結構用鋼材產製簡介


前言

鋼鐵材料具有高強度、易加工、價格合宜,以及優異之機械性質,因此廣泛被用於工程建設,然而為因應各種不同需求,鋼鐵也因而添加了不同含量的合金元素,並經不同的生產製程和條件,以及不同的後續處理,產製出不同形狀、大小和不同特性的鋼品,供下游進一步的加工、組合來製造出更具使用價值之製品。因此,本文即對鋼鐵材料如何產製做一介紹供工程先進參考。

鋼板之產製

鋼板之生產流程,如圖1所示,可分為煉鐵、煉鋼及軋鋼等三部分,分別介紹之。

一、煉鐵

煉鐵係高溫下藉焦炭將氧化鐵還原之反應,煉鐵之原料有鐵礦石、焦炭及助溶劑,其功能如下:

1. 鐵礦石:主要成份為氧化鐵,為鐵水之鐵元素來源。

2. 焦炭:主要作為煉鐵的還原劑及熔解所需之熱量來源,並有支撐加熱及改善爐內透氣性之性能。

3. 助溶劑CaCO3,MgCO3:主要功能為吸收礦石中所含脈石(鐵礦石中之SiO,與焦炭中之灰份),形成爐渣,浮於鐵水表面,有保護鐵水被氧化之功能,並調整酸鹼度,以利脫硫。

二、煉鋼

煉鋼係轉爐中吹送氧氣,將鐵水中之高含量的碳、矽、磷、硫等雜質氧化除去。煉鋼各製程之功能分述如下:

1. 轉爐煉鋼:以氧氣吹煉去除碳、矽、磷等雜質,並控制鋼液溫度。

2. 出鋼作業:鋼液溫度及含碳量合於目標後,將鋼液傾注於盛鋼桶中,並可添加合金,以調整成份。

3. 鋼液精煉處理:為提昇鋼液品質,良好材質之鋼液常經下列精煉設備處理,而各精煉處理之功能如下:

(1) 盛鋼桶吹射處理:降低硫含量。

(2) 攪拌處理:可供加鋁線與鈣、矽線處理,經攪拌可改善清淨度。

(3) 真空脫氣處理:降低氧、氮、氫等氣體含量,改善品質,並可添加合金。

(4) 盛鋼桶精煉處理:有加熱功能及添加鋁線,鈣矽線及扒渣功能,降低硫、磷含量,及調整成份等。

三、軋鋼

鋼板係由扁鋼胚再加熱及軋鋼作業等製程的產品,而各製程的功能如下:

1. 鋼胚再加熱:將扁鋼胚加熱到1000~1200℃,並停留一段適當的時間,其目的如下:

(1) 鋼料的均質化:使鋼胚內部之雜質擴散,均勻分佈,以改善偏析現象。

(2) 鋼胚軟化:鋼胚溫度高,剛性降低有利於軋延。

2. 軋延作業:鋼胚經熱軋延後可獲得下列功能:

(1) 改善內部缺陷:鋼胚經熱軋延後,可改善氣孔、中心線裂等鋼胚缺陷。

(2) 改善鋼材韌性:鋼胚經熱軋延後,晶粒再結晶,使晶粒細化目均勻,提升鋼材韌性。

(3) 尺寸需求:鋼胚依設計,軋延成所需要的尺寸,滿足訂單需求。

鋼板材質之演進

一、生產製程發展歷程

50kg/mm2等級鋼板之生產製程發展為例,將其特性概述如下:

1. 一般軋延:1960年代以前,沒有微合金添加的理念,亦無控制軋延的技術,強度上完全依賴碳與合金元素,故碳當量(Ceq)非常高,如SM490之Ceq高達約0.5%,不適於銲接作業。

2. 正常化處理:1960年以後有了正常化處理,即鋼板加熱至約900℃,停留一段時間,再空冷下來,可藉此而細化晶粒提高強度,因此SM490之Ceq由過去的0.5%降到約0.42%水準,鋼構才能由鉚接的時代過渡到銲接時代。

3. 控制軋延:1970年代又發展了微合金添加(如Nb、V……等)及控制軋延的技術開發出來,50kg/mm2等級鋼板之Ceq因此可降低到0.38%左右的水準,更提升鋼板銲接性。

