Fremgangsmåte for valg av sammensetning av stål og anvendelse derav

Transkript

1 1 Fremgangsmåte for valg av sammensetning av stål og anvendelse derav BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN [0001] Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for valg av sammensetning av lavlegert stål og for fremstilling av et stålprodukt, til anvendelser som utsettes for høye temperaturer. [0002] Oppfinnelsen vedrører også et lavlegert varmvalset eller normalisert stål til bruk i anvendelser hvor toleranse for høye temperaturer og varmebestandighet er nødvendig, der stålet har en karbonkonsentrasjon på over 1 vektprosent. Dette stålet kan kalles ildfast stål og det er fortrinnsvis varmvalset. [0003] Oppfinnelsen vedrører videre anvendelse av stålet ifølge oppfinnelsen. [0004] Et særtrekk ved ildfast konstruksjonsstål er at dets styrke ved høye temperaturer forårsaket av brann er høyere enn tradisjonelle konstruksjonsstål. I tradisjonelle konstruksjonsstål avtar styrken betydelig etter hvert som temperaturen stiger, fordi bevegelse av dislokasjoner i stålet lettes som følge av økende termisk aktivering. Styrken til ildfast stål er mindre følsom for temperaturøkninger enn den til tradisjonelt konstruksjonsstål. [000] I tradisjonelle ildfaste konstruksjonsstål vanskeliggjøres bevegelse av dislokasjoner ved å legere stålet med Mo, Cr, V eller Nb, for eksempel, i stålet. Disse grunnstoffene reagerer med karbonet i stålet og danner M-C-klaser eller M x C y - utfellinger, hvor M er Mo eller Cr eller V eller Nb, og x og y er spesifikke for forskjellige forbindelser. M-C-klaser forårsaker vekselvirkende fast løsningsherding, som er en virkningsfull herdemekanisme i varmebestandige stål. M x C y -utfellinger kan allerede forefinnes i stålet i leveringstilstand eller de kan bli dannet under oppvarming forårsaket av brann. [0006] Det publiserte patentet JP viser et ildfast stål med en strekkfasthetsgrad (tensile strength grade) på 490 MPa og en flytegrensegrad (yield strength grade) på 32 MPa. Patentskriftet lærer at bor og molybden er nødvendige legeringselementer (Mo: 0,1-<0,, B: 00-03). Videre er mangan begrenset til små konsentrasjoner (Mn 0,1-<0,9), og under fremstilling er kjølehastigheten etter valsing begrenset til verdier større enn 0,3 C/s. Mikrostrukturen til stål bør inneholde -90 bainitt mens resten er ferritt. Brannegenskapene forblir gode opp til 70 C. Patentskriftet lærer ikke hvordan en kan velge ildfast stål med en flytegrense på over 3, 4, 460, 00 eller 690 MPa og brannegenskaper som forblir gode opp til 800 C. [0007] Det publiserte patentet JP viser et ildfast stål som opprettholder god styrke opp til 800 C. Oppfinnelsen er basert på legeringselementer som øker

2 2 1 2 austenittdannelsestemperaturen (A c1 ) opp til 800 til 900 C. Patentskriftet nevner for eksempel følgende legeringselementer og deres konsentrasjoner: Si 0,2-1,2, Mn 0,, < Al 1, Mo 0,4-1,, V -0,2. Strekkfasthetsgradene til stålene er 400 og 490 MPa. De tilhørende flytegrensegradene er 23 og 32 MPa. Dette patentskriftet viser heller ikke hvordan en kan fremstille ildfast stål med en flytegrense på over 3, 4, 460, 00 eller 690 MPa. [0008] Det publiserte patentet JP viser et høyfast, ildfast stål med en flytegrensegrad på 440 MPa og en strekkfasthetsgrad på 90 MPa. Brannbestandighetsegenskapene er i hovedsak basert på høye molybdenkonsentrasjoner og nokså høye karbonkonsentrasjoner: 0,3 Mo < 0,7, C 4-0,14. Bare en liten mengde niob blir anvendt, Nb 1-. Ifølge idéene i patentskriftet er det ikke mulig å fremstille ildfast stål med en molybdenkonsentrasjon under 0,3, en karbonkonsentrasjon under 4 eller en niobkonsentrasjon over. [0009] US-patentsøknaden 06/ A1 viser et høyfast, brannbestandig lavlegert stål. Dets brannbestandighetsegenskaper er basert på en forholdsvis høy molybdenkonsentrasjon og på bruk av bor. Molybdenkonsentrasjonen er fortrinnsvis 0,2-1,1 vekt og borkonsentrasjonen vekt. Formodentlig er ikke stålets slagfasthet spesielt god, siden legeringen med bor svekker det. Molybden svekker også slagfastheten, og er i tillegg et dyrt legeringselement. [00] WO 06/ viser et lavlegert varmvalset brannbestandig stål og en fremgangsmåte for fremstilling av dette. [0011] En ulempe med de ovennevnte patentskrifter er at de ikke viser hvordan en kan velge en sammensetning for ildfast stål og hvordan en kan fremstille et stålprodukt slik at det samsvarer med en ønsket flytegrensegrad innenfor styrkeområdet 3 til 690 MPa og en ønsket brannbestandighetsegenskap (ved å anvende stålets styrkingspotensial, som avhenger av stålets sammensetning). 3 KORT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN [0012] Et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en fremgangsmåte med hvilken sammensetningen til stål kan velges slik at det samsvarer med en ønsket brannbestandighet og styrke ved høye temperaturer, og en fremgangsmåte for fremstilling av et stålprodukt med nevnte sammensetning. For å oppnå dette er fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnet ved valg av nivået av C, Si, Mn, Cr, Mo, Ni, Cu og B og kjølehastigheten (CR) for stålet etter varmvalsing,

