本發明涉及低合金高強鋼制造領域，具體地涉及一種抗拉強度≥600MPa的高韌性低屈強比耐火耐侯鋼及其生產方法。
背景技術：
鋼鐵技術的發展伴隨著普通鋼結構在建筑行業中較差的抗火抗災及較弱防腐蝕能力，近年來國內外積極開展了相關抗震鋼、耐火鋼、耐候鋼等的研究應用。耐火耐侯鋼可彌補普通鋼結構抗火耐侯性能差的缺點，大大減少防火涂料和耐侯涂層，降低環境污染，提高資源和能源利用效率，符合國家大政方針要求，因此，從長遠來看，結構用耐火耐侯鋼是建筑結構行業具有巨大潛在需求的優質鋼材，其市場價值不可估量。
中國發明專利申請(申請公開號：CN1354273A，申請公開日：2002-6-19)公開了高性能耐火耐侯建筑用鋼及其生產方法，該發明專利申請的建筑用鋼含有C、Si、Mn、P、S、Mo、Ti、Al、N、O、Cr、Ni、Cu、Ca、B，此外，還含有Nb、V、Re中的一種或一種以上，余量為Fe，經過冶煉、軋制和熱處理，使鋼具有高強度、高韌性和優良的耐火、耐候性。但該發明專利申請的缺點是含有較多P含量，致使焊接性能較差，且鋼板需進行正火+回火處理，工藝路線復雜，成本較高，同時鋼板的強度級別較低。
此外，中國發明專利申請(申請公開號：CN103695772A，申請公開日：2014-04-02)公開了屈服強度為550MPa級耐火耐候抗震建筑用鋼及其生產方法，該發明專利申請的建筑用鋼組分及wt％為：C：0.041～0.125％，Si：0.31～0.62％，Mn：1.81～2.40％，P≤0.008％，S≤0.002％，Nb：0.041～0.065％，Ti：0.007～0.020％，Mo：0.41～0.63％，W：0.07～0.10％，Mg：0.0071～0.0098％，O≤0.0012％，且經過鐵水脫硫、轉爐冶煉、真空處理、添加Mg元素、常規連鑄并對鑄坯加熱、分段軋制、終軋后進行冷卻等工藝，制備得到屈服強度在550～700MPa，抗震性能好即屈強比≤0.83，耐火性能優良即600℃屈服強度不低于室溫下的2/3，耐腐蝕性能優于CortenB的建筑用鋼。
中國發明專利申請(申請公開號：CN103695773A，申請公開日：2014-04-02)公開了屈服強度為690MPa級耐火耐候抗震建筑用鋼及其生產方法，該發明專利申請的建筑用鋼組分及wt％為：C：0.051～0.155％，Si：0.20～0.60％，Mn：1.82～2.55％，P≤0.008％，S≤0.002％，Nb：0.081～0.090％，Ti：0.010～0.025％，Mo：0.41～0.60％，W：0.08～0.10％，Mg：0.0071～0.0095％，O≤0.0010％，且經過鐵水脫硫、轉爐冶煉、真空處理、添加Mg元素、常規連鑄并對鑄坯加熱、分段軋制、終軋后進行冷卻等工藝，制備得到屈服強度在690～850MPa，抗震性能好即屈強比≤0.83的建筑用鋼。但該兩件發明專利申請的缺點是焊接性能較差，耐候性能不是非常的理想。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供了一種抗拉強度≥600MPa的高韌性低屈強比耐火耐侯鋼及其生產方法。按照本發明鋼化學成分及生產工藝要求，生產的產品具備高強度，高塑韌性，較低屈強比，優異的耐火性能、耐侯性能、焊接性能以及抗層狀撕裂性能，良好的冷加工性能。
