一种耐蚀钢筋及其生产方法
【专利摘要】一种耐蚀钢筋及其生产方法，化学成分：C 0.15～0.23％，Si0.30～0.65％，Mn0.90～1.60％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr1.40～2.50％，Cu0.20～0.40％，Ti0.010～0.025％，N≤0.015％，O≤0.0020％。感应电炉冶炼出钢温度1650～1670℃。连铸钢液的过热度控制在≤30℃；对中间包使用外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧，外加电场的电压为5～20V，电流为600～1000A，提高钢液的洁净度。轧制钢坯加热温度为1130～1170℃，加热时间1.5～2.5h，开轧温度1000～1100℃，终轧温度为950～1050℃。本发明钢筋Rel≥500MPa，Rm≥630MPa，A≥15％，耐蚀性能是HRB500c钢种轧制钢筋的3～5倍。
【专利说明】
一种耐蚀钢筋及其生产方法
技术领域
[0001] 本发明属于冶金工艺技术领域，特别涉及一种耐海洋气候腐蚀的钢筋及其生产方 法。
【背景技术】
[0002] 钢铁工业是我国经济发展的基础工业，经济发展离不开钢铁等重工业的支持。同 时不断提高钢铁工业的发展水平，也是为了满足国民经济现代化建设的各个方面如机械、 建筑、国防、交通运输等行业要求的基本前提。近年来，我国的钢产量已位居世界首位，是世 界钢铁大国。钢筋是目前工程建材中一种主要的常用材料，广泛应用于工业与民用建筑，其 性能好坏直接影响工程混凝土的质量。目前我国基本建设高速发展，钢筋的生产和使用均 在不断发展，其产品质量不仅有关各项工程事业的安全，更对人民群众的安居乐业有着深 远影响。钢筋的冶炼生产对能源环保产生很大的压力，通过提高钢筋的耐蚀性及强度，可以 延长钢筋的使用寿命，减少钢材的用量，为节能环保减轻压力。
[0003] 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素之一，也是重大工程提前失效 的重要原因。尤其在海洋特有的恶劣环境和动载与静载多重因素的耦合作用下，必将导致 钢筋锈蚀加剧，大大缩短了混凝土结构的服役寿命。美国、法国等国家对高强度钢筋的研究 和开发比较早，对耐大气腐蚀用集装箱板等研究也比较早，但对混凝土用钢筋的耐腐蚀性 研究较晚，目前多处于研究阶段，尚无现成的产品。中国专利公开号CN102605255A公开了一 种400MPa级耐腐蚀钢，其元素含量为：C: 0 · 1 %~0 · 25 %，Si : 0 · 5 %~0 · 90 %，Μη: 0 · 7 %~ 1.5%，Ρ:0·04%~0.09%，S彡0.015%，Cu:0.3%~0.6%，Ni:0.1%~0.4%，(Χ0·1%， V: 0.03%~0.08%，其耐腐蚀性能较普通钢筋提高2倍，但其提升空间较为有限。
[0004] 中国专利公开号为CN101709434A公开了一种耐cr腐蚀的高强度低合金钢筋，其 元素含量为C:0.08% ~0.25%，Si:0.35% ~1.1%，Μη:0·7% ~2.0%，Cu:0.20% ~ 0.80%，0:0.30%~1.6%，附：0.20%~1.0%，卩：0.05%~0.10%，5彡0.010%，余量为卩6 和不可避免的杂质；或者，同时另加微合金元素￥、他、1^3中的一种或几种;微合金元素总 量控制在0.01 %~0.5 % (在其实施例中没有加钛示例），该申请耐蚀性能仍然较低，且均没 有对钢中的氧含量进行控制，在钢液洁净度方面没有具体要求，没有关注到提高钢的洁净 度，减少夹杂物数量对提高钢的耐蚀性的作用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的旨在大幅降低钢中的氧含量，减少钢中的夹杂物，在不加入大量合 金的前提下，通过提高钢的洁净度，从而显著提高钢筋的耐蚀性。
