耐火钢的开发与应用综述
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[ 1, 13] [ 3]
.
添加 Cr 等其他合金元素的作用 Cr 可以有效提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能. 但 Cr 与 M o, V 等共同加入时对钢的高温
ຫໍສະໝຸດ Baidu
性能的影响是复杂的 . Cr 在铁素体中的扩散系数较高, 容易与 C 结合形成碳化物, 例如 Cr 7 C 3 碳化 物, 最低在 500 左右就会析 出, 但其稳定性较差 , 容易聚集长大. Cr 的另一个不利作用是降低 Mo 2 C 的组织稳定性 , 并使二次硬化温度降低 [ 1] . 在耐火钢中采用 Cr, 一是用于提高钢的高温强度 和蠕变强度, 另一个主要目的是提高钢的耐侯性. 在开发具有耐侯性的耐火钢时 , 还常用到 Ni, Cu 等可提高耐侯性的合金元素.
收稿日期 : 2005- 01- 12 作者简介 : 完卫国 ( 1964- ) , 男 , 安徽马鞍山人 , 马鞍山钢铁股份有限公司教授级高级工程师 .
) 在 500~ 600
或 700
以上时
s
降至 50 M Pa 以下. 如果把保证强度的温度定在 700
, 则必须加入大量的合金元素, 这就很难保证其良好的可焊性 , 也大大提高了成本 . 若将保证强度 , 那么仅能使耐火涂层的厚度略微减少 , 这又不符合使用耐火钢的初衷 .
[ 2] [ 2]
表明 , 单独添加 Nb 可增加钢的室温和高温强度, 0. 02% 的 Nb 可使 600
下
1) 本文中的屈强比、 含量及化学组成等百分数均为质量分数。
钢的高温强度增加 20 M Pa, 还可使屈强比提高 10% ; 单独添加 Mo 也能增加钢的室温和高温强 度, 0. 50% 的 M o 可使 600 下钢的高温强度增加 74 MP a, 而屈强比则变化不大 ; 0. 50% 的 Mo 和 0. 02% 的 Nb 复合添加时钢的室温强度增加 , 同时 , 其高温强度亦明显增加 ( 增加了 101 M Pa) , 屈 强比则变化不大 . 由此可见, N b, M o 复合添加是提高钢高温强度的有效途径 . Mo 固溶于铁素体中, 强化了铁素体基体 , 高温下 M o 在铁素体中扩散速度较慢, 因而可显著 提高钢的高温强度与蠕变强度 . 研究表明 [ 1, 3, 12] , 固溶的 M o 容易在晶界上偏聚, 起到提高钢的高温 强度的作用 . M o 还可增加过冷奥氏体的稳定性 , 加 M o 后钢中贝氏体体积分数增加. 高位错密度 的贝氏体组织使耐火钢获得了良好的高温性能. M o 在钢中析出形成碳化物提高了其高温强度 . Nb 主要依靠 NbC 在铁素体中的析出强化来提高钢的高温强度. 关于 Nb, M o 复合添加后可产生更好的沉淀强化效果的原因目前有 2 种观点. 第 1 种观点认 为复合添加 时除了单独添加 Nb, M o 的强化作用外 , Mo 还能在 NbC/ 基 体界面上富集 , 阻止了 NbC 颗粒的粗化, 从而进一步提高了钢的高温强度 ; 第 2 种观点认为 M o 降低了 NbC 的析出驱 动力, 阻碍 NbC 的扩散成核过程 , 从而延迟了 NbC 的沉淀析出. 钢中 M o 促进了贝氏体相变, 导致 其位错密度增加 , 增加了 NbC 的成核位置 . 这些都造成了更佳的沉淀强化效果[ 1] . V, T i 微合金化元素的作用与 Nb 相似 , 通过沉淀强化来提高钢的高温强度. Nb, V, T i 等元素 复合添加后, 一般可形成混合型的 M C 型析出相, 它们具有更高的稳定性, 在高温下不易聚集长 大, 其尺寸更加细小 , 弥散程度更高 , 这对提高钢的高温强度非常有利, 有人认为混合 M C 型析出 相的这种高组织稳定性可能是由于不同合金元素原子半径的差异造成的 2. 4
3
3. 1
生产工艺、 组织和性能研究
生产工艺对耐火钢性能的影响