4. 熱機控制軋延:1980年代開發了鋼板線上加速冷卻系統,生產50kg/mm2等級鋼板,其Ceq更可降低到0.33%左右的水準。該生產製程簡稱TMCP(Thermo-mechanical controlled process) 。

二、鋼板材質發展趨勢

為提昇品質,以利加工作業,及更適合特殊品質特性要求,茲介紹近幾年來新開發的結構用鋼板,即TMCP製程鋼、高效率銲接鋼、耐硫酸露點腐蝕用鋼、低降伏結構用鋼及耐火鋼板,其材質特性概述如下:

1. 熱機控制軋延(TMCP)鋼板:1980年代開發了鋼板線上加速冷卻系統,產製50kg/mm2以上之高強度鋼板,其碳當量較低,材質較佳,該生產製程簡稱TMCP(Thermo-mechanical controlled process),其材質與傳統製程鋼板材質比較有下列優點:

(1) 機械性質:

a. 強度與韌性均較傳統軋延鋼料優,即相當強度等級鋼料,TMCP製程鋼板之韌性較佳。

b. TMCP因組織均勻,故其抗破裂韌性較佳。

(2) 銲接性質:

a. TMCP製程鋼板因碳當量較低,冷裂性低,預熱條件較寬。

b. 銲材之氫含量限制與烘烤溫度、時間限制較寬。

c. TMCP製程鋼板之熱影響區韌性較佳。

(3) 耐腐蝕性:TMCP製程鋼板之抗氫引裂性(HIC)與抗應力腐蝕性(SSCC)均較傳統鋼板為佳。

2. 高效率銲接鋼板:為降低加工成本,提高鋼構業競爭能力,故近幾年來,工業國家已發展出高效率銲接作業(即高入熱量銲接),以減少銲接工時,降低成本,但高入熱量銲接作業,務必有適當的鋼板材質配合,才能防止熱影響區韌性脆化;一般高效率銲接之鋼板,要求C.P.S.N.等原素之含量要低,且添加微量Ti等元素,並配合特殊生產製程,以維護銲接後鋼板熱影響區良好的韌性品質;國內中鋼公司於78年開始試製該項產品,如SM490A HW,SM490B HW,SM490C HW(註:HW表示高入熱量銲接用途),經評估顯示品質十分良好。

3. 低降伏比結構用鋼:所謂降伏比是材料的降伏強度與抗拉強度的比值,此比值越低,表示材料從降伏發生到破斷前,可因加工硬化而增加負荷能力越大,也就加工硬化率越大,因此當鋼結構物在外力作用下(如地震)局部區域因應力集中(如梁-柱接頭處),產生塑性變形時,能因加工硬化限制其進一步的變形,而將整個應變均勻的分佈到較寬的區域,防止了局部區域因應變量過大產生破斷,危及整個鋼結構的安全。傳統的高張力鋼板降伏比都在0.85左右,而且隨強度等級的提高,降伏比有增加的趨勢,目前開發成功的低降伏比房屋結構用高張力鋼,其降伏比可低到0.8以下,這對於高樓建築耐震能力的提昇有莫大的助益。該材質可由水冷式TMCP製程來生產。

4. 耐火鋼板:由於鋼材的強度會隨著溫度的升高而降低,因此當鋼結構高樓發生火災時,鋼結構被加熱到高溫後,其負載能力降低,有傾倒危及公眾安全之虞,在國外較嚴格的建築法規中,都要求鋼結構外要被覆相當厚度的防火材料,以防止發生火災時,鋼結構的溫度不致超過350℃,此時鋼材的負載能力還能維持在常溫的2/3水準。而新開發的耐火鋼板,添加了一些特殊的合金元素,使鋼板升溫到600℃時,降伏強度仍能保持在室溫的2/3以上,可減少甚至完全省掉隔熱被覆材料的使用,不但節省材料費用,而且加大室內有效空間。

結語

隨著科技的進步,各種高性能之鋼材陸續開發出來,工程師若能充分了解特定鋼材之性質,配合結構物使用特性,選用適當材質之鋼材,不但可節省材料費用,更可發揮最大之結構安全效益。

圖1 鋼板生產流程圖(摘自中鋼公司網站)

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