Feuerresistenter Stahl für den Stahlbau und Verfahren zur Herstellung von Warmgewalzten Hohlprofilen, Trägern, Formstahl oder Grobblech daraus

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen feuerresistenten schweißbaren Stahl, insbesondere in Form von warmgewalzten Hohlprofilen, Trägern, Formstahl oder Grobblech für den Stahlbau sowie ein Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten Hohlprofilen, Trägern oder Formstahl oder Grobblech daraus.

[0002] Feuerresistente Stähle müssen eine hohe Warmfestigkeit aufweisen, damit im Stahlbau eine Verringerung von teuren Brandschutzmaßnahmen ermöglicht wird. Für den Brandschutz von Stahlkonstruktionen werden Stahlteile entweder durch Spritzputz oder Platten abgedeckt, bzw. mit Füllmaterial versehen. Ziel dieser Maßnahmen ist es, im Brandfall die Zeit bis zum Erreichen einer kritischen Temperatur möglichst lang auszudehnen oder diese Temperatur erst gar nicht zu erreichen. Im Regelwerk sind diese Forderungen als Feuerwiderstandsklasse, z. B. F30, F60, F90 usw., festgelegt, wobei F die Abkürzung für Feuerwiderstandsklasse ist und die Zahl 30, 60 bzw. 90 die Zeit in Minuten angibt, bis zu der nach Ausbruch des Brandes die tragende Konstruktion noch funktionsfähig sein muss.

[0003] Neben den oben genannten Brandschutzmaßnahmen gibt es auch die Möglichkeit, die Querschnitte bzw. Wanddicken der tragenden Elemente, wie z. B. Stützen oder Träger, entsprechend auszulegen, um den Forderungen zu genügen. Das führt aber zu schweren und teuren Konstruktionen und verringert den ausnutzbaren Raum.

[0004] Im Stand der Technik sind eine Reihe feuerresistenter Stähle bekannt, die eine hohe Warmstreckgrenze aufweisen. Beispielsweise ist in der EP 0347156 B2 ein feuerresistenter Stahl offenbart, der einen Mn-Gehalt im Bereich von 0,5 bis 1,6 Gew.-% insbesondere einen Mo-Gehalt im Bereich von 0,2 bis 0,7 Gew.-% aufweist. Kombiniert ist diese Stahlgüte mit einer Walztechnologie, die sich durch ein Warmfertigwalzen bei einer Temperatur von 800 bis 1000°C, dann Luftabkühlung auf eine Temperatur von A_r3 -20°C bis A_r3 -100°C und einer anschließenden Wasserabkühlung auf eine Temperatur unterhalb von 550°C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 3 bis 40°C/sec. auszeichnet. Der so hergestellte Stahl weist eine Warmstreckgrenze bei 600°C von ca. 230 MPa auf. Dieser Stahl ist auch gut schweißbar mit einem CE_IIW-Wert < 0,5¹ .
¹(C + + _ + _) IIIW =International Inst. Of Welding

[0005] Ein vergleichbarer Stahl ist aus der EP 0470055 A2 bekannt. Die Stahlgüte weist als Hauptelemente Mn, Cr, Mo, Nb, Ti und Cu auf. Auch diese Stahlgüte ist mit einer bestimmten Walztechnologie kombiniert. In diesem Fall liegen die Endwalztemperaturen zwischen 800 und 950°C mit anschließender Wasserabkühlung auf 550 bis 700°C mit einer Abkühlrate von 5 bis 35°C/sec. Beschränkt ist das offenbarte Verfahren für Dicken zwischen 1,5 und 12 mm. Die Schweißeignung dieses Stahles ist gut, da der CE_IIW-Wert unter 0,3 liegt. Über die Warmstreckgrenze kann keine Aussage gemacht werden, da in der Schrift hierüber Angaben fehlen. Dargestellt ist nur die relative Abnahme der Streckgrenze mit steigender Temperatur. Eine solche Darstellung ist für den Konstrukteur, der für die Auslegung des aus diesem Stahl gefertigten Bauteiles verantwortlich ist, aber unbrauchbar, da er für seine Auslegung quantitative Werte benötigt, die er in seine Berechnungsformeln einsetzen kann.