国外研究者的系统研究结果表明, 生产工艺( 如钢坯加热温度、 终轧温度、 轧后冷却条件、 热处 理工艺等) 对耐火钢的性能有显著影响[ 3] . 随钢坯加热温度升高, 钢的室温强度和高温强度均提高 . 耐火钢屈服强度提高的原因是由于随钢坯加热温度的升高 , 钢中 Nb, M o 合金元素的固溶量增加 , 从而增加了钢中贝氏体体积分数, 并且加热温度的升高还可促使奥氏体晶粒长大, 导致铁素体晶粒 粗化 . 为了有效发挥 Nb, M o 合金元素的作用, 在加热期间必须使之充分溶解 , 这需要有足够高的 加热温度 . 但如果加热温度过高, 铁素体晶粒粗大 , 将导致钢的韧塑性降低 . 因此 , 需要综合考虑. 一 般加热温度控制在 1 100~ 1 300
s, 600
∀( 2/ 3)
b
s, 20
. ( 2) 室温力学性能及其他质量指标满足普通建筑用钢标准
的要求. ( 3) 抗震性: 室温下( s /
) ! 80% , 屈服强度波动范围尽量小. ( 4) 焊接性良好 , 等同或优于
普通建筑用钢. ( 5) 其他特殊性能根据具体要求设定, 如耐候钢, 其耐候性应等同或优于耐候建筑用 钢.
文章编号 : 1007- 9629( 2006) 02- 0183- 07
耐火钢的开发与应用综述
完卫国, 吴结才
( 马鞍山钢铁股份有限公司 技术中心, 安徽 马鞍山 243000) 摘要 : 介绍了国内外耐火钢的发展情况. 重点叙述了耐火钢的性能指标、 合金化原理 、 生 产工艺、 组织和性能的研究情况以及国内外有关耐火钢的工业试制和实际应用情况 , 为国 内进一步开展耐火钢的研究工作和推广应用提供参考 . 关键词: 耐火钢; 高温强度 ; 钢结构; 建筑 中图分类号 : T U414 文献标识码 : A
Review of Research and Applications of Fire Resistant Steel
WA N Wei g uo , W U J i e cai
( T echnolo gy Centre, M a anshan Iron & Steel Co. Ltd. , M a anshan 243000, China)
Abstract: T he development o f f ire resistant st eel in t he w orld is review ed. P ropert y requirements and alloying principle of fire r esist ant st eel, t he invest igat ion of process, micr ost ruct ure and pro pert ies, the comm er cial t rial product ion and appl ications in t he w or ld ar e described. T hese pro vide usef ul reference t o research and applicat ions of f ir e resist ant st eel in our count ry . Key words: f ire resist ant st eel; elevated t em perat ur e st reng t h; steel str uct ure; construction 国内外钢结构的大型建筑、 高层建筑不断涌现, 国际上钢结构的防火工艺设计受到人们的广 泛重视 , 建筑钢结构的防火工艺设计已成为保证建筑安全的必要措施之一. 普通建筑用钢受热时 其强度和承载能力迅速降低, 不能满足设计要求. 为了提高采用普通建筑用钢建造的建筑物抵抗火 灾的能力, 必须采取喷涂耐火涂层或覆盖防火板等措施. 而使用耐火钢可减薄或省去耐火涂层或 防火板 , 并能保证钢材在高温下保持较高的强度水平, 还可缩短建造周期, 减轻建筑物质量 , 增加 建筑的安全性, 降低建造成本, 具有显著的经济效益和社会效益 .
