一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋及其製備方法

2023-09-27 05:41:00

一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋及其製備方法
【專利摘要】本發明公開了一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，包括以下成分：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Al、Cu、Mo、Ti及Fe。本發明還提供了所述具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法。本發明的鋼筋，性能穩定，具有優異的耐腐蝕性能，同時具有良好的力學性能，可廣泛的應用於沿海及鹽湖地區的建築工程中。
【專利說明】一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於合金領域，具體涉及一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋及其製備方法。
【背景技術】
[0002]通常，鋼筋混凝土結構在沿海及近海地區中服役10-15年後，就普遍出現嚴重腐蝕破壞的現象，而在鹽湖地區，僅服役2-3年便會呈現出非常嚴重的腐蝕破壞的狀態。其中，作為主要的結構材料，鋼筋的鏽蝕是鋼筋混凝土結構腐蝕的重要因素。鋼筋的鏽蝕不僅大大縮短了建築物的整體壽命,也造成了安全的隱患。因此,鋼筋的耐腐蝕性能成為國內外工程界關注的熱點問題。
[0003]目前採用的耐腐蝕鋼筋主要有塗層鋼筋、不鏽鋼筋和合金耐腐蝕鋼筋。其中，塗層鋼筋又分為環氧塗層鋼筋和金屬鍍層鋼筋，其共同的問題是塗層在運輸及施工過程中容易被破壞，失去對基體的保護作用，反而加劇局部腐蝕，並且塗層還具有影響鋼筋與混凝土的結合力的缺陷；不鏽鋼筋在普通環境中耐腐蝕效果較好，但在氯離子含量較高的海水中容易發生點蝕，加之其昂貴的成本和較低的強度使其無法滿足廣泛的工程應用的需求;合金耐蝕鋼筋是解決鋼筋腐蝕問題的有效方法，但現有技術中合金鋼筋的耐腐蝕性能較普通鋼筋提升較為有限。
[0004]日本專利文獻JPH09263886A公開了一種鋼筋混凝土結構用鋼材，含有
0.005-1.0% 的 C、0 .01-0.35% 的 Si,0.01-1.5% 的 Mn,0.001-0.15% 的 Ρ、0.030% 以下的 S、
1.5-10.0%的N1、1.5-10.0%的Cr,0.05-5.0%的Al，及其他不可避免的雜質。還可選擇性的添加Cu、Mo、W、Nb、V、T1、Ta、B、REM、Ca、Zr中的一種或多種。其製備方法為將原料真空熔融後採用常規方法熱軋、機械加工為所需尺寸。上述鋼材通過N1-Cr-Al的複合添加，提高其耐腐蝕性。但是，由於每種元素的量的調整均可能會在多個方面對得到的鋼筋的性能產生影響，因此，上述鋼材的效果實際上並不穩定。當得到的鋼材具有較好的耐腐蝕性時，卻不能保證得到的鋼材同時還具有良好的力學性能。
[0005]中國專利文獻CN102534390A公開了一種耐腐蝕螺紋鋼筋及其生產方法，所述鋼筋包括 C0.18-0.25%、Si0.40-0.80%、Mn0.30-1.00%、P0.02-0.04%、S≤0.01%、Cr0.45-1.00%、Cu0.05-0.20%、V0.01-0.05%，及餘量的鐵和雜質。其製備方法包括依次進行的電路或轉爐冶煉、爐外精煉、連鑄、熱軋、冷床空冷、倍尺剪切、平頭工序。上述鋼筋，雖相較於常規的螺紋鋼筋，其耐腐蝕性有一定的提高，但在耐腐蝕性與力學性能的綜合性能上仍然有待提高。

【發明內容】

[0006]為此，本發明所要解決的技術問題是提供一種耐腐蝕性優良且具有良好的力學性能、綜合性能穩定的鋼筋。
[0007]本發明還提供了所述鋼筋的製備方法。
[0008]本發明的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，按重量百分比計算，包括以下成分:C0.005-0.050% ；Si0.36-0.60% ；Mn0.3-0.6% ；P ( 0.03% ；S ( 0.01% ；Cr7.0-9.0% ；Nil.5-4.0% ；A1 ( 2.0% ；Cu ( 1.0% ；Mo < 0.5% ；Ti ( 0.05% ;餘量為 Fe。[0009]需要說明的是，在製備過程中可能存在微量的不可避免的雜質，但並不影響本發明的實施及技術效果實現。