為實現上述目的，本發明公開了一種抗拉強度≥600MPa的高韌性低屈強比耐火耐侯鋼，其特征在于：其組分及質量百分比含量為：C：0.015～0.065％，Si：0.05～0.15％，Mn：1.00～1.45％，P≤0.005％，S≤0.002％，Mo：0.10～0.75％，Cr：0.05～0.80％，Cu：0.10～0.70％，Ni：0.15～0.65％，Nb：0.005～0.060％，V：0.010～0.065％，Ti：0.005～0.015％，Als：0.015～0.035％，Zr：0.0005～0.0075％，Re：0.0005～0.0060％，N：0.0015～0.0050％，O：0.0015～0.0045％，余量為Fe及不可避免的雜質；且部分組分的百分含量滿足如下關系式：Zr/(O+N)＝0.61～0.86，(Mo+2Cr+Cu)/2Ni＝1.25～3.25，5C+3Mn＝3.2～4.5％，Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.23％。
進一步地，部分組分的質量百分比含量為：Mo：0.20～0.65％，Cr：0.15～0.60％，Cu：0.20～0.65％，Ni：0.20～0.60％，Nb：0.010～0.050％，V：0.015～0.060％，Zr：0.0010～0.0070％，Re：0.0010～0.0055％。
再進一步地，Zr的質量百分比含量為0.0020～0.0060％，Re的質量百分比為0.0010～0.0050％。
更進一步地，鋼的屈服強度530MPa≤ReL≤580MPa，抗拉強度700MPa≤Rm≤760MPa，屈強比ReL/Rm≤0.78，600℃時的400MPa≤Rp0.2≤450MPa，延伸率25％≤A≤30％，-40℃KV2≥280J，且耐腐蝕性能優于CortenB。
為實現本發明的目的，本發明還公開了一種技術方案，即一種抗拉強度≥600MPa的高韌性低屈強比耐火耐侯鋼的生產方法，包括冶煉并連鑄成坯、加熱、高壓水除磷、軋制、冷卻及矯直工藝步驟，具體工藝步驟如下：
1)加熱工藝：將鑄坯以4.0～8.0℃/s的加熱速率加熱至750～850℃，然后再以8.0～12.0℃/s的加熱速率加熱至1200～1300℃，再將溫度控制在1100～1200℃之間，保溫20～50min；
2)軋制工藝：軋制包括第Ⅰ階段粗軋和第Ⅱ階段精軋，所述第Ⅰ階段粗軋的開軋溫度為1080～1120℃，終軋溫度為1020～1060℃；所述第Ⅱ階段精軋的開軋溫度為860～950℃，終軋溫度為790～860℃；
3)冷卻工藝：對軋制后的鋼板進行層流冷卻，且冷卻速度控制在6～20℃/s之間，冷卻返紅溫度為650～780℃，最后空冷至室溫；
4)矯直工藝：軋制后的鋼板溫度冷卻至250℃以下，即進行冷矯直。
進一步地，所述步驟1)的加熱工藝中，將鑄坯以6.0～8.0℃/s的加熱速率加熱至800℃，然后再以8.1～10.0℃/s的加熱速率加熱至1200～1240℃，再將溫度控制在1120～1200℃之間，保溫30～40min。
再進一步地，所述步驟2)的軋制工藝中，第Ⅰ階段粗軋的軋制道次為4～6道，總壓下率為60～75％。
更進一步地，所述步驟2)的軋制工藝中，第Ⅱ階段精軋的軋制道次為6～10道，總壓下率為50～60％，且末三道次累計壓下率控制在25～40％。
更進一步地，所述步驟3)的冷卻工藝總，層流冷卻時上下水量之比為0.7～0.9，冷卻速度控制在8～15℃/s之間。
本發明的各化學組分的選用原理：
