本发明涉及钢材冶炼领域，具体地指一种高强度耐火耐候钢及其生产方法。
背景技术：
随着冶金科技的不断进步，建筑、桥梁等大型结构工程对钢材的技术要求也越来越高，除了对传统的强度、韧性、塑性等指标具有较高要求外，还对钢材的耐火、耐候、抗震性能、焊接性能以及厚度方向性能提出了更高的要求。而耐火耐候钢可以弥补普通钢结构抗火耐候性能差的缺点，大大减少防火涂料和耐候涂层，降低环境污染，提高资源和能源利用效率，符合国家大政方针要求。因此，从长远来看，结构用耐火耐候钢是建筑结构行业具有巨大潜在需求的优质钢材，其市场价值不可估量。目前结构用耐火耐候钢已经列入“十三五”科技支撑计划，同时国外已在高层建筑楼承板中大量使用耐火耐候钢板，而国内尚无研发和应用报道。
在现有技术中，专利申请号为cn01133562.9的中国发明专利公开了一种高性能耐火耐候建筑用钢及其生产方法，该发明钢含有较多p含量，致使焊接性能较差，且钢板需进行正火+回火处理，工艺路线复杂，成本较高，同时钢板的强度级别较低。此外，专利申请号为cn20091027241.9、cn201410073270.5、cn201410236553.7、cn201510110519.x、cn201110247625.0、cn200910045146.7、cn200810197847.8、cn201110080774.6、cn201310714605.2的中国发明专利均涉及钢材的生产，得到的钢材产品均具有良好的耐火性能，但缺点是不具备耐候性能。专利申请号为cn200680015185.7的中国发明专利公开了一种耐火用钢材及其制造方法，该钢须含有较多的cu、ni元素，合金成本高，不利于在各冶金行业推广生产。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高强度耐火耐候钢，它不仅具有高强度，而且耐火、耐候、冷加工性能以及抗大变形能力优秀。
为实现上述目的，本发明提供一种高强度耐火耐候钢，它的化学成分按质量百分数计为：c：0.012～0.046％，si：0.10～0.20％，mn：0.60～1.10％，p≤0.005％，s≤0.002％，mo：0.12～0.41％，w：0.15～0.32％，cr：0.61～0.81％，cu：0.18～0.48％，ni：0.28～0.45％，nb：0.008～0.026％，v：0.041～0.072％，als：0.015～0.025％，ca：0.0012～0.0025％，re：0.0010～0.0041％，其余为fe及不可避免的杂质。
进一步地，所述高强度耐火耐候钢的化学成分中，(mo+3w)：0.86～1.08％。
进一步地，所述高强度耐火耐候钢的化学成分中，(cr+2cu)/ni：3.41～3.86％。
进一步地，所述高强度耐火耐候钢的化学成分中，冷裂敏感指数pcm＝c+si/30+(mn+cr+cu)/20+ni/60+mo/15+v/10+5b≤0.18％。。
以下详述本发明中化学成分限定量的理由：
本发明c含量选择在0.012～0.046％，c通过间隙置换固溶强化强烈提高钢的强度，是确保钢强度的重要元素之一。同时适量c与钢中nb、v、mo等合金元素形成细小的析出相，强烈提高钢室温强度和高温强度，改善钢的塑韧性。c含量过高将增加碳偏析的倾向、m-a岛体积分数含量以及焊接冷裂纹敏感性系数，从而恶化钢的综合性能，影响钢的冷热加工性能。c含量过低时将提升钢的相变点，不利于轧制工艺的实施，且恶化钢材的综合性能。故c含量限定为0.012～0.046％。
本发明si含量选择在0.10～0.20％，si在钢中的主要作用是固溶强化和脱氧。由于本发明钢中添加了ca、als等与[o]有更强结合力的元素，因此，在本发明钢中添加的少量si主要起到固溶强化作用，确保钢的强度水平。
本发明mn含量选择在0.60～1.10％，mn是细化组织和确保钢材强韧性不可或缺的重要元素。但mn易与s形成粗大的mns夹杂物，对钢材的塑韧性造成不利影响高。故mn含量限定为0.60～1.10％。
本发明p≤0.005％、s≤0.002％，p、s是钢中的有害杂质元素。p虽然能提高钢的耐蚀性能，但高p易导致偏析，影响钢的组织均匀性，降低钢的韧性；而s与mn易形成粗大的mns夹杂，对塑韧性十分不利。
