一种650MPa级高强防爆耐火钢筋用钢及其热机轧制工艺的制作方法

本发明涉及混凝土用热轧带肋钢筋技术领域，具体为一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢及其热机轧制工艺。

背景技术：

爆炸常伴随冲击波、高压、高温以及爆炸碎片的冲击等现象，具有极大的破坏作用，给人民群众的生命和财产带来损失，一、爆炸瞬间产生的冲击波会从释放点呈辐射状并以超音速扩散，作用到人或物体上会产生巨大的杀伤力和破坏力，超压值越大，其杀伤力和破坏力越大，但随着强度的降低，其传播速度也逐渐下降；二、爆炸将产生高温，会点燃易燃物，加大爆炸的破坏作用；三、爆炸碎片的冲击会在相当大的范围内造成危害，碎片越薄，飞行速度越快，危害越大；四、爆炸还会造成建筑物的整体结构或大部分结构连续倒塌，给灾后的重建带来困难。

随着偶发爆炸和人为恐怖爆炸事件的不断增多，弹药库、车库、飞机库、油库、器材库、拆弹所、战地医院和检查站等军用工事，各类易燃易爆的石油化工等场所、政府大楼以及大型公共建筑物等的防爆安全问题越来越重要，世界范围内对防爆墙的研究越来越重视。

钢筋混凝土防爆墙由于抗爆强度高、耐火、耐爆炸碎片冲击及便于施工，所以研究和应用比较普遍，对于抗爆建筑物来说，钢筋混凝土是一种优良的建筑材料，它的质量提供的惯性有利于抵抗瞬间冲击波荷载，并且钢筋混凝土建筑物具有连续性和一定的侧向强度，钢筋混凝土除了固有的结构强度外，在预防伴随着爆炸而出现的火灾和飞散的破片方面，也是有效的。

中国专利申请号201410225075.x的专利文献公开了“一种高性能仿生防爆墙”，件由frp防护层和高性能墙体组成，frp防护层包括鱼鳞状frp层、橡胶层和聚氨酯泡沫塑料层，高性能墙体为超高性能钢筋混凝土墙或预应力砌块砌体剪力墙具有轻质高强和快速构筑的特点，并且能有效抗击爆破冲击波，避免普通防爆墙容易存在的墙体破裂甚至碎片飞溅的问题，但采用的是普通钢筋，没有涉及钢筋材料对防爆墙整体性能的作用，因此，本发明根据钢筋混凝土防爆墙对钢筋材料的要求，并结合钢厂现有工艺装备条件，设计了650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢的成分范围，并通过热机轧制工艺(tmcp)，生产出性能满足钢筋混凝土防爆墙要求的钢筋材料。

技术实现要素：

(一)解决的技术问题

本发明目的在于通过成分设计，并结合热机轧制工艺(tmcp)生产出650mpa级高强防爆耐火钢筋，其屈服强度≥650mpa，抗拉强度≥800mpa，断后伸长率≥14％，最大力下总伸长率≥7.5％，所要解决的关键技术是提供一种650mpa级高强防爆耐火钢筋的tmcp热机轧制工艺，以实现经济型生产。

(二)技术方案

为实现上述能有效提高钢筋用钢的防爆耐火性能的目的，本发明提供如下技术方案：一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢，包括以下重量百分比的原料：0.20～0.30％c、0.40～0.80％si、1.20～1.60％mn、0.02～0.05％nb、0.05～0.15％v、0.15～0.75％cr、0.20～0.60％mo、0.04～0.06％ti、≤0.030％p、≤0.030％s和0.02～0.04％fe。

优选的，包括以下重量百分比的原料：0.20％c、0.40％si、1.20％mn、0.02nb、0.05％v、0.155％cr、0.20％mo、0.04％ti、0.010％p、0.010％s和0.02％fe。

优选的，包括以下重量百分比的原料：0.250％c、0.60％si、1.40％mn、0.035％nb、0.1％v、0.45％cr、0.40％mo、0.05％ti、0.020％p、0.020％s和0.03％fe。

优选的，包括以下重量百分比的原料：0.30％c、0.80％si、1.60％mn、0.05nb、0.15％v、0.75％cr、0.60％mo、0.06％ti、0.030％p、0.030％s和0.04％fe。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢的热机轧制工艺，包括以下步骤：

1)将0.20～0.30％c、0.40～0.80％si、1.20～1.60％mn、0.02～0.05％nb、0.05～0.15％v、0.15～0.75％cr、0.20～0.60％mo、0.04～0.06％ti、≤0.030％p、≤0.030％s和0.02～0.04％fe依次加入到转炉或电弧炉中进行冶炼，冶炼周期为50-60min；