[ 4]
. 因此, 参考日本建筑标准
中的规定, 要求耐火钢在一定高温下其屈服强度不低于室温屈服强度的 2/ 3. 为提高钢结构的抗震 性, 总是希望尽量提高钢材吸收地震能量的能力 . 若钢的屈强比 ( s / b ) 较高 , 发生地震时就会产生 局部应力集中和局部大变形, 此时钢结构只能吸收较少的能量, 因此低屈强比有利于提高建筑结构 地震时吸收的能量[ 5, 6] . 一般要求抗震耐火钢的屈强比 ! 80% 1) . 另外, 控制建筑用钢的屈服强度波 动范围也非常重要. 当屈服强度波动较小时, 钢结构是一种整体破坏机制 , 其整体的塑性变形能力 很高 , 抗震性能优良 . 因此 , 对抗震设计来说, 要求采用窄屈服区间的钢材也是很必要的. 综上所述并根据建筑用钢的一般要求, 确定建筑用耐火钢的性能指标如下 : ( 1) 耐火性能:
1
耐火钢的性能指标
耐火钢研制的关键之一是设定希望它达到高温强度下的耐火温度. 在欧洲的 Cr euso t L oire 炼 高温的含 Mo 钢[ 1 , 2] , 但因成本太高未推广应用. 为了确定与降低生
[ 3] s
钢厂曾研究了耐 900~ 1 000
产成本和减少耐火材料用量之间达到最佳配合的耐火温度 , 新日铁公司对抗拉强度为 400~ 780 MP a 的几种典型钢进行了高温拉伸试验 , 试验表明 : 所有试验钢的屈服强度( 范围内急剧下降 , 在 700 的温度定在较低的 500
因此 , 耐火钢的耐火温度被设定为 600 . 耐火钢要求具有良好的高温性能, 但它又不同于长期在高温下服役的耐热钢. 耐热钢要求具有 良好的高温强度及高温稳定性 , 一般采用高合金钢. 而耐火钢是在常温下承载, 只是要求在遇到火 灾的短时 ( 通常为 1~ 3 h) 高温条件下能够保持较高的屈服强度即可 , 因而属于低合金结构用钢 . 日本钢结构安全设计规范中规定: 常温下钢材屈服强度的 2/ 3 相当于该材料的长期允许应力值, 当 发生火灾时 , 如果耐火钢的屈服点仍然能保持此值 , 建筑物就不会倒塌
2
2. 1
合金化原理
耐火钢的合金系
耐火钢应通过合金化使其能够在高温下 ( 通常指 600 ) 的一定时间内 ( 通常指 1~ 3 h) 保持较 高的强度水平, 从而增加建筑物抵抗火灾的能力, 提高建筑物的安全性. 根据高合金耐热钢的研究 结果可知, Mo , Cr 是提高钢的高温强度最为有效的合金元素 , 但它们很贵重, 如在钢中添加大量的 这类元素将大幅度增加生产成本, 这对使用量大而广的结构材料是不可行的. 另外, Cr, M o 等合金 元素会增加钢的淬透性, 提高碳当量, 对焊接性不利. 因此, 建筑用耐火钢中这类合金元素含量远远 低于耐热钢. 耐火钢的另一个主要强化方式是碳化物的析出强化作用. 微合金化元素 Nb, V, T i 析 出物具有良好的高温稳定性, 对提高钢的高温强度会产生有益的影响 . 根据耐火钢的性能要求 , 各国对多种合金系的耐火钢进行了研究, 目前生产的耐火钢有 M o Nb , Mo Nb T i[ 7] , M o V [ 8] , Mo Cr Nb[ 7, 9] , Mo Cr N b V [ 10] 合金系钢等, 为提高钢的耐候性, 还研 制了 M o Cr Cu[ 7] , M o Cr Cu V T i Ni[ 11] 合金系钢 . 2. 2 关于 C 含量 降 C、 高纯度、 微合金化、 超细晶化是现代物理冶金技术发展的趋势. 耐火钢是一种焊接结构用 钢, 为了改善钢的焊接性 , 希望其 C 含量较低. 目前建筑用耐火钢的 C 含量一般控制在0. 2% 以下. 2. 3 Mo 及微合金元素对耐火钢性能的影响 Mo 提高钢的高温强度的作用非常显著. 笔者[ 3] 研究了 M o 含量对 C ( 0. 14% ) M n( 1. 00% ) Cr ( 0. 50% ) Nb( 0. 02% ) 钢拉伸性能的影响. 结果表明 : M o 对钢的室温屈服强度影响较小, 但可显 著提高钢的高温强度 . 随着 Mo 含量的增加 , 钢的高温强度线性提高 . Mo 的加入还降低了钢的室 温屈强比 , 这对提高其抗震性能有利. Nb 是耐火钢中的主要添加元素 , 单独添加 N b, Mo 和复合添加 N b, Mo 对低 C, M n 钢拉伸性 能影响的研究结果
.