本发明mo含量选在0.12～0.41％，mo在钢中的作用主要是固溶强化作用，与此同时，mo还可以与c结合以细小碳化物的形式析出，在提高钢室温强度的同时，还可以大大提高钢的高温强度。适量mo还可以促进在高温下具有较高稳定性的nb、v细小碳氮化合物析出，从而提高钢的高温性能。但钢中含有较高的mo易导致冷却过程中大量马氏体组织的出现，恶化钢材的塑韧性。故mn含量限定为0.12～0.41％。
本发明w含量选在0.15～0.32％，钢中w大部分固溶于基体中起到固溶强化作用，同样，少量的w与c结合以细小碳化物的形式析出，提高钢的高温强度，但较高的w含量不利于改善钢的塑韧性。
本发明cr含量选在0.61～0.81％，cr具有很强的固溶强化作用，是有效提高钢板强度的元素之一。当cr与ni、cu复合添加的情况下，显著提高钢的耐腐蚀性能。
本发明cu含量选在0.18～0.48％，本发明中，cu的主要作用除了起固溶和沉淀强化作用，还能显著提高的耐腐蚀性能。当与ni、cr复合添加的情况下，其提高耐腐蚀性能的效果更为显著。但是当cu含量低于0.18％，其沉淀强化作用不明显，耐蚀性能得不到保证，当cu含量超过0.48％时，在加热时会引起热脆现象，引起表面质量问题。
本发明ni含量选择在0.28～0.45％，ni对钢材强度贡献不大，但能明显改善钢材的塑韧性。特别是对cu、cr等固溶强化元素含量高的钢材，适量ni可有效改善钢材的冷加工性能。当ni与cr、cu复合添加的情况下，还可显著提高耐候性能。但ni量过高，钢板表面易产生大量难以脱落的氧化铁皮，且大大增加生产成本。
本发明nb含量选择在0.008～0.026％，nb是一种强碳化物形成元素，具有强烈的细化晶粒作用，能显著提高奥氏体再结晶温度，扩大轧制工艺范围，使发明钢在ⅱ阶段轧制过程中充分细化组织，确保钢材具有良好的强韧性匹配。在轧制过程中，nb在钢中形成的碳氮化物颗粒，可有效抑制奥氏体晶粒的长大，提高强度和塑韧性。本发明中，与mo同时加入可明显提高nb、v的细小碳氮化合物析出，这些碳化物在高温下具有较高的稳定性，从而提高钢的耐火性能。当nb含量低于0.008％时，析出nb的细小碳氮化合物不足，无法确保耐火性能，且导致强度不足。
本发明v选择在0.041～0.072％，v是一种相当强烈的碳化物形成元素，适量的v具有明显的沉淀析出强化作用，还具有固溶强化作用和降低屈强比的作用。当nb与v复合加入时，可明显改善横向裂纹现象的发生，显著提高钢的再结晶温度。本发明中，与mo同时加入可明显提高nb、v的细小碳氮化合物析出，这些碳化物在高温下具有较高的稳定性，从而提高钢的耐火性能。但v含量过高，沉淀强化作用显著，但塑韧性变差。
本发明als含量选择在0.015～0.025％，als常常作为脱氧元素加入钢中。als与钢中n结合形成aln颗粒，起到细化晶粒作用。
本发明ca含量控制在0.0012～0.0025％。ca是本发明产品中一个很重要的元素，钢中添加适量的ca将硫化物夹杂物球化，有利于改善塑韧性。ca在本发明中重要作用是和als与[o]结合形成微细的氧化物颗粒，这些微细氧化物颗粒作为mn硫化物的形核核心，细化硫化物尺寸，改善塑韧性，因此，ca含量应不低于0.0012％；ca含量超过0.0025％时，则会形成许多大型含ca的硫化物混合夹杂，不利于改善钢材的综合力学性能。
本发明re含量控制在0.0010～0.0050％。re是本发明产品中一个很重要的元素，除了净化钢质，还可以明显提高钢的耐蚀性能。当re含量低于0.0010％时，其净化钢质和提高耐蚀性能的作用得不到体现，当re的含量超过0.0050％，则会形成re含量高的大尺寸复合夹杂物。
同时，作为优选的技术方案，本发明钢中，当mo+3w＜0.86时，除了造成钢强度不足外，也无法保证钢的耐火性能，当mo+3w＞1.08时，会造成钢的塑韧性和冷加工性能较差，合金成本也较高；当(cr+2cu)/ni＜3.41时，除了造成强度不足外，钢的耐火性能和耐蚀性能也无法得到保证，当(cr+2cu)/ni＞3.86时，则会导致钢的塑韧性和冷加工性能下降，合金成本也大大增加；为确保钢的塑韧性和冷加工性能，pcm值必须小于等于0.18％。
