专利名称：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°c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°C，第一阶段终轧温度不小于980°C;第二阶段轧制开始温度970 850°C，再结晶区轧制积累变形量大于60%，终轧温度750 900°C ;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°C，终冷温度为700 400°C ;最后将钢板快速堆垛缓冷，堆垛温度650 300°C，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%彡20%，屈强比Rel (或Rp0.2)/Rm彡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°C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%,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%,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%，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 10 μ m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%、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 % ；T1:0.010 0.020 % ；Ni:0.015 0.025% ；Als:0.020 0.050% ；N S 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: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%，其量为Fe。冶炼加热炉内加热温度为1180°C 1220°C，加热时间为3.0
4.0h ;粗轧开轧 温度1080°C 1120°C，进行4 6道次轧制；精轧开轧温度800°C 900°C，进行4 9道次轧制，终轧温度800 830°C ;控冷开始喷水冷却温度780°C 820°C，终止喷水冷却温度为600°C 720V。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°C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%, 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:A1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:0[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:
O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0[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°C 885°C；
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°C 765°C ;当整体成分取值偏上限时，则终轧温度控制在766°C 885°C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°C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°C而低于600°C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°C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°C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0，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10 μ m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。T1: 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
0[T]: 0.0020% 0.0080%，优选的O[Τ]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。0[Τ]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含量分别限定在彡0.02%及彡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0，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°C 885°C，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 °C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。
具体实施例方式下面对本发明予以详细描述:
表I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0[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°C 885°C；
3)空冷至室温。表1.本发明实施例与比较钢化学成分
权利要求
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%, 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 和不可避免的杂质。
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:C的重量百分比含量为0.075 0.15%。
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:Si的重量百分比含量为 0.55 0.65%。
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:A1的重量百分比含量为 0.061 0.12%。
5.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%O
6.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:0的重量百分比含量为0.0035 0.0065%。
7.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: O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0[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°C 885°C； 3)空冷至室温。
8.如权利要求7所述的生产一种耐火的船体结构用钢的方法，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°C 765°C;当整体成分取值偏上限时，则终轧温度控制在766°C 885°C范围。
全文摘要
一种耐火的船体结构用钢，其组分及重量百分比含量为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。
文档编号C21C7/10GK103147001SQ20131005677
公开日2013年6月12日 申请日期2013年2月22日 优先权日2013年2月22日
发明者陈颜堂, 郭斌, 李书瑞, 张开广, 刘文斌, 童明伟, 邹德辉 申请人:武汉钢铁(集团)公司