添加 Cr 等其他合金元素的作用 Cr 可以有效提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能. 但 Cr 与 M o, V 等共同加入时对钢的高温
ຫໍສະໝຸດ Baidu
性能的影响是复杂的 . Cr 在铁素体中的扩散系数较高, 容易与 C 结合形成碳化物, 例如 Cr 7 C 3 碳化 物, 最低在 500 左右就会析 出, 但其稳定性较差 , 容易聚集长大. Cr 的另一个不利作用是降低 Mo 2 C 的组织稳定性 , 并使二次硬化温度降低 [ 1] . 在耐火钢中采用 Cr, 一是用于提高钢的高温强度 和蠕变强度, 另一个主要目的是提高钢的耐侯性. 在开发具有耐侯性的耐火钢时 , 还常用到 Ni, Cu 等可提高耐侯性的合金元素.
收稿日期 : 2005- 01- 12 作者简介 : 完卫国 ( 1964- ) , 男 , 安徽马鞍山人 , 马鞍山钢铁股份有限公司教授级高级工程师 .
) 在 500~ 600
或 700
以上时
s
降至 50 M Pa 以下. 如果把保证强度的温度定在 700
, 则必须加入大量的合金元素, 这就很难保证其良好的可焊性 , 也大大提高了成本 . 若将保证强度 , 那么仅能使耐火涂层的厚度略微减少 , 这又不符合使用耐火钢的初衷 .
[ 2] [ 2]
表明 , 单独添加 Nb 可增加钢的室温和高温强度, 0. 02% 的 Nb 可使 600
下
1) 本文中的屈强比、 含量及化学组成等百分数均为质量分数。
钢的高温强度增加 20 M Pa, 还可使屈强比提高 10% ; 单独添加 Mo 也能增加钢的室温和高温强 度, 0. 50% 的 M o 可使 600 下钢的高温强度增加 74 MP a, 而屈强比则变化不大 ; 0. 50% 的 Mo 和 0. 02% 的 Nb 复合添加时钢的室温强度增加 , 同时 , 其高温强度亦明显增加 ( 增加了 101 M Pa) , 屈 强比则变化不大 . 由此可见, N b, M o 复合添加是提高钢高温强度的有效途径 . Mo 固溶于铁素体中, 强化了铁素体基体 , 高温下 M o 在铁素体中扩散速度较慢, 因而可显著 提高钢的高温强度与蠕变强度 . 研究表明 [ 1, 3, 12] , 固溶的 M o 容易在晶界上偏聚, 起到提高钢的高温 强度的作用 . M o 还可增加过冷奥氏体的稳定性 , 加 M o 后钢中贝氏体体积分数增加. 高位错密度 的贝氏体组织使耐火钢获得了良好的高温性能. M o 在钢中析出形成碳化物提高了其高温强度 . Nb 主要依靠 NbC 在铁素体中的析出强化来提高钢的高温强度. 关于 Nb, M o 复合添加后可产生更好的沉淀强化效果的原因目前有 2 种观点. 第 1 种观点认 为复合添加 时除了单独添加 Nb, M o 的强化作用外 , Mo 还能在 NbC/ 基 体界面上富集 , 阻止了 NbC 颗粒的粗化, 从而进一步提高了钢的高温强度 ; 第 2 种观点认为 M o 降低了 NbC 的析出驱 动力, 阻碍 NbC 的扩散成核过程 , 从而延迟了 NbC 的沉淀析出. 钢中 M o 促进了贝氏体相变, 导致 其位错密度增加 , 增加了 NbC 的成核位置 . 这些都造成了更佳的沉淀强化效果[ 1] . V, T i 微合金化元素的作用与 Nb 相似 , 通过沉淀强化来提高钢的高温强度. Nb, V, T i 等元素 复合添加后, 一般可形成混合型的 M C 型析出相, 它们具有更高的稳定性, 在高温下不易聚集长 大, 其尺寸更加细小 , 弥散程度更高 , 这对提高钢的高温强度非常有利, 有人认为混合 M C 型析出 相的这种高组织稳定性可能是由于不同合金元素原子半径的差异造成的 2. 4
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3. 1
生产工艺、 组织和性能研究
生产工艺对耐火钢性能的影响
