一种钢筋及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种钢筋，包括以下成分：C0.005-0.030％，Si0.3-0.6％，Mn1.2-2.5％，P≤0.01％，S≤0.01％，Cr8.0-10.0％，Mo1.0-3.0％，Sn0.2-0.4％，RE0.01-0.05％；其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了一种钢筋的制备方法。本发明的钢筋具有优良的综合力学性能和耐腐蚀性能，满足抗震设计要求的同时，提高了钢筋在海水中的使用寿命，可广泛应用于海洋环境中的钢筋混凝土结构。
【专利说明】一种钢筋及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种钢筋及其制备方法，属于合金钢领域。
【背景技术】
[0002]随着各国海洋战略意识的增强和现代海洋科学技术的发展，跨江海大型桥梁、海港码头以及近海建筑等基础设施建设进入高峰期。与此同时，作为主要结构材料的钢筋的耐久性问题日益凸显。海洋环境是大自然中较为严酷的腐蚀环境，其高温、高湿、高盐的特殊条件极易造成钢材腐蚀，我国沿海的钢筋混凝土结构在服役10-15年后就普遍出现严重腐蚀现象而导致结构破坏，无法满足50年设计使用寿命。
[0003]提高混凝土中钢筋耐腐蚀性能的途径主要有两个:一是在碳钢钢筋上涂覆有机或无机涂层；二是通过合金化或不同的加工制造工艺获得耐腐蚀性能优异的钢筋材料。在涂镀层耐蚀钢筋中，环氧涂层钢筋研发最早，使用范围最为广泛，但环氧涂层钢筋仍存在本质的不足之处，主要体现为涂层脆性大，运输及加工过程易损伤脱落；涂层缺陷能免引起腐蚀集中，导致严重的局部腐蚀；与普通钢筋相比，降低与混凝土之间的握裹力等。欧美国家为了使建筑物使用寿命达到100年的设计要求，开发使用了不锈钢钢筋，因为引起其锈蚀的临界浓度比普通钢筋要提高很多，所以能大幅度提高混凝土结构的耐久性。但其费用昂贵，造价约为普碳钢筋的6-10倍，无法在工程中大规模应用，通常仅在建筑关键部位和条件较为恶劣的环境中使用，而不锈钢钢筋与普通钢筋搭接时易形成宏电池腐蚀，也会影响建筑使用寿命。
[0004]国内外对非钢筋用低合金耐蚀钢的研究和开发较为成熟，20世纪50年代美国研制了 Mariner钢，60年代法国开发了 APS20A钢，我国也于70年代推出了 IOCrMoAl耐海水腐蚀钢。这些钢的耐腐蚀性能较普通碳钢虽有了很大程度提高，但仍无法满足钢筋混凝土结构中所需的较长的使用寿命，因而这些钢种均无法应用在海洋钢筋混凝土结构中。
[0005]中国专利文献CN102605255A公开了一种400MPa级耐腐蚀钢筋，其元素含量为 C:0.1 % ~0.25 %，S1:0.5 % ~0.90 %，Mn:0.7 % ~1.5 %，P:0.04 % ~0.09 %，
S≤ 0.015%, Cu:0.3%~0.6%, Ni:0.1% ~0.4%, Cr ^ 0.1 %, V:0.03%~0.08%，其耐腐蚀性能较普通钢筋提高2倍，但其提升较为有限，仍然无法满足海洋钢筋混凝土建筑50-100年使用寿命的要求。
【发明内容】
[0006]为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中钢筋在海洋环境下的耐腐蚀性能较差，达不到钢筋混凝土结构的设计使用寿命的技术缺陷，从而提供一种具有优良耐腐蚀性能和综合力学性能的钢筋及其制备方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明的一种钢筋，按重量百分比计算，包括以下成分:
[0008]C0.005-0.030 %, Si0.3-0.6 %, Mnl.2-2.5 %, P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %,Cr8.0-10.0%,Mol.0-3.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。[0009]进一步地，屈服强度为400MPa级的钢筋，按重量百分比计算，包括以下成分:
[0010]C0.005-0.030 %, Si0.3-0.6 %, Mnl.2-1.8 %, P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %,Cr8.0-10.0%,Mol.0-1.6%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0011]一种钢筋，按重量百分比计算，包括如下成分:C0.005-0.030%，Si0.3-0.6%,Mnl.2-2.5 %, P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %, Cr8.0-10.0 %, Mol.0-3.0 %, Sn0.2-0.4 %,RE0.01-0.05%, V0.04-0.18%和 / 或 Ti0.010-0.030%，其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0012]进一步地，屈服强度为500MPa级的钢筋，按重量百分比计算，包括以下成分:
