專利名稱：一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)鋼及其生產(chǎn)方法，具體地屬于一種內(nèi)高溫結(jié)構(gòu)用鋼及其生產(chǎn)方法，確切地為能夠在600°c高溫下鋼材下屈服強(qiáng)度ReL不低于室溫屈服強(qiáng)度的75%的船體結(jié)構(gòu)用鋼及其生產(chǎn)方法。
背景技術(shù)：
巨型客輪、大型油船、海洋鉆井平臺(tái)、遠(yuǎn)洋船舶、艦艇火災(zāi)事故時(shí)有發(fā)生，造成人員生命、財(cái)產(chǎn)損失，有的還嚴(yán)重破壞了區(qū)域海洋生態(tài)環(huán)境。傳統(tǒng)的客輪、油船、海洋鉆井平臺(tái)、遠(yuǎn)洋船舶多采用普通船體結(jié)構(gòu)鋼建造，這些鋼材耐火性能差，隨著溫度的升高其強(qiáng)度急劇下降，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生坍塌，極易造成人員傷亡。如果采用耐火鋼板建造，即使發(fā)生火災(zāi)，耐火鋼結(jié)構(gòu)也不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)垮塌，著火區(qū)域人員有足夠的時(shí)間逃離險(xiǎn)境，而且可以贏得救援時(shí)間，減少人員、生態(tài)和財(cái)產(chǎn)損失。經(jīng)檢索，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01010276585.1專利文獻(xiàn)，公開了 “一種490級(jí)別建筑結(jié)構(gòu)用耐火鋼板及其制造方法”，其鋼板化學(xué)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%。其制造方法是:鋼坯加熱溫度1100 1280°C，第一階段終軋溫度不小于980°C;第二階段軋制開始溫度970 850°C，再結(jié)晶區(qū)軋制積累變形量大于60%，終軋溫度750 900°C ;在終軋和開始冷卻之間保留30 120秒；之后進(jìn)行控制冷卻，開冷溫度為700 850°C，終冷溫度為700 400°C ;最后將鋼板快速堆垛緩冷，堆垛溫度650 300°C，保溫時(shí)間為10 24小時(shí)?？色@得良好且均勻的板型和性能，延伸率A%彡20%，屈強(qiáng)比Rel (或Rp0.2)/Rm彡0.8。該專利文獻(xiàn) 的不足在于化學(xué)成分中含Cr，這是因?yàn)樵诜蹨囟雀哂?00°C時(shí)，Cr與C的析出相會(huì)迅速集聚長(zhǎng)大，與基體失去共格關(guān)系，產(chǎn)生大的空洞，即裂紋，高溫強(qiáng)度會(huì)快速下降，失去耐火性能；另外其成形軋制過(guò)程較為復(fù)雜，控制參數(shù)較多，降低鋼材成材率，增加生產(chǎn)成本。檢索到的中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00780032737.X的專利文獻(xiàn)，公開了一種“高溫強(qiáng)度、韌性和耐再熱脆化特性優(yōu)異的耐火鋼材及其制造方法”，其化學(xué)成分以質(zhì)量％計(jì)，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，其余量由Fe以及不可避免的雜質(zhì)組成。類似另一項(xiàng)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00880011610.4的專利文獻(xiàn)，公開了一種“高溫強(qiáng)度和韌性優(yōu)良的鋼材及其制造方法”，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 低于0.040%,N:0.0008% 低于0.0050%，將P、S的含量限定為P:0.03%以下、S:0.02%以下，余量為Fe及不可避免的雜質(zhì)；滿足C-Nb/7.74 ( 0.004，以30 300個(gè)/mm2的密度具有粒徑為0.05 10 μ m的Ti系氧化物。該兩項(xiàng)專利文獻(xiàn)的不足在于鋼中添加的合金元素C含量較低，因而高溫下強(qiáng)度較低；添加的N與Ti生成大顆粒四方形的TiN導(dǎo)致鋼材疲勞強(qiáng)度降低，若用于海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)，易較低這些鋼結(jié)構(gòu)服役年限。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00980000163.7的專利文獻(xiàn)，公開了一種“焊接接頭部的耐再熱脆化性和韌性優(yōu)良的耐火鋼材及其制造方法”，其鋼材是室溫強(qiáng)度為400 600N/mm2級(jí)的鋼，并使用下述鋼制得，該鋼作為主要成分含有C:0.010%以上且低于0.05%、S1:
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 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(guān)系。該專利文獻(xiàn)存在的不足是化學(xué)成分過(guò)于復(fù)雜，需要控制的合金元素很多，是一種不經(jīng)濟(jì)的鋼種。鋼中合金元素Cr使碳化物在高溫下易急劇長(zhǎng)大，失去高溫強(qiáng)化效果，惡化鋼的力學(xué)性能和使用性能。中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?01110213957.0的專利文獻(xiàn)，公開了 “一種高強(qiáng)度高韌性船板鋼及其TMCP生產(chǎn)工藝方法”，該專利文獻(xiàn)提供了一種高強(qiáng)度高韌性船板鋼及其TMCP生產(chǎn)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% ;其余為 Fe 和微量雜質(zhì)。類似地，另一項(xiàng)中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)枮?00810235729.1的專利文獻(xiàn)，公開了一種“寬厚規(guī)格高強(qiáng)度船板鋼及其生產(chǎn)工藝”，該專利文獻(xiàn)提供了一種高強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)工藝，寬厚規(guī)格高強(qiáng)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(nèi)加熱溫度為1180°C 1220°C，加熱時(shí)間為3.0
4.0h ;粗軋開軋 溫度1080°C 1120°C，進(jìn)行4 6道次軋制；精軋開軋溫度800°C 900°C，進(jìn)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(xiàn)僅僅是生產(chǎn)普通船體結(jié)構(gòu)鋼材，不具有抗高溫耐火性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種在600°C環(huán)境中能持續(xù)時(shí)間3.5 4.0小時(shí)，鋼材下屈服強(qiáng)度ReL不低于室溫屈服強(qiáng)度的75%的耐火船體結(jié)構(gòu)鋼及其制造方法。實(shí)現(xiàn)上述目的的措施:
一種耐火的船體結(jié)構(gòu)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%,余量 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選的:C的重量百分比含量為0.075 0.15%。優(yōu)選的:Si的重量百分比含量為0.55 0.65%。優(yōu)選的:A1的重量百分比含量為0.061 0.12%。優(yōu)選的:Ti的重量百分比含量為0.05 0.068%。優(yōu)選的:0[T]的重量百分比含量為0.0035 0.0065%。
生產(chǎn)一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼的方法，其步驟為:
O冶煉，控制在RH真空爐處理時(shí)間為10 30分鐘；當(dāng)RH真空爐處理時(shí)間達(dá)到所設(shè)定處理時(shí)間的五分之四時(shí)，按照吹氧量為900 1050m3/分鐘吹氧3 10秒鐘，然后再繼續(xù)進(jìn)行真空處理直至處理結(jié)束，控制鋼液中0[T]含量在0.0020% 0.0080% ；
2)經(jīng)對(duì)鑄坯常規(guī)加熱后進(jìn)行控制軋制，控制終軋溫度在725°C 885°C；
3)空冷至室溫。其特征在于:當(dāng)整體成分偏下限取值時(shí)，則終軋溫度控制在725°C 765°C ;當(dāng)整體成分取值偏上限時(shí)，則終軋溫度控制在766°C 885°C范圍。本發(fā)明主要合金元素含量的設(shè)定及制造方法，依據(jù)以下原理:
隨著溫度的升高，低合金結(jié)構(gòu)鋼的微觀結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生回復(fù)、再結(jié)晶現(xiàn)象，回復(fù)過(guò)程一般發(fā)生在溫度低于200°C的情況，在該過(guò)程中結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度略有降低。環(huán)境溫度高于200°C而低于600°C時(shí)，就會(huì)發(fā)生初級(jí)再結(jié)晶現(xiàn)象，即新的無(wú)畸變的晶核就會(huì)形成，鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度就會(huì)明顯下降，環(huán)境溫度超過(guò)600°C時(shí)，就會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，形成的無(wú)畸變的晶核的晶界就會(huì)遷移，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度會(huì)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(shí)的屈服強(qiáng)度不低于室溫屈服強(qiáng)度的75%，重要措施在于遏制再結(jié)晶晶核的長(zhǎng)大，即抑制再結(jié)晶晶界的遷移，本發(fā)明技術(shù)就是利用鋼中高溫穩(wěn)定的第二相粒子Al2O3及Ti2O3在高溫下阻礙晶界的移動(dòng)速率，從而有效抑制了晶粒長(zhǎng)大，使得本發(fā)明鋼材在高溫下仍具有理想的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。因此，本發(fā)明鋼中重要的合金元素為Al、Ti和0，按本發(fā)明提供的制造方法，可在鋼中獲得細(xì)小的、分布均勻的Al2O3及Ti2O3顆粒，這些顆粒處于晶界處就會(huì)有效地阻止晶界的移動(dòng)，分布在基體中的Al2O3及Ti2O3顆粒會(huì)與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，釘扎位錯(cuò)，抑制位錯(cuò)的滑移，提高鋼的屈服強(qiáng)度，位于珠光體區(qū)域的Al2O3及Ti2O3顆粒，會(huì)提高鋼的抗拉強(qiáng)度，整體結(jié)果是鋼的高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均得到提高。以下簡(jiǎn)述本發(fā)明鋼中選定各合金元素及成分范圍的理由:
C，設(shè)定范圍為0.061% 0.19%，％，優(yōu)選0.075 0.15%。C為低合金結(jié)構(gòu)鋼中有效的間隙固溶強(qiáng)化元素之一，生產(chǎn)過(guò)程中易控制其含量。為使本發(fā)明鋼材室溫屈服強(qiáng)度在375 550MPa范圍，采用本發(fā)明提供的制造方法得以滿足，過(guò)低的C含量易使鋼材的室溫屈服強(qiáng)度低于375MPa，過(guò)高的C含量易使得鋼材的沖擊韌性和斷裂韌性降低。Si，設(shè)定范圍是0.45% 0.75%，優(yōu)選的Si含量范圍按重量百分比為0.55
0.65%。加入鋼中可顯著提高鋼的屈服強(qiáng)度，另外，加入鋼中的Si可使得鋼材具有熱強(qiáng)性，在高溫環(huán)境下，Si有阻礙晶粒長(zhǎng)大的功效，提高鋼的高溫強(qiáng)度，但過(guò)多地加入Si會(huì)使鋼的韌性，尤其使低溫韌性明顯降低。Mn，設(shè)定范圍0.10% 0.50%。加入鋼中可形成置換固溶強(qiáng)化效果，提高鋼的屈服強(qiáng)度，還可以降低鋼的相變溫度，通過(guò)控制軋制過(guò)程，細(xì)化晶粒，在提高鋼的強(qiáng)度同時(shí)提高其斷裂韌性，但對(duì)鋼的高溫強(qiáng)度貢獻(xiàn)不大，且與S反應(yīng)生產(chǎn)易變形的MnS，惡化鋼材的室溫性能和高溫性能，故耐高溫結(jié)構(gòu)鋼中不宜多加合金元素Mn。Al: 0.055% 0.15%，，優(yōu)選0.061 0.12%范圍。加入適量的Al，采用本發(fā)明提
供的制造方法，在鋼中形成彌散分布、細(xì)小的Al2O3顆粒。其一方面抑制鋼中原子擴(kuò)散，提高鋼的屈服強(qiáng)度；另一方面， 可有效釘扎晶界，產(chǎn)生細(xì)化晶粒效果，提高鋼的高溫強(qiáng)度，使鋼具有良好的耐火性能。但過(guò)量的Al含量會(huì)生產(chǎn)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于10 μ m即稱為大顆粒析出相，大顆粒Al2O3易形成不規(guī)則尖角形狀，在外力作用下，這些尖角會(huì)“刺傷”基體，產(chǎn)生宏觀裂紋，在高溫下這些裂紋會(huì)加速擴(kuò)展，威脅鋼結(jié)構(gòu)的安全。T1: 0.041% 0.075%,優(yōu)選范圍0.05 0.068%。加入適量的Ti，采用本發(fā)明提供的制造方法，使其在鋼中形成彌散分布、細(xì)小高溫很穩(wěn)定的Ti2O3顆粒，一方面抑制鋼中原子擴(kuò)散，提高鋼的屈服強(qiáng)度；另一方面，可有效釘扎晶界，產(chǎn)生細(xì)化晶粒效果，提高鋼的高溫強(qiáng)度，使鋼具有良好的耐火性能。但過(guò)量的Ti含量會(huì)生產(chǎn)大顆粒的TiN惡化鋼的性能。因?yàn)檫@些TiN大顆粒第二相與基體失去了共格關(guān)系，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(cuò)的遷移，反而還促使了裂紋的擴(kuò)展，其室溫和高溫力學(xué)性能均會(huì)急劇降低
0[T]: 0.0020% 0.0080%，優(yōu)選的O[Τ]含量范圍按重量百分比為0.0035 0.0065%。按照本發(fā)明提供的生產(chǎn)方法，可與鋼中Al、Ti反應(yīng)生成Al2O3及Ti2O3顆粒，在高溫下抑制再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大，提高鋼的高溫性能，使得本發(fā)明鋼具有耐火性能，且剩余自由O的含量很少，過(guò)低的O含量不足以在鋼中生成Al2O3及Ti2O3顆粒，過(guò)多的O含量易使鋼產(chǎn)生脆性，且惡化鋼的冷加工性能。0[Τ]超過(guò)0.0080%時(shí)，鋼中自由氧含量就會(huì)顯著增加，增加的自由氧以固溶狀態(tài)處于鋼基體中，釘扎位錯(cuò)，使得鋼材冷彎等冷加工過(guò)程易發(fā)生斷裂現(xiàn)象，更難于保證鋼的高溫性能。P、S是鋼中有害的雜質(zhì)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，惡化鋼的沖擊韌性和加工性能，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(guò)低，會(huì)增加生產(chǎn)難度，提高生產(chǎn)成本，將鋼得P、S含量分別限定在彡0.02%及彡0.010%常規(guī)范圍。以下簡(jiǎn)述生產(chǎn)方法所依據(jù)的原理:
鋼水冶煉過(guò)程采用RH真空系統(tǒng)精練，時(shí)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(xù)時(shí)間到總時(shí)間的4/5時(shí)，吹氧3 10秒鐘，最后剩余時(shí)間完成RH精煉，使得鋼中氧含量達(dá)到O: 0.0020% 0.0080%。目的在于使鋼中含有適量的0，與Al、Ti反應(yīng)生成Al2O3及Ti2O3顆粒，吹氧時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)增加鋼中自由氧含量，惡化鋼的室溫性能和高溫性能，時(shí)間短了，沒(méi)有足夠多的O與Al、Ti反應(yīng)生成Al2O3及Ti2O3顆粒。鋼板軋制過(guò)程采用控制軋制方法，終軋溫度控制在725°C 885°C，軋后空冷至室溫。使得鋼板室溫屈服強(qiáng)度為375 550MPa。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，在化學(xué)成分簡(jiǎn)單，易控制的前提下，在600 °C環(huán)境中持續(xù)時(shí)間3.5 4.0小時(shí)，鋼材下屈服強(qiáng)度ReL不低于室溫屈服強(qiáng)度的75%，且成本較低，適宜
規(guī)模生產(chǎn)。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明予以詳細(xì)描述:
表I為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比例的組分取值列表；
表2為本發(fā)明各實(shí)施例及對(duì)比 例的主要工藝參數(shù)及性能列表；
本發(fā)明各實(shí)施例按照以下步驟生產(chǎn):其步驟:
1)冶煉，控制在RH真空爐處理時(shí)間為10 30分鐘；當(dāng)RH真空爐處理時(shí)間達(dá)到所設(shè)定處理時(shí)間的五分之四時(shí)，按照吹氧量為900 1050m3/分鐘吹氧3 10秒鐘，然后再繼續(xù)進(jìn)行真空處理直至處理結(jié)束，控制鋼液中0[T]含量在0.0020% 0.0080% ；
2)經(jīng)對(duì)鑄坯常規(guī)加熱后進(jìn)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(fā)明實(shí)施例與比較鋼化學(xué)成分
權(quán)利要求
1.一種耐火的船體結(jié)構(gòu)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%,余量 Fe 和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼，其特征在于:C的重量百分比含量為0.075 0.15%。
3.如權(quán)利要求1所述的一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼，其特征在于:Si的重量百分比含量為 0.55 0.65%。
4.如權(quán)利要求1所述的一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼，其特征在于:A1的重量百分比含量為 0.061 0.12%。
5.如權(quán)利要求1所述的一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼，其特征在于:Ti的重量百分比含量為 0.05 0.068%O
6.如權(quán)利要求1所述的一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼，其特征在于:0的重量百分比含量為0.0035 0.0065%。
7.生產(chǎn)權(quán)利要求1所述的一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼的方法，其步驟為: O冶煉，控制在RH真空爐處理時(shí)間為10 30分鐘；當(dāng)RH真空爐處理時(shí)間達(dá)到所設(shè)定處理時(shí)間的五分之四時(shí)，按照吹氧量為900 1050m3/分鐘吹氧3 10秒鐘，然后再繼續(xù)進(jìn)行真空處理直至處理結(jié)束，控制鋼液中0[T]含量在0.0020% 0.0080% ； 2)經(jīng)對(duì)鑄坯常規(guī)加熱后進(jìn)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(quán)利要求7所述的生產(chǎn)一種耐火的船體結(jié)構(gòu)用鋼的方法，其特征在于:當(dāng)整體成分偏下限取值時(shí)，則終 軋溫度控制在725°C 765°C;當(dāng)整體成分取值偏上限時(shí)，則終軋溫度控制在766°C 885°C范圍。
全文摘要
一種耐火的船體結(jié)構(gòu)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(chǎn)步驟冶煉；經(jīng)對(duì)鑄坯常規(guī)加熱后進(jìn)行控制軋制，控制終軋溫度在725℃～885℃；空冷至溫。本發(fā)明在化學(xué)成分簡(jiǎn)單，易控制的前提下，在600℃環(huán)境中持續(xù)時(shí)間3.5～4.0小時(shí)，鋼材下屈服強(qiáng)度ReL不低于室溫屈服強(qiáng)度的75％，且成本較低，適宜規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C21C7/10GK103147001SQ20131005677
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月22日
發(fā)明者陳顏堂, 郭斌, 李書瑞, 張開廣, 劉文斌, 童明偉, 鄒德輝 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司