爐卷機(jī)組開發(fā)建筑用耐火鋼可行性分析

裴鳳娟 于愛民 趙良生 楊陳莉

(安陽鋼鐵股份有限公司)

0 前言

耐火鋼作為新一代建筑用鋼，具有屈強(qiáng)比低、抗層狀撕裂良好、焊接性能及耐火性能和防腐性能良好等優(yōu)點(diǎn)，可大大減少或取消鋼結(jié)構(gòu)建筑的防火涂層，大幅度降低建筑成本，加快施工進(jìn)度，增加建筑的安全性，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

國外從20 世紀(jì)70年代起即開始進(jìn)行耐火鋼的研發(fā)，并于20 世紀(jì)80年代末由日本首次提出了耐火鋼的概念，近年來耐火鋼研發(fā)得到了較大發(fā)展，耐火鋼的強(qiáng)度級別和品種都已形成了系列，如400 MPa、490 MPa、520 MPa 等強(qiáng)度級別，品種涉及板材、帶鋼、H 型鋼和鋼管等［1］。此外，還開發(fā)了具有其它多種功能特性的耐火鋼，如耐腐蝕、易焊接、抗震和耐候的耐火鋼等。目前，耐火鋼在日本、韓國及歐美國家已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用，如新日鐵公司建設(shè)的新川大廈和飛幡大廈，日本的一些停車廠、建筑物外部安裝的鋼結(jié)構(gòu)等均采用了完全無防火涂層的鋼結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)耐火鋼的研究起步較晚，馬鞍山鋼鐵公司與鋼鐵研究總院于1994年合作率先開展了耐火H型鋼研究。武鋼的WGJ510C2 鋼種，集高耐火性、高耐候性、高Z 向拉伸性能和能承受大線能量焊接于一體，其耐火性能與日本的FR 鋼相當(dāng)，具有高的塑性變形功、良好的冷變形能力和低冷裂紋敏感性，已成功用于中國殘疾人體育藝術(shù)培訓(xùn)基地和北京國家大劇院［1］。另外，鞍鋼、寶鋼、舞鋼、攀鋼、濟(jì)鋼、萊鋼、本鋼和南鋼［2］等也開發(fā)了建筑用高強(qiáng)度耐火耐候鋼。目前耐火鋼已開始應(yīng)用于國內(nèi)一些耐火耐候等級高的大型廠房、民居、商務(wù)樓等建筑鋼結(jié)構(gòu)，在中低層或高層建筑、場館/網(wǎng)架大跨度建筑、輕鋼建筑等領(lǐng)域也具有良好的使用前景。

1 建筑用耐火鋼的技術(shù)要求與品種開發(fā)

耐火鋼是一種具有耐火功能特性的結(jié)構(gòu)材料，要求具有良好的高溫強(qiáng)度，平常是在常溫下承載，在遇到火災(zāi)的短時(shí)高溫條件下(1 h ～3 h)能夠保持較高的屈服強(qiáng)度，屬于低合金結(jié)構(gòu)用鋼。另外，還必須具有普通建筑結(jié)構(gòu)用鋼所具有的良好焊接性、加工成形性能等。目前國內(nèi)和日本尚未出臺(tái)統(tǒng)一的耐火鋼標(biāo)準(zhǔn)，參考日本鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，建筑用耐火鋼的具體技術(shù)要求［1］如下:

(1)良好的耐火性能:σs(600℃)≥2/3σs(室溫);

(2)滿足普通建筑用鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，室溫力學(xué)性能等同或優(yōu)于普通建筑用鋼;

(3)良好的抗震性:室溫下YR(σs/σb)≤80%，屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍盡量小;

(4)焊接性良好，等同或優(yōu)于普通建筑用鋼;

(5)其他特殊性能根據(jù)具體要求設(shè)定，如耐火耐候鋼的耐候性應(yīng)等同或優(yōu)于耐候建筑用鋼。

耐火鋼的品種主要為板材和H 型鋼，還有少量管材，其中板材的最大厚度規(guī)格為100 mm，H 型鋼的最大壁厚為40 mm［3］。目前，國外先進(jìn)國家開發(fā)出的耐火鋼已形成強(qiáng)度系列，如400 MPa、490 MPa、520 MPa等，還開發(fā)出了具有多種功能性的耐火鋼，如耐腐蝕耐火鋼、易焊接耐火鋼、抗震耐火鋼、耐候耐火鋼等。400－490 MPa 級耐火鋼的力學(xué)性能要求見表1。