[0013]C0.005-0.030 %, Si0.3-0.6 %, Mnl.7-2.5 %, P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %,Cr8.0-10.0%,Mol.5-2.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05%, V0.04-0.08% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。
[0014]更进一步地，屈服强度为600MPa级的钢筋，按重量百分比计算，包括以下成分:
[0015]C0.005-0.030 %, Si0.3-0.6 %, Mnl.7-2.5 %, P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %,Cr8.0-10.0 %, Mol.8-3.0 %, Sn0.2-0.4 %, RE0.01-0.05 %, V0.10-0.18 %,Ti0.01-0.030% ;其余为Fe和不可避免的杂质。
[0016]所述钢筋的显微组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体所占比例为50% -70%。
[0017]所述钢筋的强屈比> L 25，最大力总伸长率> 9%，断后伸长率> 18%，周浸试验腐蚀速率< 0.45g/ (m2h)，盐雾试验腐蚀速率< 0.45g/ (m2h)。
[0018]另外，本发明还提供了一种制备钢筋的方法，包括如下步骤:
[0019]S1:铁水预脱硫的步骤，将硫含量控制在不大于0.01 % ;
[0020]S2:转炉冶炼的步骤，将经过SI处理的铁水，以及废钢和/或生铁加入转炉中进行冶炼，冶炼至碳含量低于0.05%，磷含量低于0.01 %出钢；
[0021]S3:出钢的步骤，出钢进行过程中加入S1、Mn合金元素进行脱氧，并加入碳粉和造渣剂；
[0022]S4:炉外精炼的步骤，在RH真空精炼炉中加入Cr元素并进行吹氧脱C，将Cr和C元素含量控制到所需范围内；再采用LF炉脱氧，脱氧后加入钢中需要的合金元素Mn、Mo、Sn、RE以及V和/或Ti，再加入钙铁合金并通入惰性气体软搅拌，将各元素含量控制在所需范围内，将钢水升温，加入覆盖剂；
[0023]S5:连铸的步骤，钢水在保护浇注的条件下通过连铸机浇注成连铸坯；
[0024]S6:轧制的步骤，连铸坯在加热炉中加热到高于奥氏体化温度，经粗轧、中轧、精车L，将精轧后的钢材置于冷床上空冷得到所需成分的钢筋成材。
[0025]在所述S2步骤中，所述出钢温度不高于1690°C。
[0026]在所述S4步骤中，所述RH真空精炼的吹氧脱碳的温度不小于1605°C，所述LF炉的精炼脱氧温度不小于1575°C，所述LF炉脱氧将氧含量控制在0.002% -0.005%，所述软搅拌的时间不小于5min，所述钢水升温温度到1570-1600°C。
[0027]在所述S6步骤中，所述在加热炉中加热到1100_1200°C，所述钢材置于冷床时的温度为950-960 °C，所述粗轧前的开轧温度为1030-1100 °C，所述精轧时的温度为950-1050°C。
[0028]在钢中，C是重要的强化元素，主要以碳化物形式存在，起析出强化和细化晶粒的作用，但C和Cr具有很大的亲和力，C和Cr可以形成一系列复杂的碳化物，这种碳化物的产生在增加钢的强硬度的同时，又降低了钢的耐蚀性。另外，C含量过高会降低钢的塑性和韧性，恶化钢的焊接性能。
[0029]Si是重要的还原剂和脱氧剂，钢中加入硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅和钥、钨、铬等结合，对提高抗腐蚀性和抗氧化性有一定作用，但增加含硅量会降低钢的焊接性能。
[0030]Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，在钢中主要起固溶强化作用，是重要的强韧元素，同时也是奥氏体形成元素，锰含量过高会显著提高钢的淬透性，降低钢的塑性和可焊性。在耐腐蚀性能方面，锰的作用不明显。
[0031]S和P在炼钢过程中为有害杂质元素，在钢中易形成有害夹杂物，降低钢的韧性和塑性。部分耐候钢采用Cu-P系成分设计，但其耐蚀性能提高有限，且磷易在晶界处偏聚，增加钢的脆性，因此本发明中采用极低的S和P含量，均控制在0.01%范围内。