碳(C)：碳元素通過間隙置換固溶強化強烈提高鋼的強度，是確保鋼強度必不可少的元素之一，但C含量過高將增加碳偏析的傾向、M-A島體積分數含量以及焊接冷裂紋敏感性系數，從而惡化鋼的低溫韌性和焊接性能，影響鋼的冷熱加工性能，C含量過低時將提升鋼的相變點，不利于軋制工藝的實施，且導致鋼材強度不足以及屈強比的提高。故C含量限定為0.015～0.065％。
硅(Si)：硅元素在鋼中的主要作用是固溶強化和脫氧，但不利于低溫韌性，由于添加Zr、Als等與O有較強結合力的元素，同時加入較多其他諸如Mo、Cr等固溶強化較強的合金元素，且考慮到低溫韌性以及焊接性能等，在本發明鋼中僅添加少量Si起到固溶強化作用，以確?；暮虷AZ低溫沖擊韌性以及延性，故Si含量限定為0.05～0.15％。
錳(Mn)：錳元素是確保鋼材強韌性和焊接熱影響區性能不可或缺的元素，本發明中，適量Mn可與Zr、S形成微細硫化物，這些硫化物可作為針狀鐵素體組織的形核核心，從而細化組織結構，確保鋼的低溫斷裂韌性和焊接熱影響區的低溫韌性。當Mn含量低于1.00％時，Mn的上述作用無法得到體現；當Mn含量高于1.45％時，則會形成較多大尺寸復雜的硫化物夾雜，惡化鋼的低溫韌性和焊接性能。故Mn含量限定為1.00～1.45％。
磷(P)：磷元素是鋼中的有害雜質元素，P雖然能提高鋼的耐蝕性能，但高P易導致偏析，影響鋼的組織均勻性，降低鋼的韌性；而S與Mn易形成粗大的MnS夾雜，對低溫韌性十分不利。
鉬(Mo)：鉬元素在鋼中的作用主要是固溶強化作用，少量Mo以碳化物的形式析出，進一步提高鋼的室溫和高溫強度。Mo是奧氏體穩定性元素，促進高密度位錯亞結構的貝氏體形成，利用組織強化提高鋼的強度，適量Mo還可以降低鋼的屈強比，提高鋼的抗震性能。Mo還可以促進Nb、V的細小碳氮化合物析出，這些碳化物在高溫下具有較高的穩定性，從而提高鋼的高溫性能。但過高的Mo不僅在快速冷卻過程中容易獲得大量的馬氏體組織，在焊接冷卻中也易獲得馬氏體組織，惡化基材和熱影響區的綜合性能。故Mn含量限定為0.20～0.65％。
鉻(Cr)：鉻元素有效提高鋼板強度的元素，也是提高鋼板淬透性的元素，使得鐵素體相變明顯右移，促進中溫轉變組織的形成，同時，當Cr與Ni、Cu復合添加的情況下，更有助于提高鋼的淬透性和耐候性能。但當Cr含量超過0.60％時，則會顯著降低基材和熱影響區的韌性。
銅(Cu)：銅元素在鋼中主要起固溶和沉淀強化作用，適量的Cu提高強度而不降低韌性，具有降低屈強比的作用，并提高鋼的耐腐蝕性能。在厚鋼板緩慢冷卻過程中，適量Cu通過自回火可析出ε-Cu，提高鋼板強度。但是當Cu含量低于0.20％，其沉淀強化作用不明顯，耐蝕性能得不到保證，當Cu含量超過0.65％時，在加熱時會引起熱脆現象，引起表面質量問題，降低基材及熱影響區韌性，同時將會有大量ε-Cu析出，造成屈強比急劇升高。
鎳(Ni)：鎳元素對鋼材強度貢獻不大，但能明顯改善鋼材的低溫韌性和提高鋼的耐蝕性能。特別是對Cu、Cr等固溶強化元素含量高的鋼材，其改善低溫韌性的作用就更為明顯。當Ni與Cr、Cu復合添加的情況下，可顯著提高耐候性能。但Ni量過高，鋼板表面易產生大量難以脫落的氧化鐵皮，且大大增加生產成本。
鈮(Nb)：鎳元素是一種強碳化物形成元素，具有強烈的細化晶粒作用，能顯著提高奧氏體再結晶溫度，擴大軋制工藝范圍，使發明鋼在Ⅱ階段軋制過程中充分細化組織，確保鋼材具有良好的強韌性匹配。在軋制過程中，Nb在鋼中形成的碳氮化物顆粒，可有效抑制奧氏體晶粒的長大，提高強韌性以及延性。本發明中，與Mo同時加入可明顯提高Nb、V的細小碳氮化合物析出，這些碳化物在高溫下具有較高的穩定性，從而提高鋼的耐火性能。當Nb含量低于0.010％時，析出Nb的細小碳氮化合物不足，無法確保耐火性能，且導致強度不足，當Nb含量高于0.050％時，除了顯著提高鋼的屈強比之外，還會造成焊接冷卻過程中M/A島組織的大量出現影響焊接熱影響區性能。