3 3 1 2 beregning av flytegrensen til stålet som har den valgte sammensetningen ved anvendelse av formelen R p0,2 (MPa) = C + 96Si + 2Mn + 9Cr + 137Mo + 48Ni + 3Cu + 41BL + ( Mn + 8BL)log (CR), hvor C er karbonkonsentrasjonen i stålet (vekt), Si er silisiumkonsentrasjonen i stålet (vekt), Mn er mangankonsentrasjonen i stålet (vekt), Cr er kromkonsentrasjonen i stålet (vekt), Mo er molybdenkonsentrasjonen i stålet (vekt), Ni er nikkelkonsentrasjonen i stålet (vekt), Cu er kobberkonsentrasjonenen i stålet (vekt), og BL henviser til bornivået i stålet, og BL = 0 hvis B 00 og BL = 1 hvis B > 008, hvor B er borkonsentrasjonen i stålet (vekt), og CR henviser til kjølehastigheten etter varmvalsing ( C/s), sammenlikning av den beregnede flytegrensen med en ønsket flytegrensegrad spesifisert for anvendelsen, dersom den beregnede flytegrensen oppfyller den ønskede flytegrensegraden, beregning for stålet med nevnte sammensetning av et styrkingspotensial, LP 9, ved anvendelse av formelen C - 100C Nb + 71Mo + 33Ni - 36Cr, hvor Nb er niobkonsentrasjonen i stålet (vekt), og dersom det beregnede styrkingspotensialet LP 9 > 0, er stålet med nevnte sammensetning egnet til bruk i anvendelsen; og fremgangsmåten videre omfattende å fremstille stålproduktet ved anvendelse av den valgte sammensetningen og den valgte kjølehastigheten. 3 LP 9 er stålets styrkingspotensial, som gir et estimat på hvor mye stålets flytegrense (MPa) øker ved romtemperatur dersom stålet varmes opp til en temperatur på 600 C i én time. I styrkingspotensialformelen er C stålets karbonkonsentrasjon (vekt), når stålet er i varmvalset tilstand, og C er karbonkonsentrasjonen i løsning i austenitt, C sol, ved stålets normaliseringstemperatur, når stålet er normalisert stål, og Nb er stålets niobkonsentrasjon (vekt), når stålet er i varmvalset tilstand, og Nb er niobkonsentrasjonen i løsning i austenitt, Nb sol, ved stålets normaliseringstemperatur, når stålet er normalisert stål.

4 Riktigheten av styrkingspotensialet er gjennom testing funnet å være omtrent 9, dvs. at flytegrensen i romtemperatur til stålet oppvarmet til en temperatur på 600 C i én time utledet fra flytegrensen til stålet i leveringstilstanden, vil med en sannsynlighet på 9 øke minst med verdien LP 9. [0013] I oppfinnelsen ble det overraskende oppdaget at nokså små legeringselementkonsentrasjoner gir god brannbestandighet når legeringselementene og deres konsentrasjoner velges riktig. [0014] Verdien for styrkingspotensialet LP 9 velges fortrinnsvis slik at den er over 0, hvorved et stål er valgt som har god brannbestandighet ved høye temperaturer og en høy styrkereduksjonskoeffisient (styrken avtar ikke mye ved høye temperaturer). [001] Det har vært bemerket at niob i stor grad øker brannbestandigheten, som er grunnen til at niobkonsentrasjonen i stål fortrinnsvis er minst 4 vekt. Mest foretrukket er niobkonsentrasjonen 8-0,12 vekt. Under varmvalsing av stål utfelles niob til niobkarbider, noe som resulterer i mindre kornstørrelse i stål, forbedret duktilitet og styrke. En del av nioben utfelles også til niobkarbider under kjølingen etter varmvalsing. Imidlertid forblir en del av nioben i løsningen når karbonkonsentrasjon i stål er veldig lav, så som i stålet ifølge oppfinnelsen; jo høyere konsentrasjon av niob, jo mer forblir den i løsning. Ved en brann forener nioben i løsning karbonet i stålet og danner styrkende utfellinger og klaser. Som følge av dette forblir stålet sterkt ved temperaturer forårsaket av brann. [0016] Siden karbon øker styrkingspotensialet i betydelig grad er karbonkonsentrasjonen i hvert fall over 1 vekt og fortrinnsvis over 3 vekt. Maksimalverdien for stålets styrkingspotensial nås ved en karbonkonsentrasjon på under vekt, som er grunnen til at den øvre grensen for karbonkonsentrasjon fortrinnsvis velges å være vekt. En annen grunn til fortrinnsvis å velge som øvre grense for karbonkonsentrasjon er at stålets slagfasthet og sveisbarhet da forblir god. [0017] Siden (uventet) molybdenkonsentrasjonen i stål ikke i stor grad øker stålets styrkingspotensial, og molybden i tillegg er et dyrt legeringselement, velges molybdenkonsentrasjonen fortrinnsvis under 0,4 vekt. [0018] Fortrinnsvis velges stålets sammensetning slik at dets sammensetning i vektprosent er: C: 1- Si: maksimalt 0,7 Mn: 1,0-2,3 Ni: maksimalt 1, Cr: maksimalt 1,

