一种HRB500抗震钢筋及其生产工艺的制作方法

本发明属于冶金领域，涉及500mpa级抗震钢筋，具体涉及一种500mpa抗震钢筋及生产工艺。

背景技术：

地震频发使人们对民用以及桥梁、隧道等建筑的抗震安全性提出了更高的要求。钢筋的强度级别越高，必保其抗震性，如强屈比、均匀延伸、低周疲劳的技术含量也越高。500mpa级钢筋是我国目前最高等级的热轧钢筋，可以满足高层、超高层建筑和大型框架结构等对高强度、大规格钢筋的需求，同时又具有良好的塑性和抗震性能，用它取代hrb335钢筋可以节约用量28％以上，取代hrb400可节约14％的用量。这不仅提高了钢筋的抗震性及其它性能，满足了中国乃至世界各国对于抗震结构材料强度的需求，同时节约了能源，减少了污染气体和粉尘的排放，符合国际“低碳经济”的要求。因此，500mpa抗震钢筋具有良好的经济效益和社会效益，有利于推动我国钢铁“减量化”，支撑建筑业的转型升级。同时可缓解钢铁生产的资源、能源和环境制约，对我国钢铁工业实现由规模扩张向质量效益转变具有十分重要的意义。

目前，我国高强度钢筋主要采用微合金化、余热处理、超细晶粒三种工艺生产，但这三种工艺均存在不同程度的缺点。微合金化工艺成本高，需要ti、nb、v等微合金化元素，生产成本大幅度提升；超细晶粒工艺存在焊接性差、强屈比低等问题，目前国内大多数棒材生产线还不能满足超细晶钢筋的生产条件，需要进行必要的设备改造才能胜任。余热处理工艺存在焊接性能和施工适应性能低的问题，同时余热处理工艺容易生成马氏体组织，在修改后的国标中，不允许出现马氏体回火组织。与我国类似同处地震多发地带的其他国家多采用微合金化生产高强钢筋，我国高强钢筋如全面采用微合金化则会面临巨大的合金资源及生产成本问题，这与当前我国建立节约型社会，走可持续发展道路相违背。

氧化物冶金是近年来比较热门的研究方向，目前在金属材料领域应用比较少，主要应用在改善大线能量焊接热影响区、非调质钢的强度和韧性，而利用氧化物冶金开发500mpa抗震还没有应用。

技术实现要素：

针对我国目前全面采用微合金化工艺生产500mpa抗震钢筋消耗ti、nb、v合金资源、成本较高等问题，本发明提供一种500mpa抗震钢筋及生产工艺，解决在不加入上述贵金属的基础上依旧能够提高钢筋的强度和韧性的技术问题，进而降低成本。

为了解决上述技术问题，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种500mpa级抗震钢筋，所述的钢筋中含有钙基复合颗粒物，所述钙基复合颗粒物，以质量百分数计，由以下元素组成：ca为10％～15％，si为12％～13％，al为2％～3％，mn为30％～35％，s为4％～5％，o为30％～35％，元素的重量百分数之和为100％。

具体的，所述的钢筋中，尺寸为0.5～3μm的钙基复合颗粒物的数量达到2600～2900个/mm²。

一种如上所述500mpa抗震钢筋的生产方法，该方法具体包括以下步骤：将钢筋的钢水进行钢水冶炼，在出钢时往钢包中先添加硅锰进行合金化，再添加硅铁合金或铝合金进行预脱氧，钢水倒入中间包后，在结晶器中添加电石进行终脱氧，控制添加电石的量使得钢筋的钢水中的氧含量降到30～50ppm，产生钙基复合颗粒物；然后在经过连铸、铸坯加热、热轧和冷却，得到含有针状铁素体的钢筋。

具体的，所述的预脱氧后钢筋的钢水中，以重量分数计，由以下元素组成：c为0.18～0.23％，si为0.40～0.80％，mn为1.20～1.60％，s为≤0.045％，p为≤0.045％，余量为fe，元素的重量百分数之和为100％。

具体的，所述的连铸的具体过程为：将钢筋的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯规格为150mm×150mm的小方坯。