本发明钢除含有上述化学成分外，余量为fe及不可避免的夹杂。
本发明的另一个目的是提供上述高强度耐火耐候钢的生产方法，该方法步骤简单、成本低，适合于工业化生产。
为实现上述目的，本发明提供一种上述高强度耐火耐候钢的生产方法，它依次包括以下步骤：连铸、铸坯加热、热连轧、酸冷轧、连续退火，其中：
1)所述铸坯加热阶段中，将铸坯加热至温度1280～1320℃，加热时间为150～220min；
2)所述热连轧阶段中，粗轧出口温度为1080～1200℃，精轧终轧温度为860～900℃，卷取温度为680～720℃；
3)所述酸冷轧阶段中，酸值为195～205g/l，酸洗温度为70～90℃，冷轧总压下率为55～70％；
4)所述连续退火阶段中，均热温度为770～800℃，缓冷段结束温度为660～680℃，快冷段结束温度410～430℃，再缓冷至室温，工艺段带钢速度170～220m/min。
进一步地，所述铸坯加热阶段中，控制铸坯温差≤30℃。可以更好的保证除鳞效果。
进一步地，所述热连轧阶段中，粗轧道次为3～5次，精轧集管开启数2～3组，同板温差≤25℃。
进一步地，所述连续退火后进行平整，平整延伸率为1.3～1.5％。
本发明的有益效果在于：
本发明通过控制各化学成分的百分比含量，得到一种不仅具有高强度，而且耐火、耐候、冷加工性能以及抗大变形能力均优秀的耐火耐候钢，同时成本低。该耐火耐候钢可以弥补普通钢结构抗火耐候性能差的缺点，大大减少防火涂料和耐候涂层，降低环境污染，提高资源和能源利用效率。同时，本发明通过生产工艺的控制，可以通过常规的简单工序即可生产得到本发明的耐火耐候钢，生产成本低、易于大规模生产，适合在各冶金企业进行工业化推广应用，具有很强的实用性。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的高强度耐火耐候钢及其生产方法作进一步的说明：
表1列出了实施例1～实施例9的高强度耐火耐候钢的化学成分的重量百分数(余量为fe和不可避免的杂质)。
表1实施例的化学成分(wt，％)
按照本发明钢化学成分及生产方法要求，冶炼并轧制了9批本发明的钢，分别为实施例1～实施例9，实施例1～3的钢厚度为0.8mm，实施例4～6的钢厚度为1.0mm，实施例7～9的钢厚度为1.2mm。
本发明实施例1～9的高强度耐火耐候钢的生产方法，依次包括以下步骤：连铸、铸坯加热、热连轧、酸冷轧、连续退火。
1)所述铸坯加热阶段中，将铸坯加热至温度1280～1320℃，加热时间为150～220min，控制铸坯温差≤30℃。
2)所述热连轧阶段中，控制粗轧出口温度为1080～1200℃，精轧终轧温度为860～900℃，卷取温度为680～720℃。粗轧道次为3～5次，精轧集管开启数2～3组，保证除鳞效果，控制同板温差≤25℃。
3)所述酸冷轧阶段中，酸值为195～205g/l，酸洗温度为70～90℃，冷轧总压下率为55～70％。
4)所述连续退火阶段中，均热温度为770～800℃，缓冷段结束温度为660～680℃，快冷段结束温度410～430℃，再缓冷至室温，工艺段带钢速度170～220m/min。所述连续退火后进行平整，平整延伸率为1.3～1.5％。
对上述实施例1～9的钢进行力学性能试验，结果如表2所示：
表2本发明钢的力学性能
(注：本发明钢耐火性能以600℃时屈服强度rp0.2不低于室温屈服强度的2/3来评定，高温拉伸试验按gb/t4338规定执行；耐候性能通过周浸腐蚀试验264h后的质量损失评定，周浸试验按gb/t19746规定执行，具体腐蚀试验试验溶液：1.0×10-2mol/lnahso3；补给溶液：2.0×10-2mol/lnahso3；试验温度：45±2℃；相对湿度：70±5％；周浸轮转速：1圈/60分钟。)
从表2可以看出，本发明的耐火耐候钢具有优异的综合力学性能，冶金质量优异，采用本发明成分和方法生产的钢材具备高强度，优异的耐火、耐候、冷加工性能以及抗大变形能力。同时制造方法简单，生产成本低，易于大规模生产。
本发明技术领域的科研人员可根据上述作内容和形式非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护范围，因此，本发明不局限于上述具体的实施实例。