用于建造建筑、桥梁、厂矿以及体育场馆等各种大型钢结构工程。与现有技术相比，本发明仅添加少量Mo，不添加Cr、Ni等贵重金属，无需进行复杂的热处理工序，具有成本低廉，制造工序简单，生产周期短等优点，在各冶金企业均可规模化实施。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1为本发明各实施例及对比例化学成分取值列表；
下表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表；
下表3为本发明实施例及对比例的力学性能试验结果。
其中实施例1-8的产品厚度分别为20mm、40mm、40mm、60mm、60mm、80mm、80mm、100mm，对比例1-2的产品厚度分别40mm和80mm。
本发明各实施例的一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢，所述耐火钢包含下述质量分数的化学成分：C：0.02～0.08％，Si：0.05～0.20％，Mn：0.80～1.25％，P≤0.003％，S≤0.002％，Mo：0.08～0.20％，Nb：0.052～0.12％，Ti：0.007～0.030％，Y：0.015～0.072％，[N]：10～20×10-4％，[O]≤32×10-4％，余量为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：7.26％≤30C+5Mn+6Mo≤8.05％。
所述耐火钢的厚度为10～100mm，具有优良的耐火性能和焊接性能，且700℃下屈服强度均不低于室温屈服强度的75％，高温蠕变持久时间为4.8～6.0小时。
本发明各实施例的一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢的生产方法，包括下述步骤：
(1)脱硫处理：来料铁水温度＞1250℃，S≤0.03％，渣层厚度＞50mm时扒渣处理；对搅拌器预烧烤3～5min后，浸入铁水深度350～600mm，搅拌时间6～9min，转速80～120r/min，搅拌结束后扒渣处理；脱硫终点S≤0.001％；
(2)转炉冶炼：采用双渣法冶炼，吹氧枪位控制在1.40～1.80m，氧压控制住0.80～0.85MPa，供氧流量14500～17500m3/h，供氧时间850～950s；造渣碱度2.8～4.0，根据炉内渣情况分批少量加入萤石，每炉总加入量≤550kg，吹炼终点前2min严禁加入萤石；在出钢至3/4～4/5时间内加入挡渣球、挡渣塞进行挡渣出钢，冶炼终点要求P≤0.002％，出钢过程中严禁点吹操作，避免增氮，渣厚≤100mm；
(3)炉外精炼：LF处理时间≥60min，白渣碱度控制为4.0～6.0，白渣保持时间≥10min，微调合金后吹氩时间≥5min，避免精炼中后期钢水裸露，确保精炼结束后氮增量≤0.001％；
(4)RH真空处理：真空度＜67Pa，真空处理保持时间≥16min，添加Y和Ti合金并控制Y：0.015～0.072％，Ti：0.007～0.030％；
(5)轧制：采用横轧展宽，纵轧到底，展宽比≤1.25，控制开轧温度1020～1080℃，终轧温度830～890℃；
(6)冷却：对轧后钢板弛豫缓冷(5+h/4)s后进行层流冷却，控制冷却速度(2+h/5)℃/s，其中h是以mm为单位的成品厚度值。
表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表(wt，％)
Figure BDA0002628681950000091
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数的取值列表
Figure BDA0002628681950000101
表3本发明各实施例及对比例的力学性能试验结果
Figure BDA0002628681950000102
对本发明实施例和对比例钢板厚1/4处取样进行常温拉伸性能、700℃屈服强度以及700℃高温蠕变持久试验、-40℃纵向冲击以及手工焊接试验。试验结果显示，按照本发明成分和工艺生产的产品具有优良的室温强度、高温强度、延展性、低温冲击韧性以及焊接性能，且700℃下高温屈服强度均不低于室温屈服强度的75％，700℃下高温蠕变持久时间为4.8～6.0小时，而对比例持久时间仅为0.15～0.2小时，显然本发明产品在700℃下具有更优的耐火性能、高温蠕变断裂性能和焊接性能，各项性能远优于对比例。
上述实施例仅仅是本发明为解释本发明而例举的具体实例，并不以任何形式限制本发明，任何人根据上述作内容和形式做出的不偏离本发明权利要求保护范围的非实质性的改变，均应认为落入本发明权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢，其特征在于所述耐火钢包含下述质量分数的化学成分：C：0.02～0.08%，Si：0.05～0.20%，Mn：0.80～1.25%，P≤0.003%，S≤0.002%，Mo：0.08～0.20%，Nb：0.052～0.12%，Ti：0.007～0.030%，Y：0.015～0.072%，[N]：10～20×10-4%，[O] ≤32×10-4%，余量为Fe及不可避免杂质，同时上述化学成分还必须满足公式：7.26%≤30C+5Mn+6Mo≤8.05%；
其生产方法，包括下述步骤：
（1）脱硫处理：来料铁水温度＞1250℃，S≤0.03%，渣层厚度＞50mm时扒渣处理；对搅拌器预烧烤3～5min后，浸入铁水深度350～600mm，搅拌时间6～9min，转速80～120r/min，搅拌结束后扒渣处理；脱硫终点S≤0.001%；
（2）转炉冶炼：采用双渣法冶炼，吹氧枪位控制在1.40～1.80m，氧压控制住0.80～0.85MPa，供氧流量14500～17500m3/h，供氧时间850～950s；造渣碱度2.8～4.0，根据炉内渣情况分批少量加入萤石，每炉总加入量≤550kg，吹炼终点前2min严禁加入萤石；在出钢至3/4～4/5时间内加入挡渣球、挡渣塞进行挡渣出钢，冶炼终点要求P≤0.002%，出钢过程中严禁点吹操作，避免增氮，渣厚≤100mm；
（3）炉外精炼：LF处理时间≥60min，白渣碱度控制为4.0～6.0，白渣保持时间≥10min，微调合金后吹氩时间≥5min，避免精炼中后期钢水裸露，确保精炼结束后氮增量≤0.001%；
（4）RH真空处理：真空度＜67Pa，真空处理保持时间≥16min，添加Y和Ti合金并控制Y：0.015～0.072%，Ti：0.007～0.030%；
（5）轧制：采用横轧展宽，纵轧到底，展宽比≤1.25，控制开轧温度1020～1080℃，终轧温度830～890℃；
（6）冷却：对轧后钢板弛豫缓冷（5+h/4）s后进行层流冷却，控制冷却速度（2+h/5）℃/s，其中h是以mm为单位的成品厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢，其特征在于：所述Ti：0.012～0.027%，Y：0.022～0.063%。
3.根据权利要求1所述的一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢，其特征在于：所述耐火钢的厚度为10～100mm，具有优良的耐火性能和焊接性能，且700℃下屈服强度均不低于室温屈服强度的75%，高温蠕变持久时间为4.8～6.0小时。
4.如权利要求1所述的一种700℃高温蠕变断裂性能优良的焊接结构用耐火钢，其特征在于：所述开轧温度为1030～1070℃，终轧温度为840～880℃。
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