5 1 2 3 Mo: maksimalt 0,7 Cu: maksimalt 0,3 Nb: 4-0,1 B: maksimalt 04 N: maksimalt 1 Al: maksimalt 0,1 V: maksimalt 2 Ti: maksimalt Ca: maksimalt 06, hvorved legeringsnivået i stålet ST = 33,8C + 0,98Si + 1,1Mn + 0,47Cr + 2,32Mo + 0,8Ni + 0,47Cu + 1,16BL, slik at dets verdi er 3,0-8,0, hvor BL = 0 hvis B 00 og BL = 1 hvis B > 008. [0019] De største fordelene med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er at den på generell basis letter valg av sammensetningen til stål og fremstilling av et stålprodukt, for det formål å frembringe stål med gode brannbestandighetsegenskaper, hvorved fremgangsmåten også gjør det mulig å minimere kostnaden til legeringselementer. Fremgangsmåten letter også valg av sammensetningen for det formål å frembringe stål klassifisert i forskjellige styrkegrader S3, S4, S460, S00 og S690 (minimumsverdiene for flytegrensene er 3, 4, 460, 00 og 690 MPa). Stålet er fortrinnsvis varmvalsede plater eller bånd, selv om andre leveringsformer også kan være mulig. [00] Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe anvendelse av et brannbestandig, lavlegert stål med god brannbestandighet uten å måtte anvende høye konsentrasjoner av dyre legeringselementer i det. Stålet er også enkelt å fremstille og sveise. [0021] For å oppnå dette er stålet hovedsakelig kjennetegnet ved at dets sammensetning i vektprosent er som følger: C: over 1 og maksimalt Si: maksimalt 0,7 Mn: 1,0-2,3 Ni: maksimalt 1, Cr: maksimalt 1, Mo: < 0,4 Cu: maksimalt 0,3 Nb: 4-0,1 B: maksimalt 04 N: maksimalt 1

6 Al: maksimalt 0,1 V: maksimalt 2 Ti: maksimalt Ca: maksimalt 06, hvorved Mn > 1,6 eller Mo < 0,1, hvis B > 00, og legeringsnivået i stålet ST = 33,8C + 0,98Si + 1,1Mn + 0,47Cr + 2,32Mo + 0,8Ni + 0,47Cu + 1,16BL = 3,0-8,0, hvor BL = 0 hvis B 00 og BL = 1 hvis B > 008, og stålets sammensetning oppfyller kriteriet C - 100C Nb + 71 Mo + 33Ni - 36Cr > 0. [0022] Fortrinnsvis er C - 100C Nb + 71 Mo + 33Ni - 36Cr > 0, hvorved stålets brannbestandighet ved høye temperaturer er spesielt god og styrkereduksjonskoeffisienten er høy (styrken avtar ikke mye ved høye temperaturer). [0023] Fortrinnsvis er den nedre grensen for karbonkonsentrasjonen i stålet 3 vekt, siden karbon øker styrkingspotensialet i betydelig grad. [0024] Når den øvre grensen for karbonkonsentrasjonen i stålet er vekt, forblir stålets sveisbarhet god uavhengig av karbonekvivalenten. [002] Niobkonsentrasjonen i stålet er fortrinnsvis 8-0,12 vekt. [0026] Dersom borkonsentrasjonen i stålet er over 00 vekt, er det fordelaktig for stålets slagfasthet om samtidig mangankonsentrasjonen er over 1,6 vekt og molybdenkonsentrasjonen er under 0,1 vekt. [0027] Molybdenkonsentrasjonen i stålet er fortrinnsvis under 0,4 vekt, selv om borkonsentrasjonenen i stålet er 00 vekt. [0028] Fortrinnsvis er N < 08 og 2 < Ti/N > 3, hvis B 00 vekt. [0029] Fortrinnsvis er Ti/N > 3,4 eller Al/N > 8, hvis B > 00 vekt. [00] Det er uventet funnet at reduksjonskoeffisienten til det lavlegerte stålet ifølge oppfinnelsen ved 700 C er betydelig høyere enn reduksjonskoeffisienten angitt i SFSstandarden EN Fortrinnsvis er reduksjonskoeffisienten som kan oppnås for stålet over 0,3 og mer foretrukket over 0,4 ved 700 C, målt ved bruk av en transient test. [0031] Foretrukne utførelsesformer av stålet ifølge oppfinnelsen er vist i de vedføyde kravene 3 til 13. [0032] De største fordelene med stålet ifølge oppfinnelsen er at dets brannbestandighet er god og at brannbestandigheten oppnås med bare en liten mengde dyre legeringselementer. I tillegg kan stålet tilvirkes enkelt og billig for flytegrensegradene 3, 4, 460, 00 og 690 MPa, og dets sammensetning er egnet for både tykke og tynne former. Stålet er fortrinnsvis i form av varmvalsede plater eller bånd, selv om andre produkter eller former også kan være mulig.