[0032]Cr是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性的重要元素，在适当环境下促进钢表面形成稳定的钝化膜，从而提高钢的耐腐蚀性能。但在非氧化性介质中铬的作用不如钥、镍，单独添加铬元素不能极大的提高钢的耐海水腐蚀性能，且容易增加点蚀倾向。
[0033]Mo可以普遍提高钢的抗腐蚀性能，在还原性酸和强氧化性的盐溶液中都可以使钢表面发生钝化，还能防止钢在氯化物溶液中发生点蚀。钥含量较高(>3%)时，会使钢的抗氧化性发生恶化。组织性能方面，钥能促进晶粒细化，提高钢的淬透性和热强性等。 [0034]Sn是一种耐腐蚀金属，于常温下，在空气中不受氧化，强热之，则在表面生成二氧化锡保护膜而稳定。另外，其对水稳定，能缓慢溶于稀酸，较快溶于浓酸中，主要用于制造合金和镀锡板的生产。作为合金元素添加时能固溶在基体中，可提高基体的电极电位，降低钢自身的电化学腐蚀驱动力，使腐蚀速度下降，还可使钢的强度和硬度呈上升趋势。Sn与Cr、Mo元素相互作用能够显著地提高钢材的耐腐蚀性能。
[0035]RE适量的稀土添加到钢中可以明显提高钢的整体耐腐蚀性能，稀土在净化钢液，变质夹杂，改善组织和晶界状况等方面的作用是钢的耐蚀性能得以改善的重要材料学原因。钢中固溶稀土提高钢基体的极化电阻和自腐蚀电位，有利于提高钢基体的耐蚀性。
[0036]本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:
[0037](I)本发明的钢筋中，控制C含量在0.005-0.030 %，控制S1、Mn元素含量Si0.3-0.6%, Mnl.2-2.5%，控制杂质元素S、P的含量均不大于0.001%，并在钢中添加8-10%的Cr元素、1.0-3.0 % Mo元素、0.01-0.05%的RE元素并配合添加0.2-0.4%的Sn元素，通过合理的元素成分配比以及Cr、Sn元素的相互作用显著地提高了钢材的耐腐蚀性能，添加的Mo和RE元素改善了钢材的抗点腐蚀及抗晶间腐蚀性能，大幅度提升了钢筋的耐海水腐蚀性能，提高了钢筋在海水中的使用寿命。
[0038](2)本发明的钢筋中，C0.005-0.030%, Si0.3-0.6%, Mnl.2-1.8%, P ≤ 0.01%,S ≤ 0.01%,Cr8.0-10.0%,Mol.0-1.6%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。通过合理成分设计得到了一种400MPa级的耐腐蚀钢筋，从而得到了一种成本低廉的可满足基本力学性能要求的、耐海水腐蚀的钢筋。
[0039](3)本发明的钢筋中，C0.005-0.030%, Si0.3-0.6%, Mnl.2-2.5%, P ≤ 0.01%,S≤0.01%, Cr8.0-10.0%, Mol.0-3.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05%, V0.04-0.18%和
/或Ti0.010-0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。在钢中进一步添加微合金元素V和/或Ti的含量，V是一种微合金化元素，能够在轧制过程中析出V(C，N)化合物，阻止奥氏体和铁素体晶粒长大，具有较强的析出强化、细晶强化和一定的固溶强化作用，可以显著提高钢的强度，从而弥补碳含量低造成强度不足的缺陷。Ti是强碳氮化物形成元素，有细化晶粒组织、析出强化的作用。同时，由于碳优先与钛结合生产碳钛化合物，这样就避免了含铬钢中析出碳化铬而造成晶界贫铬，从而有效防止晶间腐蚀。微合金元素V和/或Ti通过固溶强化、细晶强化以及生成VCN和/或TiCN时的析出强化，提高了钢材的强度，使钢筋具备了优良的力学性能。
[0040](4)本发明的钢筋中，通过控制钢中的元素含量，特别是微合金元素V和/或Ti的含量，生产出符合不同强度要求的钢材。例如，屈服强度为500MPa级的钢筋中，C0.005-0.030 %，Si0.3-0.6 %，Mnl.7-2.5 %, P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %, Cr8.0-10.0 %，Mol.5-2.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05%, V0.04-0.08% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质；再如，屈服强度为 600MPa 级的钢筋中，C0.005-0.030%, Si0.3-0.6%, Mnl.7-2.5%,P ^ 0.01 %, S ^ 0.01 %, Cr8.0-10.0 %, Mol.8-3.0 %，Sn0.2-0.4 %，RE0.01-0.05 %，V0.10-0.18%, Ti0.01-0.030% ;其余为Fe和不可避免的杂质。