[0006]为达此目的，本发明所采取的技术解决方案是：
[0007] 一种耐蚀钢筋，其化学成分重量百分比含量为:C: 0.15%~0.23%，Si : 0.30%~ 0.65%，Mn:0.90%~1.60%，P<0.030%，S<0.020%，Cr :1.40%~2.50%，Cu:0.20%~ 0.40%，Ti :0.010%~0.025%，N彡0.015%，0彡0.0020%，其余为铁及不可避免的杂质。
[0008] 本发明的成分选择及含量范围确定原理为：
[0009] 碳是钢中非常重要的强化元素，随着钢中碳含量的增加，可以提高钢的强度和硬 度，但是钢的塑性和韧性会相应的下降，耐蚀钢筋中含有适量的碳，可以保证钢筋的强度， 但在含铬的耐蚀钢中，碳与铬的亲和力较强，容易形成铬的碳化物，降低钢中所含铬的有效 作用，因此钢中碳含量控制在0.15 %~0.23 %。
[0010] 硅元素在钢中是主要的脱氧及强化元素，对提高抗氧化性和耐腐蚀性也有一定的 作用。当娃含量过高时，会使焊接时焊缝金属硬化，飞派增加，影响焊接工艺性能；当钢中娃 含量过低时，脱氧不完全，钢中氧含量过高，因此硅含量控制在0.30%~0.65%。
[0011] 锰在钢中可以与硅起到复合脱氧的作用，锰可以与硫生成硫化锰，抑制硫的有害 作用，锰同时也是钢中重要的强韧化元素，当锰含量低时，钢中氧含量偏高，同时钢筋的强 度偏低;但当钢中锰含量过高时，塑性和冲击韧性下降，同时对焊接性能有不利影响，因此 锰含量控制在〇. 90 %~1.60 %。
[0012] 磷元素可以提高钢的强度和耐蚀性能，但在钢中容易出现偏析现象，同时低温时 力学性能较差，因此磷含量控制在<〇. 030%。
[0013] 硫在钢中生成FeS时，容易引起钢的热脆现象，加入锰元素生成硫化锰，可以消除 热脆的影响，但生成的硫化物等夹杂物，在钢中易于形成腐蚀源，因此钢中硫含量控制在< 0.020% 〇
[0014] 铬在钢中是提高耐蚀性的重要元素，可以提高钢基体的腐蚀电位，在一定的环境 下，钢的表面会生成致密的氧化膜，当钢中含有大量铬元素时，会明显增加钢的生产成本， 在建筑用钢领域，钢筋的用途不同，对耐蚀性的要求也不一样，与海洋距离远一些的地方， 对钢筋耐蚀性的要求就要低一些，因此钢中铬含量控制在1.40%~2.50%。
[0015] 铜在钢中同样是提高耐蚀性的元素，但是钢在加热炉进行加热时，由于铜不易氧 化，且熔点较低，这就容易造成钢表面富铜，在热乳时出现热裂现象，因此钢中铜含量控制 在 0.20%~0.40%。
[0016] 钛是一种较强的脱氧剂，可将钢液中氧脱除到非常低的水平，从而有效地提高钢 液的洁净度，减少钢中的夹杂物;钢中的钛元素在进行乳制时，可以析出细小弥散的碳氮化 钛粒子，起到很好的细化晶粒的作用；钛在钢中与碳结合，大大地减少了铬与碳结合的机 会，有效地提高铬元素所起的耐蚀作用，因此钢中钛含量控制在0.010%~0.025%。
[0017] 氮在钢中可以起到固溶强化的作用，能够提高钢的强度和硬度，但显著影响钢的 韧性，因此钢中氮含量控制在<0.015 %。
[0018] 氧在钢中是以氧化物的形式存在，这些氧化物不仅对钢筋的塑性、韧性等性能有 不利影响，同时氧化物也明显降低了耐蚀性能，因此钢中氧含量控制在<0.0020%。
[0019] 一种耐蚀钢筋的生产方法，包括电炉冶炼、连铸和乳制，其具体生产方法为：
[0020] 电炉冶炼：
[0021 ]在感应电炉中进行冶炼，冶炼采用优质废钢，在废钢熔化后，进行造渣操作，并根 据钢液初始成分，首先加入增碳剂、硅锰铁、硅铁进行脱氧及合金化，然后再加入铬铁、钛铁 进行合金化，待熔炼成分达到要求后进行出钢，出钢温度控制在1650~1670°C。
[0022]连铸：