具体的，所述的铸坯加热的具体过程为：将连铸坯加热至1100℃左右，保温15～20min。

具体的，所述的热轧的具体过程为：采用tmcp工艺将连铸坯轧制成φ25mm的钢筋，一阶段开轧温度1050～1100℃，二阶段开轧温度1100℃，终轧温度830±20℃。

具体的，所述的冷却的具体过程为：采用水冷，在800～500℃,以5～15℃/s的速度冷却，钢中会析出大量的针状铁素体。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(ⅰ)本发明开发高强度抗震钢筋500mpa抗震，以脱氧后生成有效的钙基复合颗粒物为异质形核核心，促进晶内针状铁素体的形成来细化晶粒组织，达到提高钢筋强度、抗震性能的目的。

本发明通过钢水出钢后往结晶器中添加一定量的电石再次脱氧，使钢中生成大量弥散分布的cao等细小颗粒物，在控制冷却速度的条件下，钙基复合颗粒物作为异质形核核心促进晶内针状铁素体的形成，细化原始奥氏体晶粒，从而提高钢筋的强度和韧性。

(ⅱ)本发明不需要添加ti、nb、v等贵重合金元素，极大地降低了生产成本，节约了金属资源，实现可持续发展，且钢筋的各项力学性能均达标。

(ⅲ)本发明可以改善钢筋的焊接性能，由于氧化物夹杂能在原奥氏体晶内形核，产生大量的晶内针状铁素体，细化或分割奥氏体晶粒，即使奥氏体晶粒长大，依然可以获得晶粒细小的显微组织，晶内铁素体能抑制焊接热影响区的晶粒粗化，使焊接热影响区的性能大幅度提升。

(ⅳ)本发明不需要进行任何设备上的更新改造，在正常的转炉炼钢生产工艺流程下即可完成，快捷简便。

附图说明

图1-3分别是实施例1钢筋的不同段的金相组织图片。

图4是对比例1氧含量较高的钢筋金相组织图片。

图5是对比例2冷却速度较高的钢筋金相组织图片。

图6是对比例3冷却速度较低的钢筋金相组织图片。

图7(a)为实施例2钢筋的金相组织图片，图中圈出的一处为钙基复合颗粒物，(b)为(a)中圈出的钙基复合颗粒物对应的结构谱图。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

本发明出钢后的钢水采用电石对其进行再次脱氧，高温下电石会和钢水中的氧发生反应，生成大量的co，这在一定程度上又能促进大型颗粒物的脱出。电石在剧烈反应的同时会生成cao夹杂，由于离钢水凝固时间较短且钢水运动较为平缓，此时刚刚生成的cao夹杂聚集长大的可能相对较小，并且在co气泡生成同时会呈弥散的状态分布。大量弥散分布的细小cao夹杂作为异质形核核心，诱导晶内针状铁素体形成，细化或分割原奥氏体晶粒，使钢材组织更加细化，强度和韧性大幅度提高。

合金化通常是指通过加入元素，使金属成为在一定的工艺条件下具有预期性能的合金。为保证钢的各种物理、化学性能，需向钢中加入合金添加剂。合金添加剂既可以是纯的材料(镍、铜、铝、石墨粉等)，也可以是铁合金(锰铁、硅铁、钒铁、铬铁等)，也可是合金元素的化合物(氧化物、碳化物、氮化物等)。

