結構用鋼材產製簡介

陳正平技師

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)