[0010]所述Cr與所述Ni的質量比滿足(2.7-8):1，優選為(2.7-6):1。
[0011]所述C的重量百分比為0.005-0.010%ο
[0012]所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，包括以下步驟:
[0013]I)脫硫:取鐵礦石溶融為鐵水，加入脫硫劑脫硫；
[0014]2)脫碳、脫磷、脫氧:控制溫度1550-1670°C下冶煉100_150min ；
[0015]3)連鑄:將步驟2)中得到的所述鋼水在保護氣體下澆鑄，得到連鑄坯；
[0016]4)軋制:在溫度950-1200°C下，對步驟3)中得到的所述連鑄坯軋制為所需尺寸。
[0017]5)冷卻:控制冷床溫度900_950°C，不穿水，冷床空冷。
[0018]進一步的，所述步驟I)中，將所述鐵水採用轉速為90-110r/min的攪拌槳攪拌，攪拌l_3min後，加入脫硫劑，攪拌反應10-15min，靜置5_10min。其中，所述脫硫劑為以9:1
的質量比混合的石灰粉與瑩石。
[0019]所述步驟2)具體為:先冶煉至鋼液中碳含量低於0.05%、磷含量低於0.01%,出鋼；再精煉脫碳、精煉脫氧至鋼液 中含氧量為0.002%-0.005%。
[0020]所述出鋼過程中採用保護氣體以0.5-0.1MPa的壓力攪拌鋼液，出鋼進行至1/4時加入S1、Mn合金元素合金脫氧，加入碳粉和造渣料。
[0021]所述精煉時加入Cr合金元素後進行脫碳，精煉脫氧後，加入Ni合金元素，再加入鈣鐵合金，軟攪拌5min以上；或，
[0022]所述精煉時加入Cr合金元素後進行脫碳，精煉脫氧後，加入Ni合金元素及Al、Cu、Mo, Ti中的一種或多種合金元素，再加入鈣鐵合金，軟攪拌5min以上。
[0023]需要說明的是，所述冶煉、精煉的方式並不唯一，本發明提供一種具體的實現方式:先採用轉爐冶煉，惰性氣體以0.5-0.1MPa的壓力攪拌鋼液，冶煉至鋼液中碳含量低於0.05%、磷含量低於0.01%,出鋼，出鋼進行至1/4時加入S1、Mn合金元素合金脫氧，加入碳粉和造渣料；再採用RH真空精煉脫碳，所述RH真空精煉時加入Cr合金元素後進行脫碳；採用LF爐外精煉脫氧至鋼液中含氧量為0.002%-0.005%。LF爐外精煉脫氧後，加入Ni合金元素，再加入鈣鐵合金，軟攪拌5min以上；或，LF爐外精煉脫氧後，加入Ni合金元素及Al、Cu, Mo, Ti中的一種或多種合金元素，再加入鈣鐵合金，軟攪拌5min以上。
[0024]所述步驟3)具體為:IS氣下，保持拉還速度為2.6-2.7m/min,連鑄為橫截面150mmX 150mm、長度16m的方還，得到連鑄還。
[0025]所述步驟4)具體為:先將所述連鑄坯加熱至1100-1200°C下粗軋、中軋，再降溫至950-1050°C，精軋。
[0026]在鋼筋中，C是重要的強化元素，通過固溶強化和析出強化等作用顯著提高鋼的強度，但C和Cr具有很強的親和力，可以跟Cr形成一系列複雜的碳化物，在增加鋼的強度和硬度的同時，顯著降低鋼的耐蝕性。另外，C含量過高會降低鋼的塑性和韌性，惡化鋼的焊接性能；
[0027]Si是重要的還原劑和脫氧劑，鋼中加入矽能顯著提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強度。矽和鑰、鎢、鉻等結合，對提高抗腐蝕性和抗氧化性有一定作用，但增加含矽量會降低鋼筋的焊接性能；
[0028]Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，在鋼中主要起固溶強化作用，是重要的強化元素，同時也是奧氏體形成元素，錳含量過高會顯著提高鋼的淬透性，降低鋼的塑性和可焊性。在耐腐蝕性能方面，錳的作用不明顯；
[0029]S和P在鋼中易形成有害夾雜物，降低鋼的韌性和塑性。磷對鋼的耐蝕性能有一定益處，部分耐候鋼採用Cu-P系成分設計，但其耐蝕性能提高有限，且僅針對大氣腐蝕；
[0030]Cr是提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性的重要元素，在適當環境下促進鋼表面形成穩定的鈍化膜，從而提高鋼的耐腐蝕性能。但在非氧化性介質中Cr的作用不如鑰、鎳，單獨添加鉻元素不能極大的提高鋼的耐海水腐蝕性能，且容易增加點蝕傾向；