国外研究者的系统研究结果表明, 生产工艺( 如钢坯加热温度、 终轧温度、 轧后冷却条件、 热处 理工艺等) 对耐火钢的性能有显著影响[ 3] . 随钢坯加热温度升高, 钢的室温强度和高温强度均提高 . 耐火钢屈服强度提高的原因是由于随钢坯加热温度的升高 , 钢中 Nb, M o 合金元素的固溶量增加 , 从而增加了钢中贝氏体体积分数, 并且加热温度的升高还可促使奥氏体晶粒长大, 导致铁素体晶粒 粗化 . 为了有效发挥 Nb, M o 合金元素的作用, 在加热期间必须使之充分溶解 , 这需要有足够高的 加热温度 . 但如果加热温度过高, 铁素体晶粒粗大 , 将导致钢的韧塑性降低 . 因此 , 需要综合考虑. 一 般加热温度控制在 1 100~ 1 300
s, 600
∀( 2/ 3)
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. ( 2) 室温力学性能及其他质量指标满足普通建筑用钢标准
的要求. ( 3) 抗震性: 室温下( s /
) ! 80% , 屈服强度波动范围尽量小. ( 4) 焊接性良好 , 等同或优于
普通建筑用钢. ( 5) 其他特殊性能根据具体要求设定, 如耐候钢, 其耐候性应等同或优于耐候建筑用 钢.
文章编号 : 1007- 9629( 2006) 02- 0183- 07
耐火钢的开发与应用综述
完卫国, 吴结才
( 马鞍山钢铁股份有限公司 技术中心, 安徽 马鞍山 243000) 摘要 : 介绍了国内外耐火钢的发展情况. 重点叙述了耐火钢的性能指标、 合金化原理 、 生 产工艺、 组织和性能的研究情况以及国内外有关耐火钢的工业试制和实际应用情况 , 为国 内进一步开展耐火钢的研究工作和推广应用提供参考 . 关键词: 耐火钢; 高温强度 ; 钢结构; 建筑 中图分类号 : T U414 文献标识码 : A
Review of Research and Applications of Fire Resistant Steel
WA N Wei g uo , W U J i e cai
( T echnolo gy Centre, M a anshan Iron & Steel Co. Ltd. , M a anshan 243000, China)
Abstract: T he development o f f ire resistant st eel in t he w orld is review ed. P ropert y requirements and alloying principle of fire r esist ant st eel, t he invest igat ion of process, micr ost ruct ure and pro pert ies, the comm er cial t rial product ion and appl ications in t he w or ld ar e described. T hese pro vide usef ul reference t o research and applicat ions of f ir e resist ant st eel in our count ry . Key words: f ire resist ant st eel; elevated t em perat ur e st reng t h; steel str uct ure; construction 国内外钢结构的大型建筑、 高层建筑不断涌现, 国际上钢结构的防火工艺设计受到人们的广 泛重视 , 建筑钢结构的防火工艺设计已成为保证建筑安全的必要措施之一. 普通建筑用钢受热时 其强度和承载能力迅速降低, 不能满足设计要求. 为了提高采用普通建筑用钢建造的建筑物抵抗火 灾的能力, 必须采取喷涂耐火涂层或覆盖防火板等措施. 而使用耐火钢可减薄或省去耐火涂层或 防火板 , 并能保证钢材在高温下保持较高的强度水平, 还可缩短建造周期, 减轻建筑物质量 , 增加 建筑的安全性, 降低建造成本, 具有显著的经济效益和社会效益 .