釩(V)：釩元素是一種相當強烈的碳化物形成元素，適量的V具有明顯的沉淀析出強化作用，還具有固溶強化作用和降低屈強比的作用。當Nb與V復合加入時，可明顯改善橫向裂紋現象的發生，顯著提高鋼的再結晶溫度。本發明中，與Mo同時加入可明顯提高Nb、V的細小碳氮化合物析出，這些碳化物在高溫下具有較高的穩定性，從而提高鋼的耐火性能。但V含量過高，沉淀強化作用顯著，但基材和熱影響區韌性變差。
鈦(Ti)：鈦元素也是一種強碳氮化物形成元素，在Zr、Als超細氧化物顆粒上析出含N細小復合碳氮化物，這些顆粒的有效尺寸在1.0μm以下，可有效阻止加熱和焊接過程中奧氏體晶粒長大，使晶粒細化，提高鋼的低溫韌性。Ti與Nb同時加入，會進一步提高鋼奧氏體再結晶溫度，擴大軋制工藝范圍。但Ti大于0.015％時，析出的Ti的碳氮化物顆粒尺寸將達到幾個甚至十幾個μm數量級，惡化基材和焊接熱影響區的韌性，當Ti小于0.005％時，單位面積內顆粒數量不足，起不到細化晶粒效果，故Ti限定為0.005～0.015％。
總鋁(Als)：Als常常作為脫氧元素加入鋼中。Als與鋼中N結合形成AlN顆粒，通過晶粒細化作用提高鋼的強度和低溫韌性。Als在本發明中重要作用是和Zr與O結合形成微細的氧化物顆粒，這些微細氧化物顆粒作為Mn硫化物和鐵素體的形核核心，細化硫化物和組織的晶粒尺寸，從而細化基材和HAZ組織，改善低溫韌性和提高焊接性能。若Als含量低于0.015％，鋼中形成AlN顆粒數量以及作為形核核心的氧化物顆粒較少，其上述作用得不到充分體現，起不到改善基材和HAZ沖擊韌性以及焊接性能的作用，若Als含量高于0.035％時，易導致鋼中大量尺寸較大的Al的氧化物夾雜物出現，降低鋼的純凈度和塑韌性，惡化焊接熱影響沖擊韌性和焊接性能。
鋯(Zr)：鋯元素是本發明產品中一個很重要的元素，鋼中添加適量的Zr將硫化物夾雜物球化，有利于提高基材的低溫韌性和HAZ韌性Zr在本發明中重要作用是和Als與O結合形成微細的氧化物顆粒，這些微細氧化物顆粒作為Mn硫化物和鐵素體的形核核心，細化硫化物和組織的晶粒尺寸，從而細化基材和HAZ組織，改善低溫韌性和提高焊接性能。因此，Zr含量應不低于0.0015％；Zr含量超過0.0060％時，則會形成許多大型含Zr的氧化物和硫化物混合夾雜，不利于基材和熱影響區的沖擊韌性。
錸(Re)：錸元素是本發明產品中一個很重要的元素，除了凈化鋼質，還可以明顯提高鋼的耐蝕性能。當Re含量低于0.0010％時，其凈化鋼質和提高耐蝕性能的作用得不到體現，當Re的含量超過0.0050％，則會形成Re含量高的大尺寸復合夾雜物，惡化基材和熱影響區的沖擊韌性。
氮(N)：氮元素與鋼中Nb、Ti、Al、Zr、V、C等元素形成氮化物或碳氮化物，是使鋼材母材組織和焊接組織晶粒細化的重要元素。若N含量低于0.0015％，則N與鋼中Ti、Zr、Als形成單位氮化物顆粒數量不足，不能有效細化基材和焊接組織。當N含量高于0.0050％時，鋼中固溶N量增加，對基材和焊接熱影響區性能不利，也不利于鋼坯的表面質量。
氧(O)：一般情況下，O在鋼中屬于有害氣體，為確保鋼質純凈度和鋼中氧化物夾雜的總量，需將O含量嚴格限制在較低水平。但當O含量低于0.0015％時，則鋼中單位面積作為形核核心的Zr、Als的細小氧化物顆粒數量不足。為避免鋼中出現過多的氧化物類的大尺寸復合夾雜物，鋼中O含量上限限制在0.0045％以內。