[0006] Ein feuerresistenter nickelfreier Stahl für den Stahlbau und ein Verfahren zur Herstellung von Grobblech daraus ist aus der EP 0882807 B1 bekannt. Diese Stahlgüte zeichnet sich durch einen Mn-Gehalt im Bereich von 0,5 bis 1,6 Gew.-% und einem Mo-Gehalt im Bereich von 0,10 bis 0,40 Gew.-% aus. Zulegiert werden darüber hinaus Cr im Bereich von 0,5 bis 0,9 Gew.-% und V im Bereich von 0,01 bis 0,05 Gew.-%. Die Warmstreckgrenze dieses bekannten Stahles liegt bei mind. 250 MPa bei einer Temperatur von 600°C. Der CE_IIW-Wert liegt im Bereich von 0,27 bis 0,79. Als erfindungswesentlich wird herausgestellt, dass der Stahl ein Streckgrenzenverhältnis R_e/R_m bei Raumtemperatur zwischen 0,4 bis 0,6 aufweist.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, einen feuerresistenten schweißbaren Stahl anzugeben, der insbesondere in Form eines warmgewalzten Hohlprofils, Trägers, Formstahls oder Grobbleches im Stahlhochbau ohne Schutzmaßnahmen dort eingesetzt werden kann, wo die Erfüllung der Feuer-Widerstandsklasse F30 Zulassungsbedingung ist.

[0008] Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines warmgewalzten Hohlprofiles, Trägers, Formstahls oder Grobbleches sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0009] Nach der Lehre der Erfindung wird ein feuerresistenter schweißbarer Stahl insbesondere in Form von warmgewalzten Hohlprofilen, Trägern, Formstahl oder Grobblech für den Stahlbau mit folgender chemischer Zusammensetzung und sonstigen Merkmalen vorgeschlagen: 0,06 - 0,13 % C; 0,15 - 0,50 % Si; 1,0 - 2,0 % Mn; max. 0,025 % P; max. 0,02 % S; 0,005 - 0,040 % Al; 0,20 - 0,40 Mo; 0,40 - 0,70 % W; 0,02 - 0,05 % Nb Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei das aus diesem Stahl hergestellte Bauteil eine Warmstreckgrenze bei 600 °C von mindestens 200 MPa und einen CE_IIW-Wert < 0,5 aufweist.

[0010] Erfindungswesentlich ist die Zulegierung von W bei einem ausgewogenen Verhältnis von C, Mn und Mo. Die gute Schweißeignung auch bei größeren Wanddicken wird durch einen CE_IIW-Wert < 0,5 gewährleistet.

[0011] Der Vorteil des vorgeschlagenen Stahls ist darin zu sehen, dass bei einer nur geringen Zulegierung der teuren Elemente, wie Mo und W, die Warmstreckgrenze insbesondere über den Bereich von 600°C hinaus höher liegt als bei vergleichbaren Stählen. Dabei macht man sich den Effekt zu Nutze, dass Wolfram hinsichtlich einer Erhöhung der Warmstreckgrenze wirksamer ist als Chrom und zudem die Schweißeignung nicht einschränkt, da Wolfram in die Formel für den CE_IIW-Wert nicht mit eingeht. Aus diesem Grunde wird auch auf eine Zulegierung der Elemente Ni und Cu verzichtet.

[0012] Von weiterem Vorteil ist, dass die Streckgrenzwerte bei RT bzw. bei Minustemperaturen hoch sind, so dass der Konstrukteur bei seiner Auslegung hier keinen Einschränkungen unterworfen ist.

[0013] Mit der vorgeschlagenen Stahlgüte wird dem Konstrukteur im Stahlhochbau ein Baustahl an die Hand gegeben, der es ihm ermöglicht, das daraus erzeugte Bauteil ohne aufwendige Brandschutzmaßnahmen bzw. ohne Querschnittsvergrößerungen oder Wanddickenzunahme, im Sinne der Erfüllung der Feuer-Widerstandsklasse F30, direkt einzusetzen. Die gute Schweißeignung, auch bei größeren Dicken, ermöglicht es zudem vor Ort an der Baustelle ohne Probleme schweißen zu können.

[0014] Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Hohlprofil, der Träger, Formstahl oder Grobblech walzhart, d. h. ohne eine anschließende Wärmebehandlung, ausgeliefert werden. Gegebenenfalls ist zuvor noch ein Richten erforderlich.