[ 4]
. 因此, 参考日本建筑标准
中的规定, 要求耐火钢在一定高温下其屈服强度不低于室温屈服强度的 2/ 3. 为提高钢结构的抗震 性, 总是希望尽量提高钢材吸收地震能量的能力 . 若钢的屈强比 ( s / b ) 较高 , 发生地震时就会产生 局部应力集中和局部大变形, 此时钢结构只能吸收较少的能量, 因此低屈强比有利于提高建筑结构 地震时吸收的能量[ 5, 6] . 一般要求抗震耐火钢的屈强比 ! 80% 1) . 另外, 控制建筑用钢的屈服强度波 动范围也非常重要. 当屈服强度波动较小时, 钢结构是一种整体破坏机制 , 其整体的塑性变形能力 很高 , 抗震性能优良 . 因此 , 对抗震设计来说, 要求采用窄屈服区间的钢材也是很必要的. 综上所述并根据建筑用钢的一般要求, 确定建筑用耐火钢的性能指标如下 : ( 1) 耐火性能:
1
耐火钢的性能指标
耐火钢研制的关键之一是设定希望它达到高温强度下的耐火温度. 在欧洲的 Cr euso t L oire 炼 高温的含 Mo 钢[ 1 , 2] , 但因成本太高未推广应用. 为了确定与降低生
[ 3] s
钢厂曾研究了耐 900~ 1 000
产成本和减少耐火材料用量之间达到最佳配合的耐火温度 , 新日铁公司对抗拉强度为 400~ 780 MP a 的几种典型钢进行了高温拉伸试验 , 试验表明 : 所有试验钢的屈服强度( 范围内急剧下降 , 在 700 的温度定在较低的 500
因此 , 耐火钢的耐火温度被设定为 600 . 耐火钢要求具有良好的高温性能, 但它又不同于长期在高温下服役的耐热钢. 耐热钢要求具有 良好的高温强度及高温稳定性 , 一般采用高合金钢. 而耐火钢是在常温下承载, 只是要求在遇到火 灾的短时 ( 通常为 1~ 3 h) 高温条件下能够保持较高的屈服强度即可 , 因而属于低合金结构用钢 . 日本钢结构安全设计规范中规定: 常温下钢材屈服强度的 2/ 3 相当于该材料的长期允许应力值, 当 发生火灾时 , 如果耐火钢的屈服点仍然能保持此值 , 建筑物就不会倒塌
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2. 1
合金化原理
耐火钢的合金系
耐火钢应通过合金化使其能够在高温下 ( 通常指 600 ) 的一定时间内 ( 通常指 1~ 3 h) 保持较 高的强度水平, 从而增加建筑物抵抗火灾的能力, 提高建筑物的安全性. 根据高合金耐热钢的研究 结果可知, Mo , Cr 是提高钢的高温强度最为有效的合金元素 , 但它们很贵重, 如在钢中添加大量的 这类元素将大幅度增加生产成本, 这对使用量大而广的结构材料是不可行的. 另外, Cr, M o 等合金 元素会增加钢的淬透性, 提高碳当量, 对焊接性不利. 因此, 建筑用耐火钢中这类合金元素含量远远 低于耐热钢. 耐火钢的另一个主要强化方式是碳化物的析出强化作用. 微合金化元素 Nb, V, T i 析 出物具有良好的高温稳定性, 对提高钢的高温强度会产生有益的影响 . 根据耐火钢的性能要求 , 各国对多种合金系的耐火钢进行了研究, 目前生产的耐火钢有 M o Nb , Mo Nb T i[ 7] , M o V [ 8] , Mo Cr Nb[ 7, 9] , Mo Cr N b V [ 10] 合金系钢等, 为提高钢的耐候性, 还研 制了 M o Cr Cu[ 7] , M o Cr Cu V T i Ni[ 11] 合金系钢 . 2. 2 关于 C 含量 降 C、 高纯度、 微合金化、 超细晶化是现代物理冶金技术发展的趋势. 耐火钢是一种焊接结构用 钢, 为了改善钢的焊接性 , 希望其 C 含量较低. 目前建筑用耐火钢的 C 含量一般控制在0. 2% 以下. 2. 3 Mo 及微合金元素对耐火钢性能的影响 Mo 提高钢的高温强度的作用非常显著. 笔者[ 3] 研究了 M o 含量对 C ( 0. 14% ) M n( 1. 00% ) Cr ( 0. 50% ) Nb( 0. 02% ) 钢拉伸性能的影响. 结果表明 : M o 对钢的室温屈服强度影响较小, 但可显 著提高钢的高温强度 . 随着 Mo 含量的增加 , 钢的高温强度线性提高 . Mo 的加入还降低了钢的室 温屈强比 , 这对提高其抗震性能有利. Nb 是耐火钢中的主要添加元素 , 单独添加 N b, Mo 和复合添加 N b, Mo 对低 C, M n 钢拉伸性 能影响的研究结果