2)将步骤1)中制得的材料进行炉外钢包吹氩精炼，氩气供气强度为3-7l/min·t钢，吹氩时间为4-6min，精炼周期为55-59min；

3)将步骤2)中制得的材料在150小方坯连铸；

4)将步骤3)中制得的材料在棒材轧机上采用tmcp工艺进行轧制，tmcp热机轧制工艺控制点如下：

(1)加热温度控制在1000～1200℃；

(2)均热温度控制在1050～1150℃；

(3)开轧温度控制在950～1100℃；

(4)精轧机温度控制在850～950℃；

(5)上冷床返红温度控制在780～900℃，且轧制规格越大，要求的上冷床返红温度越低。

5)将步骤4)中制得的材料放置在冷床或堆垛上自然冷却，即可制得一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢。

优选的，粗轧机组和中轧机组采用常规轧制，中轧机组后设置冷却段和回复段，冷却段使轧件温度降到部分再结晶或未再结晶温度范围之内，回复段保证进入精轧机前有一段均温过程。

优选的，精轧机后设置快速穿水冷却装置，通过轧后快冷到相变区后停止冷却，钢筋表面获得理想的主要是细铁素体和珠光体组织。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明提供了一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢及其热机轧制工艺，具备以下有益效果：

1、该650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢及其热机轧制工艺，通过添加的c，是钢铁材料的主要合金元素，可通过形成固溶体组织和碳化物组织来提高强度，能提高钢筋强屈比，通过添加的si，在钢中形成固溶体，起固溶强化作用，能提高钢的强度及强屈比，通过添加的mn，是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30～0.50％，在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，mn能提高钢的淬透性，降低钢的临界转变温度，起到细化珠光体晶粒的作用，因此能显著提高钢的强度，通过添加的v和nb，均有析出强化和细晶强化的作用，能显著提高钢的强度，同时还能保证钢的延伸性能，其中v主要起析出强化作用，nb主要起细晶强化作用，通过添加的cr，能显著增加钢的淬透性，对低合金钢具有较高的强化作用，提高钢的强度、硬度和耐磨性，通过添加的mo，使钢筋具有耐高温的特性，可实现耐火耐高温的效果，通过添加的ti，具有重量轻、强度高、具金属光泽和耐湿氯气腐蚀的特性，能有效提高钢的强度和耐腐蚀性能。

2、该650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢及其热机轧制工艺，通过tmcp工艺可使组织细化，改善低温韧性，获得良好的机械性能，提高疲劳强度，具有较好的表面质量，与轧后穿水冷却生产工艺相比，tmcp热机轧制之后也采用穿水冷却工艺，轧后穿水冷却主要目的是在低温下实现奥氏体向马氏体的转变，形成马氏体表层，再通过心部向表面的自回火获得回火组织，而tmcp是通过精轧后快冷使轧件迅速通过奥氏体相区，保持轧件奥氏体硬化状态，在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却，抑制铁素体晶粒的长大，表层是细晶粒铁素体和珠光体组织，晶粒度达到九级以上，本发明采用资源节约型的成分设计，采用tmcp热机轧制工艺，综合利用微合金元素的固溶、析出、细晶强化及tmcp的细晶强化等钢铁材料综合强化手段，实现在保持材料塑性的前提下，生产出综合性能优良的650mpa级钢筋，在现有工艺装备条件下，采用本发明化学成分配比，并采用tmcp热机轧制工艺，生产的650mpa级高强防爆耐火钢筋性能稳定，综合力学性能较好，其屈服强度≥650mpa，抗拉强度≥800mpa，断后伸长率≥14％，最大力下总伸长率≥7.5％。

附图说明

图1为650mpa级钢筋表面组织，批号k14-58×500；

图2为650mpa级钢筋心部组织，批号k14-59×500。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢，包括以下重量百分比的原料：0.20％c、0.40％si、1.20％mn、0.02nb、0.05％v、0.155％cr、0.20％mo、0.04％ti、0.010％p、0.010％s和0.02％fe。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢的热机轧制工艺，包括以下步骤：

1)将0.20％c、0.40％si、1.20％mn、0.02nb、0.05％v、0.155％cr、0.20％mo、0.04％ti、0.010％p、0.010％s和0.02％fe依次加入到转炉或电弧炉中进行冶炼，冶炼周期为50min；

2)将步骤1)中制得的材料进行炉外钢包吹氩精炼，氩气供气强度为3l/min·t钢，吹氩时间为4min，精炼周期为55min；

3)将步骤2)中制得的材料在150小方坯连铸；

4)将步骤3)中制得的材料在棒材轧机上采用tmcp工艺进行轧制，粗轧机组和中轧机组采用常规轧制，中轧机组后设置冷却段和回复段，冷却段使轧件温度降到部分再结晶或未再结晶温度范围之内，回复段保证进入精轧机前有一段均温过程，精轧机后设置快速穿水冷却装置，通过轧后快冷到相变区后停止冷却，钢筋表面获得理想的主要是细铁素体和珠光体组织，tmcp热机轧制工艺控制点如下：

(1)加热温度控制在1000～1200℃；

(2)均热温度控制在1050～1150℃；

(3)开轧温度控制在950～1100℃；

(4)精轧机温度控制在850～950℃；

(5)上冷床返红温度控制在780～900℃，且轧制规格越大，要求的上冷床返红温度越低。

5)将步骤4)中制得的材料放置在冷床或堆垛上自然冷却，即可制得一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢。

