EP0882807B1 - Feuerresistente nickelfreie Stähle für den Stahlbau und Verfahren zur Herstellung von Grobblech daraus - Google Patents

Feuerresistente nickelfreie Stähle für den Stahlbau und Verfahren zur Herstellung von Grobblech daraus Download PDF

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EP0882807B1
EP0882807B1 EP98110023A EP98110023A EP0882807B1 EP 0882807 B1 EP0882807 B1 EP 0882807B1 EP 98110023 A EP98110023 A EP 98110023A EP 98110023 A EP98110023 A EP 98110023A EP 0882807 B1 EP0882807 B1 EP 0882807B1
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steels
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fire
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ThyssenKrupp Steel Europe AG
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Thyssen Stahl AG
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/26—Methods of annealing
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D8/0226—Hot rolling
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    • C22C—ALLOYS
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten

Definitions

  • the invention relates to fire-resistant nickel-free steels with a yield strength Re> 280 N / mm 2 and a yield strength ratio Re / Rm (yield strength R e : tensile strength R m ) between 0.4 and 0.6, in particular in the form of heavy plates for use in steel construction and a process for the production of heavy plates from it.
  • Fire resistant steels must have high heat resistance have, so in steel construction a reduction of expensive Fire protection measures is made possible. At the same time a fire resistant steel to achieve a good one Deformation behavior a very low yield ratio Show Re / Rm. This increases the security of the Construction against mechanical failure Burden.
  • the steels to be created according to the invention also have structural steel for steel structures requirements regarding To meet toughness and processing behavior and increased resistance to atmospheric corrosion To have (weather resistance).
  • the critical temperature is reached when the at this temperature measured yield point below 2/3 of the yield point measured at room temperature has sunk.
  • Conventional structural steels have about 350 ° C their critical temperature. Because of the need expensive fire protection measures for conventional structural steels Having to undertake to a considerable extent is one Inexpensive construction work is not guaranteed and a optimal use of space is often difficult.
  • a number of suitable fire-resistant steels with yield strength values of at least 270 to 450 N / mm 2 and increased heat resistance are known, for example from EP 0 470 055 A2.
  • the critical temperature could be up to max. 600 ° C can be raised. This has already improved fire protection.
  • the improvement in the deformation behavior is very small because the yield strength ratio of these steels is only 10% lower than that of conventional structural steels with the same high yield strength.
  • the object of the present invention is now based on proposing steels with which fire protection measures through a state of the art increased critical temperature can be further reduced can and at the same time a well known Steels improved ductility through a lower Have yield strength ratio. This is supposed to inexpensive and modern building design with high Security against mechanical failure of the construction enables and, in parallel, increased resistance against atmospheric corrosion.
  • the steel according to the invention is used in free-standing or continuous casting cast into slabs, which after heating to 1050 to 1200 ° C are hot rolled at final rolling temperatures in Range from 920 to 1000 ° C. Then the Cooling in air.
  • the heavy plates produced in this way with thicknesses to 50 mm are then in the temperature range from 880 to 950 ° C and can not be normalized for longer than 30 min additionally in the temperature range from 400 to 700 ° C be started.
  • Steel creates a multi-phase structure that mainly consists of Ferrite and pearlite with embedded bainitic / martensitic Islands exist and moreover fine has distributed carbide deposits. On this The structure is based on the high heat resistance and the low Yield strength ratio as a prerequisite for good Deformability of the heavy plate.
  • Table 1 lists the chemical compositions and the mechanical properties of three fire-resistant nickel-free steels according to the invention in the form of 20, 25 and 40 mm thick plate.
  • the steels were cast into slabs, which were then heated to 1150 ° C and rolled into heavy plates. The final rolling temperature was 950 ° C. After rolling the sheets are cooled in air and then normalized annealing at 910 to 930 ° C with less than 30 min duration of hold.
  • Table 2 contains the mechanical properties achieved with the new fire-resistant nickel-free steels.
  • the significantly higher heat resistance of the steels according to the invention which is characterized here by the yield strength Re at 600 ° C., which is between 250 and 283 N / mm 2, is particularly characteristic. This corresponds to a reduction in the yield strength compared to room temperature with more than 2.34 / 3 well over 2/3. This allows the critical temperature to be raised to over 600 ° C. As a result, the effort for additional insulation against heating the steel in the event of a fire can be significantly reduced.
  • the improved deformability of the fire-resistant steels according to the invention compared to conventional steels is also clear.
  • Steels according to the invention have an approx. 0.48 to 0.54. 15 to 20% lower yield strength ratio than conventional steels with the same high yield strength values.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf feuerresistente nickelfreie Stähle mit einer Streckgrenze Re > 280 N/mm2 und einem Streckgrenzenverhältnis Re/Rm (Streckgrenze Re: Zugfestigkeit Rm) zwischen 0,4 und 0,6, insbesondere in Form von Grobblechen für den Einsatz im Stahlbau sowie ein Verfahren zur Herstellung von Grobblechen daraus.