[0023]出钢到钢包后，将钢包吊至中间包处，钢液的过热度控制在<30°C ;对中间包使用 外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧，脱氧装置的阳极套装在长水口上，阴极固定在上水口上， 阳极和阴极通过导线分别与电源的正极和负极连接;外加电场的电压为5~20V，电流为600 ~1000A，其中长水口外面的阳极，在进行浇注时，阳极随着长水口进入中间包的熔渣内后， 接通电源的阳极，中间包的上水口处接阴极与中间包钢液相通，通过直流电源，在钢液和中 间包覆盖剂之间构成回路，控制钢液中的氧通过熔渣体系的传导，将熔渣中生成的氧气排 出钢液，从而提高钢液的洁净度。
[0024]乳制：
[0025] 钢坯加热温度为1130~1170°C，加热时间1 · 5~2 · 5h，开乳温度1000~1100°C，终 乳温度为950~1050°C。
[0026] 本发明的有益效果为：
[0027] 通过在钢中添加钛元素，在钢中起到细化晶粒的作用，使碳氮化钛粒子弥散分布， 减少铬与碳结合的机会，有效地提高了铬元素所起的耐蚀作用；同时钛也是很好的脱氧剂， 可以使钢中的氧含量大幅降低，钢中的夹杂物明显减少，并在连铸钢包长水口与中包上水 口之间加上外加电场进行脱氧处理，进一步减少钢中的夹杂物，在不加入大量合金而增加 生产成本的前提下，可以显著提高钢筋的耐蚀性，延长钢筋的使用寿命，从而减少钢材的用 量。经检测，本发明生产的钢筋，其屈服强度Rel多500MPa，抗拉强度Rm》630MPa，断后伸长 率A彡15%，耐蚀性能是HRB500C钢种乳制钢筋的3~5倍。
【附图说明】
[0028] 图1是外加电场中间包熔渣脱氧装置安装状态剖面图。
[0029] 图中：阳极1、长水口 2、中间包3、熔渣4、钢液5、塞棒6、阴极7、上水口 8、浸入式水口 9、湍流器10、直流电源11。
【具体实施方式】
[0030] 首先，制作安装外加电场熔渣脱氧装置。中间包3外加电场熔渣脱氧装置包括阳极 1、阴极7和电源11。阳极1和阴极7均为圆筒状，阳极1套装在长水口 2上，并随着长水口 2-起 下降或上升，阴极7固定在浸入式水口 9上面的上水口 8上，阳极1和阴极7通过导线分别与电 源11的正极和负极连接。
[0031] 实施例采用20吨感应炉冶炼。对比例钢种为HRB500C，采用同样的电炉冶炼，使用 转炉一 LF精炼一连铸工艺进行生产的小方坯，乳制工艺相同。实施例和对比例钢筋化学成 分重量百分比含量见表1。
[0032] 表1实施例和对比例钢筋化学成分重量百分比含量表（％ )
[0034] 实施例冶炼和连铸的具体生产方法为：
[0035] 电炉冶炼：
[0036] 采用优质废钢，废钢熔化后进行造渣操作，根据钢液初始成分，首先加入增碳剂、 硅锰铁、硅铁进行脱氧及合金化，然后再加入铬铁、钛铁进行合金化，待熔炼成分达到要求 后进行出钢，出钢温度控制在1650~1670°C。
[0037] 连铸：
[0038]出钢到钢包后，将钢包吊至中间包处，钢液的过热度控制在<30°C。
[0039] 对中间包3使用外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧。浇注时，将长水口2下降进入中 间包3内，此时阳极1处于熔渣4中，钢包中的钢液5由长水口2首先进入到湍流器10内，钢液5 在此处通过改变流向，促使进入中间包3的钢包渣上浮，当中间包3内的钢液5上升到一定高 度时，打开塞棒6进行浇注。由于熔渣4具有导电性，在外加直流电场的作用下，熔渣4中的离 子将发生移动，并在相应的界面发生电化学反应。具体反应过程如下：
[0040] 1、钢液中的氧向钢液5/熔渣4界面扩散:[0]#*-[0]钢
[0041] 2、氧原子在钢液5/熔渣4界面处得到电子，同时使钢液5/熔渣4界面处带正电荷：
[0042] [0]钢制猶~^(02-)钢制猶；