7 7 1 2 [0033] Stålet ifølge oppfinnelsen benyttes i anvendelser som krever høy styrke ved temperaturer over 400 C, også 600 til 800 C. Slike anvendelser inkluderer de hvor stålet må være brannbestandig. Disse inkluderer typisk stålstrukturer i bygninger, hvor stålet fortrinnsvis anvendes til bygningsbjelker og fagverkskonstruksjoner. Bygningsbjelkene kan for eksempel være sveisede Q-bjelker med doble steg eller I- bjelker med enkelt steg, der stål er anvendt i hele bjelken eller bare deler som er viktige for brannbeskyttelse, så som øvre eller nedre flens. Stålet ifølge oppfinnelsen fungerer spesielt godt for eksempel i tilfeller hvor det mellomliggende gulvelementsystemet i en bygning er understøttet av en Q-bjelke og bjelkens nedre eller øvre flens ikke er beskyttet av gulvelementsystemet eller betongstøp, slik at flensen må ha spesielt god brannbestandighet. Ytterligere brannbeskyttelsesmidler er ikke nødvendig når den nødvendige delen av bjelken er laget av stålet ifølge oppfinnelsen. [0034] Ved å anvende stålet ifølge oppfinnelsen i konstruksjoner er det mulig å utelate tradisjonelle brannbeskyttelsesmidler, så som maling av stålkonstruksjoner (hvor malingen er av en type som skummer ved høye temperaturer og derfor gir varmeisolasjon), beskyttelse av stålkonstruksjoner ved å kapsle dem inn i giplsplater eller beskytte dem med stiv, varmebestandig isolasjonsull. [003] I stålet ifølge oppfinnelsen er ikke molybden og bor nødvendig, selv om de kan bli anvendt (Mo: 0-0,7 vekt, fortrinnsvis < 0,4 vekt, B: vekt). Mangan er et nødvendig legeringselement for å gi styrke og slagfasthet, som er grunnen til at mangan blir legert i 1-2,3 vekt avhengig av borkonsentrasjonen i stålet. Det har vært bemerket at i varmvalset stål, både molybden og bor reduserer stålets slagfasthet, mens slagfastheten til stålene ifølge oppfinnelsen forbedres ved å øke mangankonsentrasjonen. Innvirkningen av bor er stor: overgangstemperaturen for slagfasthet kan øke så mye som 0 C når bor legeres i stål. Dersom imidlertid kostnadseffektiviteten til bor som et legeringselement skal utnyttes ved å legere over 00 vekt bor i stålet, velges mangankonsentrasjonen over 1,6 vekt og/eller (mer foretrukket og enn eller) molybdenkonsentrasjonen maksimalt 0,1 vekt. [0036] I stålet ifølge oppfinnelsen er ikke andelene av bainitt og ferritt i mikrostrukturen begrenset. [0037] Oppfinnelsen gjør det mulig å tilveiebringe stålkonstruksjoner med ønskede brannbestandighetsegenskaper med produksjonskostnader som er så lave som mulig. 3 KORT BESKRIVELSE AV FIGURER [0038] Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet nærmere ved hjelp av eksempler og med støtte i de vedlagte figuren.

8 DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN [0039] Når hensikten er å oppnå et ildfast stål som oppfyller bestemte strekkegenskaper, velges et stål i samsvar med oppfinnelsen ved å anvende formelen LP 9 = C - 100C Nb + 71 Mo + 33Ni - 36Cr > 0, hvor LP 9 er stålets styrkingspotensial, som gir et estimat på hvor mye flytegrensen til stålet øker (MPa) ved romtemperatur dersom det blir varmet opp til en temperatur på 600 C i én time, C er stålets karbonkonsentrasjon (vekt) når stålet er i varmvalset tilstand, og C er karbonkonsentrasjonen i en løsning i austenitt, C sol, ved stålets normaliseringstemperatur, når stålet er normalisert stål, Nb er stålets niobkonsentrasjon (vekt), når stålet er i varmvalset tilstand, og Nb er niobkonsentrasjonen i løsning i austenitt, Nb sol, ved stålets normaliseringstemperatur, når stålet er normalisert stål, Mo er stålets molybdenkonsentrasjon (vekt), Ni er stålets nikkelkonsentrasjon (vekt), og Cr er stålets kromkonsentrasjon (vekt). [0040] Riktigheten av formelen er gjennom testing funnet å være omtrent 9, dvs. at flytegrensen i romtemperatur til stålet oppvarmet til en temperatur på 600 C i én time utledet fra stålets flytegrense i leveringstilstand vil med en sannsynlighet på 9 øke minst med verdien LP 9. [0041] Fortrinnsvis er LP 9 > 0, og i anvendelser som krever veldig høy brannbestandighet velges LP 9 > 0. [0042] Innvirkningen av karbon på styrkingspotensialet er stor, og dette kan også observeres fra den vedlagte figuren som viser stål som inneholder ikke bare karbon, men også 4 vekt Nb, 0,14 vekt Cr, 0,17 vekt Mo og 0,76 vekt Ni. Verdien LP 0 merket i kurven henviser til styrkingspotensialet som vil overstiges med 0 sannsynlighet (LP 0 =LP 9 +). [0043] Karbonkonsentrasjonen i stålet er minst 1 vekt. Fortrinnsvis er stålets karbonkonsentrasjon over 3 vekt og maksimalt vekt, og dets niobkonsentrasjon er 4-0,1 vekt og mer foretrukket 8-0,12 vekt. Målet er å holde molybdenkonsentrasjonen forholdsvis lav som følge av den høye prisen på molybden. Molybdenkonsentrasjonen er fortrinnsvis under 0,4 vekt, og dersom stålet inneholder mer enn 00 vekt bor, er molybdenkonsentrasjonen under 0,1 vekt.