[0031]Ni對酸鹼有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防鏽和耐熱能力，且其是奧氏體形成元素，可使鋼具有均勻的奧氏體組織，以改善耐蝕性。但其本身不是有效的抗氧化元素，所以很少單獨用作耐蝕鋼的合金元素。
[0032]Al鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高衝擊韌性。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、矽合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。但是，含鋁量過大也影響鋼的焊接性能；
[0033]Cu可以提高在非氧化性酸中的耐腐蝕性能，特別是具有耐大氣腐蝕的能力。銅能夠提高強度和韌性，但是在熱加工時容易產生熱脆，當銅含量較小時對鋼的焊接性能影響較小，而當銅含量較高時，鋼的塑韌性顯著降低；
[0034]Mo可以普遍提高鋼的抗腐蝕性能，在還原性酸和強氧化性的鹽溶液中都可以使鋼表面發生鈍化，還能防止鋼在氯化物溶液中發生點蝕。鑰含量較高(>3%)時，會使鋼的抗氧化性發生惡化。組織性能方面，鑰能促進晶粒細化，提高鋼的淬透性和熱強性等；
[0035]Ti是強碳氮化物形成元素，有細化晶粒組織、析出強化的作用。同時，由於碳優先與鈦結合生產碳鈦化合物，這樣就避免了含鉻鋼中析出碳化鉻而造成晶界貧鉻，從而有效防止晶間腐蝕；
[0036]本發明的上述技術方案，相比現有技術具有以下優點:
[0037](1)本發明的鋼筋，突破常規低合金耐蝕鋼筋對合金元素用量限制，在C0.005-0.050%、P≤0.03% ；S ≤ 0.01%的條件下，通過Cr、Ni元素含量的合理配比，Cr7.0-9.0%、Nil.5-4.0%，且 2.7 ≤[Cr]/[Ni]≤ 8，優選為 2.7 ≤[Cr]/[Ni]≤ 6，使得到的鋼筋不僅具有良好的耐腐蝕性能，且具有較好的力學性能。經試驗表明，2.7 ≤ [Cr]/[Ni]≤8下，優選為2.K [Cr]/[Ni] ≤6下，Cr作為抗氧化元素與Ni的抗酸鹼腐蝕性能共同作用，可得到適用於在沿海、近海的環境的耐腐蝕性的鋼筋，同時，在力學性能方面，適當含量的Cr可以提高鋼的強度，但由於Cr是鐵素體形成元素，鉻含量過高會使鋼中鐵素體比例增加，強度下降。而Ni可阻止高溫時晶粒的增長，保持細晶粒組織，改善鋼的力學性能，得到高的強度和良好的淬透性，在該配比下，得到的鋼筋屈服強度≥ 700MPa，抗拉強度≥880MPa，斷後伸長率≥12%，力學性能較為理想。另外，保持Si0.36-0.60%, Si與Cr結合，可進一步提高鋼筋的抗氧化性及抗腐蝕性能，同時，在一定程度上提高鋼筋的彈性、韌性，改善鋼筋的塑性。保持Mn0.3-0.6%，可配合Cr、Si進一步加強得到的鋼筋的力學性能。
[0038](2)本發明的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，還包括Al、Cu、Mo、Ti中的一種或多種，各元素的複合作用使鋼筋的耐海水腐蝕性能較普通螺紋鋼筋得到較大提升。當Al ≤2.0%、Cu ≤ 1.0%, Mo < 0.5%、Ti ≤ 0.05%時，對提升鋼筋的綜合性能效果最為理想。
[0039](3)本發明的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，通過脫硫、轉爐冶煉、RH真空精煉、LF爐外精煉，將鋼液中的碳、磷、硫、氧控制在理想範圍內，保證了得到的鋼筋具有優良的耐腐蝕性與力學性能。
[0040]另外，本發明的製備方法通過組織控制在熱軋加空冷的生產工藝下生產出屈服強度大於700MPa的高強耐蝕螺紋鋼筋。
[0041](4)本發明的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，冷卻過程不穿水，保證產品良好的力學性能。由於合金元素含量較多，極大的增加了鋼材的淬透性，製備過程中如進行穿水冷卻，容易得到淬火組織，降低鋼筋塑性和焊接性能。
[0042](5)本發明的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，所述LF爐外精煉結束後餵鈣鐵合金線，可調整夾雜物成分和形貌，增大得到的鋼筋的變形能力；同時，進行5min以上的軟攪拌，有助於確保大型夾雜物充分上浮，提高鋼液純淨度。