Feuerresistente Stähle müssen eine hohe Warmfestigkeit aufweisen, damit im Stahlbau eine Verringerung von teuren Brandschutzmaßnahmen ermöglicht wird. Gleichzeitig soll ein feuerresistenter Stahl zur Erzielung eines guten Verformungsverhaltens ein sehr niedriges Streckgrenzenverhältnis Re/Rm aufweisen. Das erhöht die Sicherheit der Konstruktion gegen Versagen infolge mechanischer Belastung. Die erfindungsgemäß zu schaffenden Stähle haben darüberhinaus die an Baustähle für Stahlkonstruktionen gestellten Anforderungen hinsichtlich Zähigkeit und Verarbeitungsverhalten zu erfüllen und einen erhöhten Widerstand gegen atmosphärische Korrosion (Wetterfestigkeit) zu besitzen.
Für den Brandschutz von Stahlkonstruktionen werden Stahlteile derzeit z.B. durch Spritzputz oder Platten abgedeckt. Ziel ist es, im Brandfall die Dauer bis zum Erreichen einer kritischen Temperatur möglichst lang zu halten oder diese Temperatur gar nicht zu erreichen.
Die kritische Temperatur ist erreicht, wenn der bei dieser Temperatur gemessene Streckgrenzenwert unter 2/3 des bei Raumtemperatur gemessenen Streckgrenzenwertes abgesunken ist. Konventionelle Baustähle haben bei etwa 350 °C ihre kritische Temperatur. Durch die Notwendigkeit bei konventionellen Baustählen teure Brandschutzmaßnahmen in erheblichem Umfang vornehmen zu müssen, ist eine kostengünstige Bauabwicklung nicht gewährleistet und eine optimale Raumausnutzung vielfach schwierig.
Um die Brandschutzmaßnahmen zur Kostenreduzierung bei Stahlbauten zu verringern, sind bereits eine Reihe geeigneter feuerresistenter Stähle mit Streckgrenzenwerten von mindestens 270 bis 450 N/mm2 und erhöhter Warmfestigkeit bekannt, z.B. aus der EP 0 470 055 A2. Die kritische Temperatur konnte bei ihnen bis max. 600 °C angehoben werden. Dadurch wurde bereits ein verbesserter Brandschutz erreicht. Die Verbesserung des Verformungsverhaltens ist jedoch sehr gering, weil das Streckgrenzenverhältnis dieser Stähle nur um höchstens 10 % niedriger liegt als bei konventionellen Baustählen mit gleich hoher Streckgrenze.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, Stähle vorzuschlagen, mit denen Brandschutzmaßnahmen durch eine über den Stand der Technik erhöhte kritische Temperatur weiter reduziert werden können und die gleichzeitig eine gegenüber bekannten Stählen verbesserte Verformbarkeit durch ein geringeres Streckgrenzenverhältnis aufweisen. Hierdurch soll eine kostengünstige und moderne Baugestaltung mit hoher Sicherheit gegen mechanisches Versagen der Konstruktion ermöglicht und parallel dazu ein erhöhter Widerstand gegen atmosphärische Korrosion geschaffen werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen nickelfreien Stahl folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%) gelöst:
  • 0,06 bis 0,20 % C,
  • 0,20 bis 0,30 % Si,
  • 0,50 bis 1,60 % Mn,
  • 0,020 bis 0,045 % Allösl,
  • 0,50 bis 0,90 % Cr,
  • 0,10 bis 0,40 % Mo,
  • 0,01 bis 0,05 % V
    • Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen.
    Wahlweise kann dieser Stahl zusätzlich ein oder mehrere der folgenden Elemente in den angegebenen Mengen (in Masse-%) enthalten:
  • bis 0,008 % N,
  • bis 0,75 % Cu,
  • bis 0,0040 % B,
  • bis 0,0030 % Ca.
    • Der erfindungsgemäße Stahl wird im Stand- oder Strangguß zu Brammen vergossen, die nach dem Erwärmen auf 1050 bis 1200 °C warmgewalzt werden bei Endwalztemperaturen im Bereich von 920 bis 1000 °C. Anschließend erfolgt die Abkühlung an Luft. Die so erzeugten Grobbleche mit Dicken bis 50 mm werden danach im Temperaturbereich von 880 bis 950 °C nicht länger als 30 min normalgeglüht und können zusätzlich im Temperaturbereich von 400 bis 700 °C angelassen werden.
    Das Normalglühen ähnlich zusammengesetzter Baustähle mit hoher Feuerbeständigkeit und geringem Streckgrenzenverhältnis war aus der EP 0 347 156 A2 (Tabelle 13, Stähle 13 und 21) bereits an sich bekannt. Die in dieser Schrift offenbarten Stähle haben jedoch einen höheren Molybdängehalt von 0,4 bis 0,7 %. Sie erreichen im übrigen nicht das erfindungsgemäß angestrebte niedrige Streckgrenzenverhältnis von 0,4 bis 0,6. Der einzige in dieser Schrift offenbarte Stahl Nr. 13, der ein Streckgrenzenverhältnis von 0,6 aufweist und auch bei 600 °C ein noch nicht auf 2/3 abgesunkenes Streckgrenzenverhältnis aufweist, ist mit Niob und Titan statt mit Vanadium legiert und hat einen höheren Molybdängehalt von 0,48 % als der erfindungsgemäße Stahl, bei dem der Molybdängehalt maximal 0,40 % ist.
    Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Stahl ein mehrphasiges Gefüge erzeugt, das vorwiegend aus Ferrit und Perlit mit eingelagerten bainitisch/martensitischen Inseln besteht und darüberhinaus fein verteilte Carbidausscheidungen aufweist. Auf diesem Gefüge beruht die hohe Warmfestigkeit und das niedrige Streckgrenzenverhältnis als Voraussetzung für eine gute Verformbarkeit des Grobblechs.
    In Tabelle 1 sind die chemischen Zusammensetzungen und die mechanischen Eigenschaften dreier erfindungsgemäßer feuerresistenter nickelfreier Stähle in Form von 20, 25 und 40 mm dickem Grobblech aufgelistet.
    Die Stähle wurden zu Brammen vergossen, die anschließend auf 1150 °C erwärmt und zu Grobblechen ausgewalzt wurden. Die Endwalztemperatur lag bei 950 °C. Nach dem Walzen werden die Bleche an Luft abgekühlt und anschließend einer Normalglühung bei 910 bis 930 °C mit weniger als 30 min Haltedauer unterzogen.
    Tabelle 2 enthält die mit den neuen feuerresistenten nickelfreien Stählen erreichten mechanischen Eigenschaften. Charakteristisch ist insbesondere die deutlich höhere Warmfestigkeit der erfindungsgemäßen Stähle, die hier durch die Streckgrenze Re bei 600 °C gekennzeichnet ist, die zwischen 250 und 283 N/mm2 liegt. Das entspricht einer Streckgrenzenverminderung gegenüber Raumtemperatur mit mehr als 2,34/3 deutlich über 2/3. Damit kann die kritische Temperatur auf über 600 °C angehoben werden. Dadurch kann der Aufwand für zusätzliche Isolierung gegen ein Aufheizen des Stahles im Brandfall deutlich reduziert werden. Darüberhinaus wird auch die verbesserte Verformbarkeit der erfindungsgemäßen feuerresistenten Stähle gegenüber konventionellen Stählen deutlich. So weisen erfindungsgemäße Stähle mit 0,48 bis 0,54 ein rd. 15 bis 20 % niedrigeres Streckgrenzenverhältnis auf als konventionelle Stähle, die gleich hohe Streckgrenzenwerte besitzen.
    Figure 00060001