9 [0044] Formelen over og betingelsen for styrkingspotensialet LP 9 gjelder når følgende betingelser er oppfylt: 1) stålet er fremstilt varmvalset enten i et platevalseverk eller et båndvalsesverk, 2) oppvarmingstemperaturen til et emne, T S, er høyere enn NBDT, dvs. at niob-oppløsningstemperaturen (oppløsningstemperaturen til niob-karbonitrider), men maksimalt 10 C; det er enda mer foretrukket at oppvarmingstemperaturen til et emne, T S, overstiger NBDT med +0 C. NBDT beregnes ved hjelp av Dong's formel: NBDT ( C) = ( Si Mn) / {3,14 + 0,3Si - 0,91Mn - log ([Nb][C + 12N*/14])}, hvor N* = N - Ti/3,42 eller N* = 0, hvis Ti > 3,42N 3) sluttvalsetemperaturen (FRT - Finish Rolling Temperature) er høyere enn temperaturen for dannelse av ferritt, A r3, og maksimalt 0 C. [004] Temperaturen for dannelse av ferritt, A r3, ved kjøling beregnes ved anvendelse av Ouch's formel: A r3 ( C) = 9-3C - 80Mn - Cu - 1Cr - Ni - 80Mo [0046] Kjøling etter platevalsing kan skje fritt i luft eller som akselerert kjøling med vann, for eksempel, så lenge kjøletiden fra 70 C til 400 C er kortere enn 000 s, som svarer til en gjennomsnittlig kjølehastighet som er høyere enn 7 C/s ved 70 til 400 C. [0047] Etter båndvalsing må kjølingen akselerereres med vann til en temperatur på 40 C eller lavere. [0048] Dersom oppvarmingstemperaturer for et emne, T S, levere enn NBDT blir anvendt for å oppnå god slagfasthet, for eksempel, anvendes samme LP 9 -formel for å beregne styrkingspotensialet, men karbon- og niobkonsentrasjonene henviser til de i løsning i austenitt ved oppvarmingstemperaturen for et emne, C sol og Nb sol, dvs. LP 9 (MPa) = C sol - 100C 2 sol + 70Nb sol + 71 Mo + 33Ni - 36Cr, hvor, beregnet i henhold til Dong's oppløselighetsformel, C sol = C - (Nb - Nb sol )/7,8-12N*/14; og Nb sol = [Nb - 7,8(C+12N*/14) + {[Nb - 7,8(C+12N*/14)] ,2 x k } 0, / 2, hvor N* = N - Ti/3,42 eller N* = 0, hvis Ti > 3,42N og k = 3,14 + 0,3Si - 0,9Mn + (1371Mn - 923Si ) / (T ), hvor T1=T S, oppvarmingstemperaturen for et emne i grader Celsius.

10 [0049] Dersom normalisering utføres etter valsing, kan LP 9 -formelen fortsatt anvendes så lenge normaliseringstemperaturen, T n, overstiger NBDT. Dersom T n < NBDT, anvender LP 9 -formelen karbon- og niobkonsentrasjonene, C sol og Nb sol, som er ved normaliseringstemperaturen i løsningen. C sol og Nb sol beregnes ved anvendelse av Dong's formel over ved å sette inn T 1 =T n i formelen. [000] Sammensetningsgrensene for stålet ifølge oppfinnelsen er vist i tabell 1. Tabell 1: Sammensetningsgrenser for brannfast stål i vektprosent (vekt) C Si Mn Ni Cr Mo Cu N B* Min. 0 1, Maks. 0 0,7 2,3 1, 1, 0,7 0,3 0,1 040 S P N Al V Ti Ca ST** Min * 0* 0 0* 0 3,0 Maks , ,0 1 * hvis B > 00, så er Ti/N > 3,4 eller Al/N > 8. Hvis B 00, fungerer oppfinnelsen best når N < 08 og 2 < Ti/N < 3. Kalsiumbehandling kan bli anvendt for å sfæroidisere inklusjoner. ** ST henviser til legeringsnivå: ST = 33,8C + 0,98Si + 1,1Mn + 0,47Cr + 2,32Mo + 0,8Ni + 0,47Cu + 1,16BL, hvor BL henviser til bornivå. Hvis B 00, er BL = 0. Hvis B > 008, er BL = 1. (Konsentrasjoner av B på er ikke anbefalt, fordi borets aktivitet da er uviss.) [001] Tabell 2 viser sammensetninger i stålplater ifølge oppfinnelsen innenfor legeringselementkonsentrasjonene gitt i tabell 1. Flytegrense- og strekkfasthetsverdier ble målt for disse stålplatene, se tabell 3. Tabell 2: Kjemiske sammensetninger i plater (vekt) Plate Tykkelse Type mm C Si Mn Cu Cr Ni Mo Nb B BL ST 24 0,17 1,99 0,22 3 0,82 0, ,18 1,99 0,23 3 0,81 0, ,19 1,98 0,22 3 0,82 0, , ,21 3 0,13 0,11 0, , ,22 3 1,01 0,

11 normal normal 12 normal normal 1 0,18 1,36 0,22 3 0,13 0, ,18 1,33 0,22 3 1,02 0,61 0, , ,22 0,99 0,13 0,60 0, ,17 1,3 0,21 0,99 1,02 0,11 0, ,19 1,36 0,22 1,00 0,13 0, , ,23 1,00 1,00 0, ,19 1,60 0, ,68 1,91 0,22 3 0,80 0, , ,22 0,82 0, , ,22 0,91 0,99 0, , ,23 0,91 0,1 0, ,29 1,92 0,22 0,16 0,77 0, , , 0,18 0,78 0, , 1,93 0,21 0,14 0,76 0, , 1,93 0,21 0,14 0,76 0, Andre legeringselementkonsentrasjoner er i henhold til tabell 1. [002] Flytegrensen, R p0,2 (MPa), og strekkfastheten, R m (MPa), til stålet ifølge oppfinnelsen etter varmvalsing og kjøling kan predikeres, ved anvendelse av kjemisk sammensetning og kjølehastighet for stålet, med formlene og 1 [003] I formlene over henviser C, Si, Mn, Cr, Mo og Cu til legeringselementkonsentrasjonene i vektprosent. C er karbonkonsentrasjonen i stålet (vekt) når stålet er varmvalset stål, og C er karbonkonsentrasjonen i løsning i austenitt, C sol, ved stålets normaliseringstemperatur, når stålet er normalisert stål. BL henviser til bornivået. Hvis B 00, er BL = 0; hvis B > 008, er BL = 1 (Borkonsentrasjoner på er ikke anbefalt, fordi aktiviteten til bor da er uviss.) CR henviser til gjennomsnittlig kjølehastighet ved 70 til 400 C. [004] Formelen over som predikerer flytegrensen blir anvendt når det er nødvendig å velge stål som svarer til en ønsket flytegrensegrad.