在钢筋铸造中，金属基复合颗粒物，是指颗粒物的层间阳离子为此金属，本发明在制备钢筋的中间过程会形成先体物钙基复合颗粒物，说明颗粒物的层间阳离子为ca。

针状铁素体是根据二维形态观察得出，意为针状的铁素体。一般情况下针状铁素体在非金颗粒物处非均匀形核，然后从这个形核地点向许多不同的方向辐射生长。中间物体为颗粒物。

钢筋完整的生产工艺为：初炼→lf→vd→连铸→钢坯清理→加热→轧制→探伤→检验→判定入库。本发明着重在初炼→lf→vd工艺部分：炼钢、精炼：采用电炉热装铁水工艺，调好铁水和废钢比例，通电熔化、强化供氧脱碳，控制造渣过程，脱磷、去除钢中的有害杂质，达到出钢条件，出钢时在钢水中先添加硅锰进行合金化，再添加硅铁合金或铝合金进行预脱氧，确保c为0.18～0.23％，si为0.40～0.80％，mn为1.20～1.60％，s为≤0.045％，p为≤0.045％，余量为fe；进入lf精炼工位，吹氩搅拌，预脱氧和终脱氧，过程中出现两次终脱氧，lf包含一个终脱氧步骤，结晶器中包含一个终脱氧步骤，其中，确保产生的先体物钙基复合颗粒物ca10％～15％，si12％～13％，al2％～3％，mn30％～35％，s4％～5％，o30％～35％，元素的质量百分数之和为100％。最后再经连铸→钢坯清理→加热→轧制→探伤→检验→判定入库，结晶器在连铸部分的顺序：钢包→中间包→结晶器→二冷区→出坯。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

本实施例给出一种hrb500抗震钢筋，所述抗震钢筋中含有钙基复合颗粒物先体物，其中：钢筋的钢水中，以质量分数计，由以下元素组成：c为0.21％，si为0.58％，mn为1.34％，s为0.038％，p为0.022％，余量为fe，元素的量百分数之和为100％。

本实施例hrb500抗震钢筋的生产工艺为：将钢筋的钢水进行钢水冶炼，在出钢时往钢包中先添加硅锰进行合金化，再添加硅铁合金或铝合金进行预脱氧，钢水倒入中间包后，在结晶器中添加电石进行终脱氧，控制添加电石的量使得钢筋的钢水中的氧含量降到32ppm，产生钙基复合颗粒物；然后在经过连铸、铸坯加热、热轧和冷却，得到含有针状铁素体的钢筋。

连铸的具体过程为：将钢筋的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯规格为150mm×150mm的小方坯。

铸坯加热的具体过程为：将连铸坯加热至1100℃左右，保温15～20min。

热轧的具体过程为：采用tmcp工艺将连铸坯轧制成φ25mm的钢筋，一阶段开轧温度1050～1100℃，二阶段开轧温度1100℃左右，终轧温度830±20℃。

冷却的具体过程为：采用水冷，在800～500℃，以5～15℃/s的速度冷却，钢中会析出大量的针状铁素体。

本实施例采用jeoljsm-6460lv扫描电镜可观察到钙基复合颗粒物，经共振谱图检测，得到的钙基复合颗粒物，以质量分数计，由以下元素组成：ca为14.9％，si为12.8％，al为2.6％，mn为30％，s为4.9％，o为34.8％。

本实施例金相扫描图见图1至图3，图1至图3分别选取实施例1制备钢筋的不同段。本实施例制备的钢筋中，尺寸为0.5～3μm的钙基复合颗粒物的数量达到2850个/mm²。下限屈服强度≥500mpa，碳当量为0.50～0.55％，具体的力学性能测试结果参见表1。

对比例1：

本对比例给出一种500mpa抗震钢筋，生产工艺与实施例1相同，区别在于：钢水倒入中间包后，在结晶器中添加电石进行终脱氧，控制添加电石的量使得钢筋的钢水中的氧含量降到80-90ppm。

并且本对比例中在钢筋的钢水中和实施例1一样未加入ti、nb、v合金资源。本对比例的具体的力学性能测试结果参见表1。

本对比例的钢筋的金相组织图片如图4所示，从图4和图1至图3的对比可以看出：在氧含量较高时钢中的组织为板条状铁素体与块状铁素体，不能形成针状铁素体。

对比例2：

本对比例给出一种500mpa抗震钢筋，其他方面与实施例1相同，区别仅仅在于本对比例的钢筋在800～500℃水冷时冷却速度不同：钢筋在800～500℃水冷时冷却速度控制在20℃/s。

并且本对比例中在钢筋的钢水中和实施例1一样未加入ti、nb、v合金资源。本对比例的具体的力学性能测试结果参见表1。

本对比例的钢筋的金相组织图片如图5所示，从图5和图1至图3的对比可以看出：钢筋在800～500℃水冷时冷却速度较高时(20℃/s)会生成大量的贝氏体和马氏体，几乎没有针状铁素体的生成。