[0043] 3、氧离子在电场的作用下，在熔渣4中向熔渣4/阳极1界面迀移：
[0044] (02-)衝赚一(02-)钢麵及；
[0045] 4、在熔渣4/阳极1界面发生氧离子失去电子的阳极反应：
[0046] (02-)__K-l/2(02-)__?+2e ;
[0047] 5、氧气进入空气中：
[0048] 1/2(02-)钢細g-l/2(02-)气体。
[0049] 在反应过程2中，钢液5/熔渣4界面将会积累正电荷，反应过程4中熔渣4/阳极1界 面将会积累负电荷，通过外加电场可以克服以上问题，从而使氧离子不断向熔渣4中迀移， 达到脱氧的目的。
[0050] 钢液5处理时，外加电场的电压控制在5~20V，电流控制在600~1000Α。
[0051] 进行浇注时，在塞棒6内吹入氩气，此位置正好处于外加电场的阴极7处，吹入的气 体起到了搅拌作用，有效地利用了塞棒6处吹入的气体，对钢液5产生搅拌作用，不需另外增 加吹气装置。有利于钢液5中的氧原子向中间包3的熔渣4处迀移，使钢液5中的氧去除更彻 底。在整个浇注过程中，塞棒6处吹入的氩气流量控制在51/min。通过直流电源，在钢液5和 中间包3覆盖剂之间构成回路，控制钢液5中的氧通过熔渣4体系中的传导，将熔渣4中生成 的氧气排出钢液5，从而提高钢液5的洁净度。
[0052] 连铸小方坯规格为150 X 150mm。
[0053] 乳制:乳制后的带肋钢筋规格为Φ 14mm。
[0054] 实施例及对比例乳制工艺参数及性能检验结果分别见表2、表3。
[0055]表2实施例及对比例乳制工艺参数
[0057]表3乳后钢筋性能指标检验结果
[0059]从表3可见，本发明实施例钢筋的强度和延伸率略有提高，但在耐蚀性方面有显著 提高，较对比例HRB500C的耐蚀性能提高3~5倍，从而可有效地延长钢筋的使用年限。
【主权项】
1. 一种耐蚀钢筋，其特征在于，其化学成分重量百分比含量为:C: 0.15%~0.23 %，Si : 0.30%~0.65%，Mn:0.90%~1.60%，P<0.030%，S<0.020%，Cr:1.40%~2.50%，Cu: 0.20%~0.40%，11:0.010%~0.025%小彡0.015%，0彡0.0020%，其余为铁及不可避免 的杂质。2. -种如权利要求1所述耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，包括电炉冶炼、连铸和乳 制，其具体生产方法为： 电炉冶炼： 在感应电炉中进行冶炼，冶炼采用优质废钢，在废钢熔化后，进行造渣操作，并根据钢 液初始成分，首先加入增碳剂、硅锰铁、硅铁进行脱氧及合金化，然后再加入铬铁、钛铁进行 合金化，待熔炼成分达到要求后进行出钢，出钢温度控制在1650~1670°C ; 连铸： 出钢到钢包后，将钢包吊至中间包处，钢液的过热度控制在<30°C ;对中间包使用外加 电场熔渣脱氧装置进行脱氧，脱氧装置的阳极套装在长水口上，阴极固定在上水口上，阳极 和阴极通过导线分别与电源的正极和负极连接；外加电场的电压为5~20V，电流为600~ 1000A，其中长水口外面的阳极，在进行浇注时，阳极随着长水口进入中间包的熔渣内后，接 通电源的阳极，中间包的上水口处接阴极与中间包钢液相通，通过直流电源，在钢液和中间 包覆盖剂之间构成回路，控制钢液中的氧通过熔渣体系中的传导，将熔渣中生成的氧气排 出钢液，从而提高钢液的洁净度； 乳制： 钢坯加热温度为1130~1170°C，加热时间1.5~2.5h，开乳温度1000~1100°C，终乳温 度为950 ~1050°C。
【文档编号】B22D11/116GK105950989SQ201610340629
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】姜利, 刘亚辉, 姜铁鑫
【申请人】海城市欣锐铸件有限公司