12 12 [00] Prosentvis forlengelse etter brudd, A, målt med en proporsjonal målelengde, som er,6 x (prøvens tverrsnittsareal) 0,, kan beregnes ved anvendelse av formelen [006] Dersom platen tilvirkes luftkjølt, kan kjølehastigheten estimeres basert på platens tykkelse ved anvendelse av følgende formel: hvor 1 2 T 0 er en første temperatur i Kelvin (i dette tilfellet K), T 1 er en andre temperatur i Kelvin (i dette tilfellet K), og t er platens tykkelse i millimeter. [007] Riktigheten av det fremlagte styrkingspotensialet har blitt verifisert med både miniatyrplater og plater av normal størrelse hvis kjemiske sammensetninger var i henhold til tabell 1 og produksjonsparametere var innenfor de ovennevnte grenser. I denne forbindelse henvises til tabell 3, som viser flytegrenser og strekkfastheter for platene etter varmvalsing og kjøling, sammen med deres beregnede/predikerte styrkeverdier. Miniatyrplatene ble tilvirket med en styrevalse som var 12 mm tykk. Etter valsing ble miniatyrplatene kjølt ned enten fritt i luft eller med bruk av akselerert kjøling med vann til romtemperatur så fort som mulig etter valsing. På denne måten ble kjølehastigheter på 13 eller 1, C/s oppnådd ved 70 til 400 C. Platene av normal størrelse var 12 til 1 mm tykke. De ble valset innenfor de ovennevnte parametergrenser. Etter valsing ble de kjølt ned enten fritt i luft eller med bruk av akselerert kjøling med vann til en temperatur på fra 0 til 0 C. Tabell 3 viser at de predikerte verdiene er nær de målte verdiene for både miniatyrplater og plater av normal størrelse. [008] Tabell 3 viser også at det ved å velge sammensetningen og produksjonsparametrene for stålet med bruk av grensene og formlene ifølge oppfinnelsen, er mulig å fremstille plater for flytegrensegradene 4, 460, 00 eller 690 MPa, for eksempel. Stålets slagfasthet blir også justert til ønsket nivå ved å styre innholdet av urenheter (S, P, O, N), kalsiumbehandlingen og valse- og kjølebetingelsene. Tabell 3: Flytegrense og strekkfasthet for platene etter varmvalsing og kjøling (AR = etter valsing) 3

13 13 Plate Tykkelse mm CR C/s R p0,2 (AR) målt R p0,2 (AR) predikert R m (AR) målt R m (AR) predikert Styrkegrad MPa , , , , , , , , , , , , , , , , , [009] Tabellene 2 og 3 viser at kjølehastigheten ikke i stor grad påvirker styrkeegenskapene til platene, i hvert fall når kjølehastighetene er lave, så det er enkelt å anvende den fremlagte styrkingspotensialformelen for å konstruere sammensetninger for ildfaste stål på en slik måte at det er mulig å anvende samme sammensetning for å fremstille både tykke og tynne plater og båndplater. Eksemplene i Tabell 3 viser at en gitt styrkegrad kan fremstilles fra samme sammensetning uavhengig av kjølehastigheten.

14 14 [0060] Tabell 4 viser beregnede styrkingspotensialer LP 0 og LP 9 og målte styrkeøkninger. Det skal bemerkes at det målte styrkingspotensialet er lavere enn LP 9 -prediksjonen kun i to tilfeller av trettitre. Den høyeste predikerte LP 9 -verdien er 161 MPa, som oppnås med den forholdsvis høylegerte platen Tabell 4: Beregnede LP-verdier sammenliknet med målte forskjeller R p0,2 (1 t 600 C)-R p0,2 (AR) Plate Tykkelse CR R p0,2(ar) målt R p0,2(1t600 C) målt R m(1t600 C) målt R p0,2(1t600 C)- R p0,2(ar) målt LP 0 LP 9 mm C/s MPa MPa MPa MPa MPa MPa , , , , , , , , , , , , , , , , , , [0061] Tabell viser den kjemiske sammensetningen til tre sammenlikningsstål.