表1 耐火鋼力學(xué)性能指標(biāo)［3］

2 建筑用耐火鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝

2．1 耐火鋼的化學(xué)成分設(shè)計(jì)

對耐火鋼性能的要求關(guān)鍵是高溫強(qiáng)度。耐火鋼應(yīng)通過合金化使其能夠在高溫下(通常指600 ℃)的一定時(shí)間內(nèi)(通常指1 h ～3 h)保持較高的強(qiáng)度水平，從而增加建筑物抵抗火災(zāi)的能力，提高建筑物的安全性。根據(jù)耐火鋼的性能要求，各國對多種合金系的耐火鋼進(jìn)行了研究［1］，目前生產(chǎn)的耐火鋼有Mo －Nb、Mo－Nb－Ti、Mo －V、Mo －Cr －Nb 和Mo －Cr －Nb－V 合金系鋼等，為提高鋼的耐候性，還研制了Mo－Cr－Cu、Mo －Cr －Cu －V －Ti －Ni 合金系鋼。另外，隨著控軋控冷在線生產(chǎn)工藝技術(shù)的發(fā)展，還開發(fā)出了無鋁的Nb 十V 或Nb+Ti 微合金化耐火鋼。

(1)碳和錳

耐火鋼是一種焊接結(jié)構(gòu)用鋼，為改善鋼的焊接性，希望其碳含量較低，目前建筑用耐火鋼的C 含量一般控制在0．2%以下。另外，鑒于錳對碳當(dāng)量和焊接裂紋敏感指數(shù)的貢獻(xiàn)，也應(yīng)考慮進(jìn)一步降低鋼中錳含量。

(2)鉬和鉻

Mo、Cr 是提高鋼的高溫強(qiáng)度最為有效的元素，但價(jià)格較高，不宜大量應(yīng)用。鉬顯著提高鋼的屈服強(qiáng)度比(高溫屈服強(qiáng)度/室溫屈服強(qiáng)度)，并降低鋼的室溫屈強(qiáng)比，對提高其抗震性能有利。鉻可有效提高鋼的高溫抗氧化性和抗蠕變性能，還可提高鋼的耐候性。

(3)微合金化元素

耐火鋼的另一個(gè)強(qiáng)化方式是碳化物的析出強(qiáng)化作用。微合金化元素鈮、釩、鈦的析出物具有良好的高溫穩(wěn)定性，對提高鋼的高溫強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生有益的影響。Nb 單獨(dú)添加時(shí)可增加鋼的室溫和高溫強(qiáng)度，Nb、Mo 復(fù)合添加時(shí)高溫強(qiáng)度的增加超過了單獨(dú)添加的綜合，因此Nb －Mo 復(fù)合添加是提高鋼高溫強(qiáng)度的有效途徑。Ti、V 在耐火鋼中的作用與Nb 相似，鈮、釩、鈦等元素復(fù)合添加后，一般可形成混合型的MC 型析出相，對提高鋼的高溫強(qiáng)度非常有利，也能改善鋼焊接后的塑韌性。

綜上所述，Nb、V、Ti 微合金化元素與少量耐熱性高的Cr、Mo 合金元素的復(fù)合使用，可達(dá)到最佳的高溫強(qiáng)化效果和良好的強(qiáng)韌性配合。建筑用耐火鋼基本的合金系列為低碳Mn － Mo － Nb(V、Ti)系。對400 －490MPa 級耐火鋼而言，一般認(rèn)為0．5%Mo是必要的［3］。國內(nèi)一些單位開發(fā)的耐火鋼成分見表2。通過工藝控制，得到針狀鐵素體+貝氏體+細(xì)小碳化物的混合組織是耐火鋼保持優(yōu)良高溫性能所希望的理想組織。

表2 國內(nèi)一些單位開發(fā)的耐火鋼的成分［1］

2．2 耐火鋼的生產(chǎn)工藝

國外研究者的系統(tǒng)研究結(jié)果表明［4］，生產(chǎn)工藝(如鋼坯加熱溫度、終軋溫度、軋后冷卻條件、熱處理工藝等)對耐火鋼的性能有顯著影響。隨鋼坯加熱溫度升高，鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度均提高。為有效發(fā)揮鈮、鉬合金元素的作用，在加熱期間必須使之充分溶解，需要提高加熱溫度，但如加熱溫度過高，鐵素體晶粒粗大，將導(dǎo)致鋼的韌塑性降低，綜合考慮一般加熱溫度控制在1100 ℃～1300 ℃［3］。