对比例3：

本对比例给出一种500mpa抗震钢筋，其他方面与实施例1相同，区别仅仅在于本对比例的钢筋在800～500℃水冷时冷却速度不同。

生产方法：本对比例的生产方法与实施例1其他方面均相同，区别仅仅在于：钢筋在800～500℃水冷时冷却速度控制在3℃/s。

并且本对比例中在钢筋的钢水中和实施例1一样未加入ti、nb、v合金资源。本对比例的具体的力学性能测试结果参见表1。

本对比例的钢筋的金相组织图片如图6所示，从图6和图1至图3的对比可以看出：在钢筋在800～500℃水冷时冷却速度较低时(3℃)会生成板条状铁素体和多边形铁素体，几乎没有针状铁素体的生成。

实施例2：

本实施例给出一种500mpa抗震钢筋，所述钢筋中含有钙基复合颗粒物。

其中：钢筋的钢水中，以质量分数计，由以下元素组成：c为0.22％，si为0.61％，mn为1.34％，s为0.036％，p为0.022％，余量为fe，元素的质量百分数之和为100％。

生产工艺：本实施例的生产方法与实施例1相同，区别仅仅在于：本实施例中，控制添加电石的量使得钢筋的钢水中的氧含量降到41ppm。

经检测，钙基复合颗粒物，以质量分数计，由以下元素组成：ca为14.8％，si为12.7％，al为2％，mn为32％，s为4.5％，o为34％。

本实施例制备的钢筋中，尺寸为0.5～3μm的钙基复合颗粒物的数量达到2880个/mm²。下限屈服强度≥500mpa，碳当量为0.50～0.55％，具体的力学性能测试结果参见表1。

实施例3：

本实施例给出一种500mpa抗震钢筋，所述的钢筋中含有钙基复合颗粒物。其中：钢筋的钢水中，以质量分数计，由以下元素组成：c为0.23％，si为0.8％，mn为1.2％，s为0.045％，p为0.045％，余量为fe，元素的质量百分数之和为100％。

生产工艺：本实施例的生产方法与实施例1相同，区别仅仅在于：本实施例中，控制添加电石的量使得钢筋的钢水中的氧含量降到36ppm。

经检测，钙基复合颗粒物，以质量分数计，由以下元素组成：ca为15％，si为13％，al为3％，mn为35％，s为4％，o为30％。

本实施例制备的钢筋中，尺寸为0.5～3μm的钙基复合颗粒物的数量达到2600个/mm²。下限屈服强度≥500mpa，碳当量为0.50～0.55％，具体的力学性能测试结果参见表1。

实施例4：

本实施例给出一种500mpa抗震钢筋，所述的钢筋中含有钙基复合颗粒物，其中：钢筋的钢水中，以质量分数计，由以下元素组成：c为0.18％，si为0.4％，mn为1.6％，s为0.030％，p为0.030％，余量为fe，元素的质量百分数之和为100％。

生产工艺：本实施例的生产方法与实施例1相同，区别仅仅在于：本实施例中，控制添加电石的量使得钢筋的钢水中的氧含量降到38ppm。

经检测，钙基复合颗粒物，以质量分数计，由以下元素组成：ca为10％，si为12％，al为3％，mn为35％，s为5％，o为35％。

本实施例制备的钢筋中，尺寸为0.5～3μm的钙基复合颗粒物的数量达到2900个/mm²。下限屈服强度≥500mpa，碳当量为0.50～0.55％，具体的力学性能测试结果参见表1。

表1钢筋的力学性能测试结果

从表1中可以看出：本发明制备的抗震钢筋，各项力学性能均达到国标gb50204-2002《混凝土结构工程施工质量验收规范》要求，而三个对比例由于终脱氧后氧含量、冷却速度等控制不同，最终得到的钢筋屈服强度、抗拉强度等力学性能未达到国标要求。可见，使钢中形成有效的钙基复合颗粒物并诱导形成针状铁素体，除合理设计钢筋的合金成分，在钢筋冶炼过程中精确控制各合金元素及主功能合金的添加方式、添加顺序和添加时机外，必须要控制终脱氧后合适的氧含量及水冷时的冷却速度。