同時，本發明鋼中，當Zr/(O+N)＜0.61時，Zr對硫化物夾雜物的變質球化作用不明顯，同時鋼中單位面積作為形核核心的Zr、Als的細小氧化物顆粒數量不足，當Zr/(O+N)＞0.86時，鋼中將形成許多大型含Zr的氧化物和硫化物混合夾雜物，不利于鋼的性能；當(Mo+2Cr+Cu)/2Ni＜1.25時，除了造成強度不足外，鋼的耐火性能和耐蝕性能也無法得到保證，當(Mo+2Cr+Cu)/2Ni＞3.25時，則會導致鋼的低溫韌性下降，合金成本也大大增加；當5C+3Mn＜3.2％時，造成鋼強度不足，當5C+3Mn＞4.5％時，惡化基材和熱影響區的韌性；本發明鋼屬高強韌性鋼，為確保鋼的強度和焊接性能，Pcm值必須小于等于0.23％。
有益效果：
1、本發明的低合金鋼中添加Zr和Re元素，并將兩元素的含量控制在合理的范圍，結合相關生產工藝的控制，不僅改善了結構鋼的低溫韌性，提高焊接性能，而且增強了鋼的耐火耐腐蝕性能，耐腐蝕性能明顯優于CortenB鋼；
2、本發明的低合金鋼通過控制各合金元素的種類和含量，制備的產品具備高強度、低屈強比，即屈服強度540MPa≤ReL≤580MPa，抗拉強度600MPa≤Rm≤760MPa，屈強比ReL/Rm≤0.78，600℃時的400MPa≤Rp0.2≤450MPa，延伸率25％≤A≤30％，綜合性能優良；
3、本發明的制造工序簡單，生產成本低，易于進行大規模的生產。
具體實施方式
為了更好地解釋本發明，以下結合具體實施例進一步闡明本發明的主要內容，但本發明的內容不僅僅局限于以下實施例。
表1為本發明各實施例的化學成分取值列表；
表2為本發明各實施例的主要工藝參數取值列表；
表3為本發明實施例的力學性能試驗結果。
表1本發明鋼的化學成分對比(wt，％)
表2本發明鋼的主要工藝參數取值列表
本發明經過表1的化學成分和表2的生產工藝，冶煉并軋制了9種鋼，其中，實施例1～實施例3的軋鋼的厚度為12mm，實施例4～實施例6的軋鋼的厚度為36mm，實施例7～實施例9的軋鋼的厚度為60mm；且本發明冶煉并軋制的9種鋼的力學性能如表3所示。
表3本發明鋼的力學性能
表3中，鋼種耐火性能以600℃屈服強度不低于室溫下的2/3來評定；耐候性能通過周浸腐蝕試驗264h后的質量損失評定；
具體腐蝕試驗條件如下：
試驗溶液：1.0×10～2mol/L NaHSO3；補給溶液：2.0×10～2mol/L NaHSO3；試驗溫度：45±2℃；相對濕度：70±5％；周浸輪轉速：1圈/60分鐘。
對本發明的軋鋼進行常溫拉伸，在-40℃縱向沖擊試驗，結合表3可知，本發明的軋鋼的沖擊力≥280J，綜合力學性能優良。
由表3可知，本發明鋼的屈服強度540MPa≤ReL≤580MPa，抗拉強度600MPa≤Rm≤760MPa，屈強比ReL/Rm≤0.78，600℃時的400MPa≤Rp0.2≤450MPa，延伸率25％≤A≤30％，即采用本發明化學成分和工藝生產的產品具備高強度，高塑韌性，較低屈強比，優異的耐火性能、耐侯性能(明顯優于CortenB鋼)、焊接性能以及抗層狀撕裂性能，良好的冷加工性能，同時制造工序簡單，生產成本低，易于大規模生產。
以上實施例僅為最佳舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。除上述實施例外，本發明還有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。