[0015] Bei hohen Anforderungen des Bestellers hinsichtlich der Zähigkeit des Bauteils ist ein Normalisieren bzw. Vergüten, d. h. Härten und Anlassen des Walzproduktes, erforderlich. Alternativ kann es auch von Vorteil sein, ein Inline-Normalisieren anzuwenden.

Ansprüche

1. Feuerresistenter schweißbarer Stahl, insbesondere in Form von warmgewalzten Hohlprofilen, Trägern, Formstahl oder Grobblech für den Stahlbau mit folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%):

0,06 - 0,13% C

0,15 - 0,50 % Si

1,0 - 2,0 % Mn

max. 0,025 % P

max. 0,02 % S

0,005 - 0,040 % AI

0,20 - 0,40 % Mo

0,40 - 0,70 % W

0,02 - 0,05 % Nb

Rest Eisen mit erschmelzungsbedingten Verunreinigungen, wobei das aus diesem Stahl hergestellte Bauteil eine Warmstreckgrenze bei 600 °C von mindestens 200 MPa und einen CE_IIW-Wert < 0,5 aufweist.

2. Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten Hohlprofilen mit Dicken bis 30 mm aus einem Stahl der Zusammensetzung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stahl im Strangguss zu Stangen vergossen wird, die nach der Aufteilung in einzelne Stäbe und nach dem Erwärmen auf ≥ 1200°C zu einem Hohlprofil warmgewalzt werden bei Endwalztemperaturen zwischen 800 und 1000°C mit anschließender Abkühlung an Luft.

3. Verfahren nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet,
dass beim Warmwalzen zuerst eine Luppe erzeugt wird, die von Walztemperatur auf eine Temperatur im Bereich zwischen 450 bis 650 °C abgekühlt und nach Wiedererwärmung auf 950 bis 1050 °C auf Fertigabmessung gewalzt wird mit Endwalztemperaturen zwischen 800 und 1000 °C mit anschließender Abkühlung an Luft.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hohlprofile von Endwalztemperatur bis auf 600 °C rasch abgekühlt werden mit einer Abkühlrate von mindestens 6 °C/sec, an die sich eine langsame Abkühlung an Luft anschließt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hohlprofile von Endwalztemperatur bis auf <100°C rasch abgekühlt werden mit einer Abkühlrate von mindestens 15 °C/sec an die sich eine langsame Abkühlung an Luft anschließt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 2 bis 5
dadurch gekennzeichnet,
dass die warmgewalzten und gehärteten Hohlprofile bei Temperaturen im Bereich von 580 bis 680 °C angelassen werden.

7. Verfahren zur Herstellung von warmgewalzten Trägern oder Formstahl aus einem Stahl der Zusammensetzung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stahl im Strangguss zu Brammen, Beam-Blanks oder Vorblöcken vergossen wird, die nach dem Erwärmen auf ≥1200 °C zu Trägern oder Formstahl warmgewalzt werden bei Endwalztemperaturen zwischen 800 bis 1000 °C mit abschließender Abkühlung an Luft.

8. Verfahren zur Herstellung von warmgewalztem Grobblech aus einem Stahl der Zusammensetzung nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet,
dass der Stahl im Strangguss zu Brammen vergossen wird, die nach dem Erwärmen auf ≥1200 °C zu Grobblech warmgewalzt werden bei Endwalztemperaturen zwischen 800 und 1000 °C mit abschließender Abkühlung an Luft.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 7 und 8
dadurch gekennzeichnet,
dass die warmgewalzten Hohlprofile, Träger, Formstähle und Grobbleche von Raumtemperatur wieder auf 900 bis 1000 °C aufgewärmt, zur Durcherwärmung je nach Dicke bei Erwärmungstemperaturen entsprechend gehalten und anschließend wieder an Luft abgekühlt werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 7 und 8
dadurch gekennzeichnet,
dass die warmgewalzten Hohlprofile, Träger, Formstähle und Grobbleche von Raumtemperatur wieder auf 900 bis 1000 °C aufgewärmt, zur Durcherwärmung je nach Dicke bei Erwärmungstemperatur entsprechend gehalten, danach mit einer Abschreckgeschwindigkeit von mindestens 15 °C/sec auf < 100 °C gehärtet und abschließend bei 580 bis 680 °C angelassen werden.