隨終軋溫度升高，鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度降低，在900 ℃附近達(dá)到最低值，然后隨終軋溫度的升高而增加。當(dāng)終軋溫度低于800 ℃時(shí)，進(jìn)入鐵素體和奧氏體兩相區(qū)軋制，鐵素體產(chǎn)生加工硬化導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度升高。對于需良好低溫韌性的鋼而言，一般希望采取低溫控軋。而對于不著重強(qiáng)調(diào)低溫韌性的建筑用耐火鋼來說，可在較高的溫度終軋。當(dāng)終軋溫度約為1000 ℃時(shí)，鋼的組織粗化，鋼中的貝氏體體積分?jǐn)?shù)增加，對其高溫強(qiáng)度有利。在450 ℃～750 ℃溫度范圍內(nèi)，卷取溫度在650 ℃附近時(shí)，強(qiáng)度達(dá)最大值。軋后加速冷卻和淬火回火處理可顯著提高鋼的室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度，也可提高鋼的室溫屈強(qiáng)比［3］。

3 爐卷機(jī)組開發(fā)建筑用耐火鋼的可行性分析

3．1 爐卷機(jī)組的生產(chǎn)工藝流程

鐵水預(yù)處理—150 t 轉(zhuǎn)爐—150 t LF—150 t VD—150 mm×(1600 ～3250)mm 寬板坯連鑄機(jī)—步進(jìn)梁式加熱爐—除鱗機(jī)—3500 mm 爐卷軋機(jī)—層流冷卻—熱矯直機(jī)—冷床—檢查—剪切、標(biāo)識—(翻板檢查、冷矯直機(jī))—入庫。

3．2 爐卷機(jī)組的工藝技術(shù)特點(diǎn)

爐卷機(jī)組生產(chǎn)線的鐵水預(yù)處理+LF 可以將鐵水中硫含量脫至0．005%以下，對于降低耐火鋼的硫偏析和保證鋼水純凈度有益。150 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐配備有副槍控制系統(tǒng)，可準(zhǔn)確測定轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)碳、終點(diǎn)氧和終點(diǎn)溫度，能夠保證低碳鋼終點(diǎn)成分和溫度的雙命中。LF 精煉爐具有精確合金化、微調(diào)成分、升溫鋼水、提高鋼水潔凈度和高效脫硫等功能。VD 真空處理可降低鋼中氣體含量、進(jìn)一步提高鋼水潔凈度，加上連鑄機(jī)二次冷卻、動(dòng)態(tài)輕壓下、保護(hù)澆注等，可有效保證耐火鋼的成分、鋼水及鑄坯質(zhì)量滿足要求。

加熱爐加熱能力為250 t/h ～300 t/h，爐卷軋機(jī)的軋制壓力為70000 kN，具備低溫大壓下能力，同時(shí)由于可以卷取軋制，因此即便對于厚度≤12 mm的薄規(guī)格板也能有效的實(shí)施控制軋制工藝;層流冷卻線長54000 mm，總流量14400 m3/h，最大冷卻速度25 ℃/s，控冷能力強(qiáng)、精度高，對需要組織強(qiáng)韌化、控制不同組織比例的鋼等，優(yōu)勢較為突出，能夠?qū)崿F(xiàn)熱軋、控制軋制、控制冷卻、TMCP 工藝交貨等，完全可保證耐火鋼的性能組織要求。

另外，爐卷機(jī)組有多年建筑結(jié)構(gòu)用鋼、含Mo、Cr等合金元素的高強(qiáng)度鋼、管線鋼和耐候鋼的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，可穩(wěn)定生產(chǎn)Q390 － Q420 級建筑結(jié)構(gòu)用鋼、600 MPa ～800 MPa 級低合金高強(qiáng)度鋼、X70 管線鋼和Q235 －Q355 級耐候鋼等，合計(jì)年產(chǎn)量30 萬噸以上。其中700 MPa ～800 MPa 級低合金高強(qiáng)度鋼和X70 管線鋼等采用的是低碳Mn －Nb －Mo 或低碳Mn－Nb－Mo－Cr 等成分體系，組織控制以粒狀貝氏體或針狀鐵素體為主，鋼板性能質(zhì)量均能滿足其鋼種要求。這些均為耐火鋼的組織、性能和質(zhì)量控制提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)與參考。