15 1 Tabell : Kjemisk sammensetning for tre sammenlikningsmaterialer (vekt) Plate Tykkel se mm CR C/ s C 0,3 0,1 2 0,4 0, Si 0,3 0,3 6 0,1 6 Mn 1, 6 1, 0 1, 1 Al Nb [0062] Platene og ble kjølt fritt i luft. Platen ble kjølt akselerert ved 70-0 C. [0063] Tabell 6 viser de mekaniske egenskapene til sammenlikningsstål valset og etter varmebehandling. Tabellen viser at de målte styrkingspotensialene, R eh (AR) - R eh (1t600 C) som svarer til LP 0 -verdien, typisk er negativ. Sammenlikningsstålene har klart høyere karbonkonsentrasjoner enn stålene ifølge oppfinnelsen, og på grunnlag av LP 9 -formelen forventes det at EP avtar når karbonkonsentrasjonen øker over omtrent 40. V Ti Cr Cu 1 1 0,2 8 Ni 4 0,4 8 0,7 6 Mo N B Tabell 6: Mekaniske egenskaper til sammenlikningsmaterialer valset og etter varmebehandling Plate Tykkelse CR R eh (600 C)- Valset Varmebehandlet 600 C R eh (AR) C/s ReH- Rm- A- Temp. Tid ReH Rm A mm MPa MPa C min. MPa MPa MPa 0, , [0064] Brannbestandigheten til platene ifølge oppfinnelsen ble testet i transiente tester. Deres mekaniske egenskaper i leveringstilstand er vist i tabell 7.

16 16 Tabell 7: Mekaniske egenskaper til platene testet i transiente tester Platenr. Tykkelse Kjølehastighet Etter valsing Varmebehandlet 1t600 C Charpy-V etter tverrvalsing -60 C Rp0,2 Rm A Rp0,2 Rm A mm C/s MPa MPa MPa MPa J [006] Tabell 8 viser styrkeegenskapene målt i transiente tester ved høye temperaturer for stålplatene ifølge oppfinnelsen og tradisjonelle konstruksjonsstål. I transiente tester blir styrken til materialet (stål) målt i varmestrekktester, hvor et stålstykke blir plassert i en testovn ved forskjellige strekklaster ved samtidig å øke temperaturen fra C til 900 C. Flytegrenseverdier ved forskjellige temperaturer blir målt for materialet (stål) på grunnlag av lasttestene. Flytegrense er spenningsnivået ved en valgt forlengelsesverdi. Brannbestandigheten til platene fremstilt i samsvar med oppfinnelsen har blitt testet i transiente tester i henhold til standarden EN En transient test er egnet når det er behov for å definere materialets styrkeegenskaper under brannbetingelser. [0066] Tabell 8 viser reduksjonskoeffisientene (k y,e ) til flytegrenser for stål ved høye temperaturer. k y,θ = f y,θ (ved økt temperatur θ) / f y (ved romtemperatur), hvor f y er effektiv flytegrense ved en total forlengelse på 2. 2 [0067] Tabell 8 viser at brannegenskapene til stålplatene ifølge oppfinnelsen er klart bedre enn de til tradisjonelle konstruksjonsstål: ved 700 C er reduksjonskoeffisienten til den effektive flytegrensen 82 til 90 høyere hos stålet ifølge oppfinnelsen enn hos tradisjonelt stål. Reduksjonskoeffisienten til stålene ifølge oppfinnelsen er over 0,3 og fortrinnsvis over 0,4 ved 700 C, hvilke verdier kan sees å være sanne, se tabell 8.

17 17 temperaturer Tabell 8: Styrkeegenskaper målt gjennom transiente tester ved høye Plate ifølge oppfinnelsen Temperatur Målt reduksjonskoeffisient Reduksjonskoeffisient SFS EN Forhold C ky,θ(målt) ky,θ(en ) ky,θ(målt) / ky,θ(en ) ,000 1,000 1, ,000 1,000 1, ,872 0,780 1, ,6 0,470 1, ,419 0,2 1, ,140 0,1 1, , ,000 1,000 1, ,000 1,000 1, ,932 0,780 1, 600 0,670 0,470 1, ,438 0,2 1, ,12 0,1 1, ,07 1 [0068] Tabell 9 viser sammensetningsinformasjon for normaliserte plater og nioboppløsningstemperaturen NBDT, og Tabell viser mekaniske egenskaper og styrkingspotensialene LP 0 og LP 9 for normaliserte plater. Platene og ble normalisert ved 90 C, som er veldig nær oppløsningstemperaturen til niob (NBDT) beregnet i henhold til Dong's formel (97 C). I praksis gjør dette at C sol og Nb sol er veldig nær de totale karbon- og niobkonsentrasjonene i platene. De beregnede LP-verdiene (LP 0 = 8 MPa og LP 9 = 3 MPa) samsvarer godt med de målte styrkingspotensialene (7 og 69 MPa), så styrkingspotensialformlene ifølge oppfinnelsen kan også anvendes for å fremstille normalisert ildfast stål. Eksemplene i tabellene 9 og viser at det ved å anvende formlene over og normaliserende varmebehandling også er mulig å fremstille ildfaste stål med en flytegrensegrad på 3 MPa.

18 18 Tabell 9: Sammensetningsinformasjon for normaliserte plater og oppløsningstemperatur for niob (NBDT ) Plate Normaliseringstemperatur C Tykkelse mm Ti N N* NBDT C sol Nb sol ppm ppm ppm C Andre legeringselementkonsentrasjoner er listet i tabellene 1 og 2. N* = N - Ti/3,42 Tabell : Mekaniske egenskaper og utfellingspotensialer for normaliserte plater (etter valsing, middelverdi) Varmebehandlet Målt styrkepotensial Beregnet Platenr. Tykkelse NBDT Etter valsing 1t600 C R p0,2 (1t600 C)- LP 0 LP 9 mm C R p0,2 R m A R p0,2 R m A R p0,2 (AR) MPa MPa MPa MPa MPa MPa MPa [0069] Over har oppfinnelsen blitt illustrert ved hjelp av eksempler. I detalj kan oppfinnelsen utføres på mange måter innenfor rammen til de vedføyde kravene.