    Claims (3)

    1. Feuerresistenter nickelfreier Stahl,insbesondere in Form von Grobblech, mit einer Streckgrenze Re > 280 N/mm2 und einem Streckgrenzenverhältnis Re/Rm zwischen 0,4 und 0,6 für den Stahlbau, mit folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%) :
      0,06 bis 0,20 % C,
      0,20 bis 0,30 % Si,
      0,50 bis 1,60 % Mn,
      0,020 bis 0,045 % Allösl,
      0,50 bis 0,90 % Cr,
      0,10 bis 0,40 % Mo,
      0,01 bis 0,05 % V,
      sowie gegebenenfalls
      bis 0,008 % N,
      bis 0,75 % Cu,
      bis 0,0040 % B,
      bis 0,0030 % Ca,
      Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen.
    2. Verfahren zur Herstellung von Grobblech mit Dicken bis 50 mm aus einem der Stahl der Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl im Stand- oder Strangguß zu Brammen vergossen wird, die nach dem Erwärmen auf 1050 bis 1200 °C warmgewalzt werden bei Endwalztemperaturen zwischen 920 und 1000 °C mit anschließender Abkühlung an Luft und daß die Grobbleche im Temperaturbereich von 880 bis 950 °C nicht länger als 30 min normalgeglüht werden.
    3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die warmgewalzten und normalgeglühten Grobbleche bei Temperaturen im Bereich von 400 bis 700 °C angelassen werden.
    EP98110023A 1997-06-07 1998-06-02 Feuerresistente nickelfreie Stähle für den Stahlbau und Verfahren zur Herstellung von Grobblech daraus Expired - Lifetime EP0882807B1 (de)

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    EP0882807A1 EP0882807A1 (de) 1998-12-09
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