【具體實施方式】
[0043]實施例1-8及對比例的各成分,按重量百分比計算,如下表所示,餘量為Fe。
[0044]表1實施例1-7及對比例1-4成分(％)
[0045]
【權利要求】
1.一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，其特徵在於，按重量百分比計算，包括以下成分:
2.根據權利要求1所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，其特徵在於，所述Cr與所述Ni的質量比滿足(2.7-8):1。
3.根據權利要求1或2所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，其特徵在於，所述C的重量百分比為 0.005-0.010%ο
4.根據以上權利要求1-3任一所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋，其特徵在於，屈服強度≥700MPa,抗拉強度≥880MPa,斷後伸長率≥12%，且其耐海水腐蝕性能較普通HRB400提高3倍以上。
5.根據權利要求1-4任一所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)脫硫:取鐵礦石溶融為鐵水，加入脫硫劑脫硫； 2)脫碳、脫磷、脫氧:控制溫度1550-1670°C下冶煉100_150min； 3)連鑄:將步驟2)中得到的所述鋼水在保護氣體下澆鑄，得到連鑄坯； 4)軋制:在溫度950-1200°C下，對步驟3)中得到的所述連鑄坯軋制為所需尺寸； 5)冷卻:控制冷床溫度900-950°C，不穿水，冷床空冷。
6.根據權利要求5所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，所述步驟I)中，將所述鐵水採用轉速為90-110r/min的攪拌槳攪拌，攪拌l_3min後，加入脫硫劑，攪拌反應10-15min，靜置5-10min
7.根據權利要求6所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，所述脫硫劑為以9:1的質量比混合的石灰粉與瑩石。
8.根據權利要求5-7任一所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，所述步驟2)具體為:先冶煉至鋼液中碳含量低於0.05%、磷含量低於0.01%,出鋼；再精煉脫碳、精煉脫氧至鋼液中含氧量為0.002%-0.005%。
9.根據權利要求8所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，所述出鋼過程中採用保護氣體以0.5-0.1MPa的壓力攪拌鋼液，出鋼進行至1/4時加入S1、Mn合金元素合金脫氧，加入碳粉和造渣料。
10.根據權利要求8或9中所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於， 所述精煉時加入Cr合金元素後進行脫碳，精煉脫氧後，加入Ni合金元素，再加入鈣鐵合金，軟攪拌5min以上；或， 所述精煉時加入Cr合金元素後進行脫碳，精煉脫氧後，加入Ni合金元素及Al、Cu、Mo、Ti中的一種或多種合金元素，再加入鈣鐵合金，軟攪拌5min以上。
11.根據權利要求5-10任一所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，所述步驟3)具體為:氬氣下，保持拉坯速度為2.6-2.7m/min，連鑄為橫截面150mm X 150mm、長度16m的方還,得到連鑄還。
12.根據權利要求5-11任一所述的具有高耐腐蝕性的高強鋼筋的製備方法，其特徵在於，所述步驟4)具體為:先將所述連鑄坯加熱至1100-120(TC，粗軋、中軋，再降溫至950-1050°C，精軋。
【文檔編號】C22C33/04GK103789677SQ201410047813
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月11日 優先權日:2014年2月11日
【發明者】張建春, 黃文克, 李陽, 麻晗 申請人:江蘇省沙鋼鋼鐵研究院有限公司