19 19 P a t e n t k r a v Fremgangsmåte for fremstilling av et stålprodukt, idet fremgangsmåten omfatter å velge et lavlegert varmvalset eller normalisert stål for anvendelser som utsettes for høye temperaturer, k a r a k t e r i s e r t v e d valg av nivået av C, Si, Mn, Cr, Mo, Ni, Cu og B og kjølehastigheten (CR) for stålet etter varmvalsing, beregning av flytegrensen til stålet som har den valgte sammensetningen ved anvendelse av formelen R p0,2 (MPa) = C + 96Si + 2Mn + 9Cr + 137Mo + 48Ni + 3Cu + 41BL + ( Mn + 8BL)log (CR), hvor C er karbonkonsentrasjonen i stålet (vekt), Si er silisiumkonsentrasjonen i stålet (vekt), Mn er mangankonsentrasjonen i stålet (vekt), Cr er kromkonsentrasjonen i stålet (vekt), Mo er molybdenkonsentrasjonen i stålet (vekt), Ni er nikkelkonsentrasjonen i stålet (vekt), Cu er kobberkonsentrasjonenen i stålet (vekt), og BL henviser til bornivået i stålet, og BL = 0 hvis B 00 og BL = 1 hvis B > 008, hvor B er borkonsentrasjonen i stålet (vekt), og CR henviser til kjølehastigheten etter varmvalsing ( C/s), sammenlikning av den beregnede flytegrensen med en ønsket flytegrensegrad spesifisert for anvendelsen, dersom den beregnede flytegrensen oppfyller den ønskede flytegrensegraden, beregning for stålet med nevnte sammensetning av et styrkingspotensial, LP 9, ved anvendelse av formelen C - 100C Nb + 71Mo + 33Ni - 36Cr, hvor Nb er niobkonsentrasjonen i stålet (vekt), og dersom det beregnede styrkingspotensialet LP 9 > 0, er stålet med nevnte sammensetning egnet til bruk i anvendelsen; og idet fremgangsmåten videre omfatter å fremstille stålproduktet ved anvendelse av den valgte sammensetningen og den valgte kjølehastigheten Fremgangsmåte ifølge krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at sammensetningen til stålet velges slik at dets sammensetning i vektprosent er: C: 1-

20 1 Si: maksimalt 0,7 Mn: 1,0-2,3 Ni: maksimalt 1, Cr: maksimalt 1, Mo: maksimalt 0,7 Cu: maksimalt 0,3 Nb: 4-0,1 B: maksimalt 04 N: maksimalt 1 Al: maksimalt 0,1 V: maksimalt 2 Ti: maksimalt Ca: maksimalt 06, hvorved konsentrasjonene av mangan og molybden velges slik at Mn > 1,6 eller Mo < 0,1, hvis B > 00, og stålets legeringsnivå ST = 33,8C + 0,98Si + 1,1Mn + 0,47Cr + 2,32Mo + 0,8Ni + 0,47Cu + 1,16BL slik at dets verdi er 3,0-8,0, hvor BL = 0 hvis B 00 og BL = 1 hvis B > Lavlegert varmvalset eller normalisert stål til bruk i anvendelser som krever toleranse for høye temperaturer og varmebestandighet, der karbonkonsentrasjonen i stålet er > 1 vekt, k a r a k t e r i s e r t v e d at stålets sammensetning i vektprosent er som følger: C: over 1 og maksimalt Si: maksimalt 0,7 Mn: 1,0-2,3 Ni: maksimalt 1, Cr: maksimalt 1, Mo: < 0,4 Cu: maksimalt 0,3 Nb: 4-0,1 B: maksimalt 04 N: maksimalt 1 Al: maksimalt 0,1 V: maksimalt 2 Ti: maksimalt Ca: maksimalt 06, hvorved

21 21 Mn > 1,6 eller Mo < 0,1, hvis B > 00, og stålets legeringsnivå ST = 33,8C + 0,98Si + 1,1Mn + 0,47Cr + 2,32Mo + 0,8Ni + 0,47Cu + 1,16BL = 3,0-8,0, hvor BL = 0 hvis B 00, og BL = 1 hvis B > 008, og stålets sammensetning oppfyller kriteriet C - 100C Nb + 71Mo + 33Ni - 36Cr > Stål ifølge krav 3, k a r a k t e r i s e r t v e d at C - 100C Nb + 71Mo + 33Ni - 36Cr > 0.. Stål ifølge krav 3, k a r a k t e r i s e r t v e d at C - 100C Nb + 71Mo + 33Ni - 36Cr > Stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til, k a r a k t e r i s e r t v e d at karbonkonsentrasjonen i stålet er minst 3 vekt Stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til 6, k a r a k t e r i s e r t v e d at niobkonsentrasjonen i stålet er 8-0,12 vekt. 8. Stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til 7, k a r a k t e r i s e r t v e d at B 00, N < 08 og 2 <Ti/N < Stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til 7, k a r a k t e r i s e r t v e d at stålet er borfritt. 2. Stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til 7, k a r a k t e r i s e r t v e d at Ti/N > 3,4 eller Al/N > 8, hvis B > Stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til, k a r a k t e r i s e r t v e d at reduksjonskoeffisienten for dets styrke ved 700 C er > 0,3 målt i en transient test. 12. Anvendelse av et stål ifølge et hvilket som helst av de foregående krav 3 til 11 i anvendelser som krever høy styrke ved temperaturer over 400 C Anvendelse av stålet ifølge krav 12 i bygningsbjelker.

22 22