與國內(nèi)已開發(fā)成功耐火鋼的板材生產(chǎn)線對比發(fā)現(xiàn)，爐卷機(jī)組生產(chǎn)線不僅具備生產(chǎn)高強(qiáng)度高質(zhì)量等級建筑用耐火鋼板的設(shè)備工藝技術(shù)能力，而且具有高鑄坯質(zhì)量、薄寬規(guī)格鋼板及TMCP 工藝等高端中厚板產(chǎn)品的生產(chǎn)優(yōu)勢。盡快開展建筑用耐火鋼的生產(chǎn)開發(fā)，對實(shí)現(xiàn)品種創(chuàng)效、搶占市場和精品戰(zhàn)略具有重要意義。

3．3 爐卷機(jī)組開發(fā)耐火鋼的難點(diǎn)分析

耐火鋼的關(guān)鍵是要提高鋼的高溫強(qiáng)度，其技術(shù)難點(diǎn)在于必須綜合考慮合金元素在耐火鋼中的具體作用，同時(shí)兼顧耐火鋼的組織和性能變化，以達(dá)到最佳的高溫強(qiáng)化效果和良好的強(qiáng)韌性配合，以及較低的成本優(yōu)勢。因此，建議爐卷機(jī)組首先開發(fā)400 MPa級和490 MPa 級建筑用耐火鋼，可采用低碳Mn－Mo －Nb 或低碳Mn －Mo －Nb －Cr －Ti 的成分體系，并嚴(yán)格控制鋼的碳當(dāng)量，以保證其焊接性能良好。

煉鋼工藝控制以滿足低碳、低硫、低磷、高純凈度和化學(xué)成分穩(wěn)定等為主，難度不大。由于采用合金元素較多，需重點(diǎn)關(guān)注連鑄坯質(zhì)量，包括表面和內(nèi)部質(zhì)量。連鑄工藝控制以保證低過熱度澆注、拉速穩(wěn)定、鑄坯弱冷和輕壓下、防止鋼水二次氧化和吸氣等為主。

軋制工藝控制應(yīng)密切關(guān)注鑄坯加熱溫度和加熱時(shí)間，如果采用二階段控制軋制，則需嚴(yán)格控制初軋溫度、二軋程開軋溫度、終軋溫度在合適的溫度區(qū)間且波動(dòng)不大，建議采用層流冷卻，且終冷溫度控制在580 ℃～600 ℃，以獲得針狀鐵素體+貝氏體+細(xì)小碳化物的混合組織，滿足 耐火鋼的性能組織要求。

另外，目前都是依據(jù)600 ℃的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果來評價(jià)耐火性能，需配備高溫試驗(yàn)設(shè)備，以檢驗(yàn)產(chǎn)品高溫性能，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和保證將來的穩(wěn)定生產(chǎn)。

4 結(jié)論

(1)耐火鋼具有屈強(qiáng)比低、抗層狀撕裂良好、焊接性能及耐火性能和防腐性能良好等優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和良好的市場及應(yīng)用前景。爐卷機(jī)組的設(shè)備工藝特點(diǎn)具備開發(fā)400 MPa、490 MPa級建筑用耐火鋼的能力，建議采用低碳Mn－Mo － Nb 或低碳Mn － Mo － Nb － Cr － Ti 成分體系，并通過控軋控冷等工藝以滿足其性能組織要求。

(2)耐火鋼的關(guān)鍵是要提高鋼的高溫強(qiáng)度，其技術(shù)難點(diǎn)在于必須綜合考慮合金元素在耐火鋼中的具體作用，同時(shí)兼顧耐火鋼的組織和性能變化，以達(dá)到最佳的高溫強(qiáng)化效果和良好的強(qiáng)韌性配合，以及較低的成本優(yōu)勢。爐卷機(jī)組需重點(diǎn)關(guān)注連鑄坯質(zhì)量控制、軋制工藝各溫度的設(shè)定以及終冷溫度的控制等。另外，應(yīng)配備高溫試驗(yàn)、檢驗(yàn)設(shè)備。

［1］完衛(wèi)國，吳結(jié)才． 耐火鋼的開發(fā)與應(yīng)用綜述［J］，建筑材料學(xué)報(bào)，2006，9(2):183 －189．

［2］王道美，鄧偉，崔強(qiáng)． 建筑用耐火鋼的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］，山東冶金，2014，36(5):5 －8．

［3］楊才福，張永權(quán)，陳亮．建筑用耐火鋼的開發(fā)及應(yīng)用［J］，鋼鐵，1999，34(增刊):992 －997．

［4］完衛(wèi)國．建筑用耐火鋼的研制和實(shí)際應(yīng)用［C］，鋼鐵譯文集，馬鞍山，1996(2):29 －40．