[0041](5)本发明的钢筋，铁素体比例为50-70%，贝氏体组织具有良好的强韧性，而铁素体塑性较好，通过合理控制两相比例，使钢筋具备优异的综合力学性能，其中在获得所要求的屈服强度和抗拉强度的基础上，其断后伸长率> 18%，强屈比> 1.25，最大力总伸长率> 9%，使钢材具备良好的抗震性能。
[0042](6)本发明的生产钢筋的方法，通过KR脱硫法控制S含量，在转炉中控制P含量，在出钢操作过程中加入S1、Mn合金元素进行脱氧并加入碳粉和造渣剂为精炼炉营造还原气氛，在RH真空精炼炉中吹入氧气脱碳以控制碳和铬元素含量，在LF炉中脱氧及加入钢中需要的剩余合金元素以控制氧和各种合金元素的含量并加入钙铁合金对夹杂物进行变性处理，通过软搅拌使成分均匀、去除夹杂物，在连铸时保护浇注以控制钢中气体含量、防止氧化和带入二次夹杂物，在加热炉中将轧制前的铸坯加热到1100-1200°C可保证钢完全奥氏体化并能使其中的元素充分进入固溶状态，在轧制时采取粗轧、中轧、精轧可严格控制钢在轧制时的变形量，控制轧制参数可充分发挥微合金元素VCN和/或TiCN的析出强化作用，轧制后将钢上冷床空冷以使钢材的最终微观组织为贝氏体和铁素体。
[0043](7)本发明的生产钢筋的方法，通过控制出钢温度不高于1690°C，降低了钢中的氧含量，提高了元素收得率，降低钢中夹杂物，提高转炉寿命，提高了钢的质量，并降低了钢的生产成本。
[0044](8)本发明的生产钢筋的方法，通过控制RH真空精炼吹氧脱碳温度不小于1605°C，可以提高RH炉的脱碳效果，更利于控制钢中碳和铬元素含量。通过控制LF炉的精炼脱氧温度不小于1575°C，可以提高LF炉的精炼脱氧效果，利于使氧含量控制在限定范围内。通过将LF炉脱氧将氧含量控制在0.002-0.005%，可有效控制钢中的夹杂物，提高钢的质量。通过控制软搅拌时间不少于5min，能够使钢中成分、温度更加均匀，并有利于夹杂物的上浮去除。通过在连铸前将钢水升温到1570-1600°C保证了连铸工作顺利进行。
[0045](9)本发明的生产钢筋的方法，通过控制铸坯在加热炉中加热到1100-1200°C，使钢被加热到奥氏体化温度以上，并保证钢中的合金元素处于固溶状态。通过控制开轧温度为1030-1100°C，精轧时的温度为950-1050°C，通过形变诱导析出强化相从而提高钢的强度。通过控制钢材置于冷床时的温度，得到所需的微观组织呈贝氏体+铁素体。
[0046](10)本发明的生产钢筋的方法，通过精确控制各道工序中的钢液的元素含量以及温度，极大地减小了钢中有害元素和夹杂物的数量，提高了钢的质量、力学性能和耐腐蚀性能。
[0047](11)利用本发明的钢筋生产方法生产出的钢筋，通过合理的工艺步骤使得钢材的显微组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体比例为50-70%，贝氏体组织具有良好的强韧性，而铁素体塑性较好，通过合理控制两相比例，使钢筋具备优异的综合力学性能，其中在获得所要求的屈服强度和抗拉强度的基础上，其断后伸长率> 18%，强屈比> 1.25，最大力总伸长率> 9%，使钢材具备良好的抗震性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0048]为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
[0049]图1是本发明钢筋的微观组织图。
【具体实施方式】
[0050]表1实施例1-10中钢筋成分以及对比例1-3中钢筋成分(wt.% )
[0051]
【权利要求】
1.一种钢筋，其特征在于，按重量百分比计算，包括以下成分:
C0.005-0.030%,Si0.3-0.6%,Mnl.2-2.5%,P ^ 0.01%,S^0.01%,Cr8.0-10.0%,Mol.0-3.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的钢筋，其特征在于，按重量百分比计算，包括以下成分:
C0.005-0.030%, Si0.3-0.6%,Mnl.2-1.8%,P ^ 0.01 %, S ^ 0.01%,Cr8.0-10.0%,Mol.0-1.6%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。
3.一种钢筋，其特征在于，按重量百分比计算，包括如下成分:
C0.005-0.030%,Si0.3-0.6%,Mnl.2-2.5%,P ^ 0.01%,S^0.01%,Cr8.0-10.0%,Mol.0-3.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05%, V0.04-0.18%和 / 或 Ti0.010-0.030%，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的钢筋，其特征在于，按重量百分比计算，包括以下成分:
C0.005-0.030%,Si0.3-0.6%,Mnl.7-2.5%,P ^ 0.01%,S^0.01%,Cr8.0-10.0%,Mol.5-2.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05%, V0.04-0.08% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。
5.根据权利要求3所述的钢筋，其特征在于，按重量百分比计算，包括以下成分:
C0.005-0.030%,Si0.3-0.6%,Mnl.7-2.5%,P ^ 0.01%,S^0.01%,Cr8.0-10.0%,Mol.8-3.0%, Sn0.2-0.4%, RE0.01-0.05%, V0.10-0.18%, Ti0.01-0.030% ;其余为 Fe 和不可避免的杂质。
6.根据权利要求1-5任一所述的钢筋，其特征在于，所述钢筋的显微组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体所占比例为50% -70%。
7.根据权利要求1-6任一所述的钢筋，其特征在于，所述钢筋的强屈比>1.25，最大力总伸长率> 9 %，断后伸长率> 18 %，周浸试验腐蚀速率< 0.45g/ (m2h)，盐雾试验腐蚀速率< 0.45g/ (m2h)。
8.一种钢筋的制备方法，包括如下步骤: S1:铁水预脱硫的步骤，将硫含量控制在不大于0.01% ； S2:转炉冶炼的步骤，将经过SI处理的铁水，以及废钢和/或生铁加入转炉中进行冶炼，冶炼至碳含量低于0.05%，磷含量低于0.01 %出钢； S3:出钢的步骤，出钢进行过程中加入S1、Mn合金元素进行脱氧，并加入碳粉和造渣剂； S4:炉外精炼的步骤，在RH真空精炼炉中加入Cr元素并进行吹氧脱C，将Cr和C元素含量控制到如权利要求1或2所述的范围内；再采用LF炉脱氧，脱氧后加入钢中需要的合金元素Mn、Mo、Sn、RE，再加入钙铁合金并通入惰性气体软搅拌，将各元素含量控制在如权利要求I或2所述的范围内，将钢水升温，加入覆盖剂； S5:连铸的步骤，钢水在保护浇注的条件下通过连铸机浇注成连铸坯； S6:轧制的步骤，连铸坯在加热炉中加热到高于奥氏体化温度，经粗轧、中轧、精轧，将精轧后的钢材置于冷床上空冷得到如权利要求1或2所述成分的钢筋成材。
9.一种钢筋的制备方法，包括如下步骤: S1:铁水预脱硫的步骤，将硫含量控制在不大于0.01% ； S2:转炉冶炼的步骤，将经过SI处理的铁水，以及废钢和/或生铁加入转炉中进行冶炼，冶炼至碳含量低于0.05%，磷含量低于0.01 %出钢；S3:出钢的步骤，出钢进行过程中加入S1、Mn合金元素进行脱氧，并加入碳粉和造渣剂； S4:炉外精炼的步骤，在真空精炼炉中加入Cr元素并进行吹氧脱C，将Cr和C元素含量控制到如权利要求3或4或5或6所述的范围内；再采用LF炉脱氧，脱氧后加入钢中需要的合金元素Mn、Mo、Sn、RE以及V和/或Ti，再加入钙铁合金并通入惰性气体软搅拌，将各元素含量控制在如权利要求3或4或5或6所述的范围内，将钢水升温，加入覆盖剂；S5:连铸，钢水在保护浇注的条件下通过连铸机浇注成连铸坯； S6:轧制，连铸坯在加热炉中加热到高于奥氏体化温度，经粗轧、中轧、精轧，将精轧后的钢材置于冷床上空冷得到如权利要求3或4或5或6所述成分的钢筋成材。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，所述出钢温度不大于 1690°C。
11.根据权利要求8或9或10所述的制备方法，其特征在于，在S3步骤中，所述出钢过程中还通入保护气体搅拌钢液。
12.根据权利要求8-11任一所述的制备方法，其特征在于，在S4步骤中，所述RH真空精炼的吹氧脱碳的温度不小于1605°C，所述LF炉的精炼脱氧温度不小于1575°C，所述LF炉脱氧将氧含量控制在不高于50ppm，所述软搅拌的时间不小于5min，所述钢水升温温度到 1570-1600。。。
13.根据权利要求8-12任一所述的制备方法，其特征在于，在所述S6步骤中，所述在加热炉中加热到1100-1200°C，所述粗轧前的开轧温度为1030-1100°C，所述精轧时的温度为950-1050°C，所述钢材置于冷床时的温度为900-960°C。
【文档编号】C21D8/08GK104018091SQ201410273604
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】张建春, 麻晗, 黄文克, 李阳, 左龙飞 申请人:江苏省沙钢钢铁研究院有限公司