实施例二：一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢，包括以下重量百分比的原料：0.250％c、0.60％si、1.40％mn、0.035％nb、0.1％v、0.45％cr、0.40％mo、0.05％ti、0.020％p、0.020％s和0.03％fe。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢的热机轧制工艺，包括以下步骤：

1)将0.250％c、0.60％si、1.40％mn、0.035％nb、0.1％v、0.45％cr、0.40％mo、0.05％ti、0.020％p、0.020％s和0.03％fe依次加入到转炉或电弧炉中进行冶炼，冶炼周期为55min；

2)将步骤1)中制得的材料进行炉外钢包吹氩精炼，氩气供气强度为5l/min·t钢，吹氩时间为5min，精炼周期为57min；

3)将步骤2)中制得的材料在150小方坯连铸；

4)将步骤3)中制得的材料在棒材轧机上采用tmcp工艺进行轧制，粗轧机组和中轧机组采用常规轧制，中轧机组后设置冷却段和回复段，冷却段使轧件温度降到部分再结晶或未再结晶温度范围之内，回复段保证进入精轧机前有一段均温过程，精轧机后设置快速穿水冷却装置，通过轧后快冷到相变区后停止冷却，钢筋表面获得理想的主要是细铁素体和珠光体组织，tmcp热机轧制工艺控制点如下：

(1)加热温度控制在1000～1200℃；

(2)均热温度控制在1050～1150℃；

(3)开轧温度控制在950～1100℃；

(4)精轧机温度控制在850～950℃；

(5)上冷床返红温度控制在780～900℃，且轧制规格越大，要求的上冷床返红温度越低。

5)将步骤4)中制得的材料放置在冷床或堆垛上自然冷却，即可制得一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢。

实施例三：一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢，包括以下重量百分比的原料：0.30％c、0.80％si、1.60％mn、0.05nb、0.15％v、0.75％cr、0.60％mo、0.06％ti、0.030％p、0.030％s和0.04％fe。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢的热机轧制工艺，包括以下步骤：

1)将0.30％c、0.80％si、1.60％mn、0.05nb、0.15％v、0.75％cr、0.60％mo、0.06％ti、0.030％p、0.030％s和0.04％fe依次加入到转炉或电弧炉中进行冶炼，冶炼周期为60min；

2)将步骤1)中制得的材料进行炉外钢包吹氩精炼，氩气供气强度为7l/min·t钢，吹氩时间为6min，精炼周期为59min；

3)将步骤2)中制得的材料在150小方坯连铸；

4)将步骤3)中制得的材料在棒材轧机上采用tmcp工艺进行轧制，粗轧机组和中轧机组采用常规轧制，中轧机组后设置冷却段和回复段，冷却段使轧件温度降到部分再结晶或未再结晶温度范围之内，回复段保证进入精轧机前有一段均温过程，精轧机后设置快速穿水冷却装置，通过轧后快冷到相变区后停止冷却，钢筋表面获得理想的主要是细铁素体和珠光体组织，tmcp热机轧制工艺控制点如下：

(1)加热温度控制在1000～1200℃；

(2)均热温度控制在1050～1150℃；

(3)开轧温度控制在950～1100℃；

(4)精轧机温度控制在850～950℃；

(5)上冷床返红温度控制在780～900℃，且轧制规格越大，要求的上冷床返红温度越低。

5)将步骤4)中制得的材料放置在冷床或堆垛上自然冷却，即可制得一种650mpa级高强防爆耐火钢筋用钢。

本发明的有益效果是：通过添加的c，是钢铁材料的主要合金元素，可通过形成固溶体组织和碳化物组织来提高强度，能提高钢筋强屈比，通过添加的si，在钢中形成固溶体，起固溶强化作用，能提高钢的强度及强屈比，通过添加的mn，是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30～0.50％，在碳素钢中加入0.70％以上时就算“锰钢”，mn能提高钢的淬透性，降低钢的临界转变温度，起到细化珠光体晶粒的作用，因此能显著提高钢的强度，通过添加的v和nb，均有析出强化和细晶强化的作用，能显著提高钢的强度，同时还能保证钢的延伸性能，其中v主要起析出强化作用，nb主要起细晶强化作用，通过添加的cr，能显著增加钢的淬透性，对低合金钢具有较高的强化作用，提高钢的强度、硬度和耐磨性，通过添加的mo，使钢筋具有耐高温的特性，可实现耐火耐高温的效果，通过添加的ti，具有重量轻、强度高、具金属光泽和耐湿氯气腐蚀的特性，能有效提高钢的强度和耐腐蚀性能，通过tmcp工艺可使组织细化，改善低温韧性，获得良好的机械性能，提高疲劳强度，具有较好的表面质量，与轧后穿水冷却生产工艺相比，tmcp热机轧制之后也采用穿水冷却工艺，轧后穿水冷却主要目的是在低温下实现奥氏体向马氏体的转变，形成马氏体表层，再通过心部向表面的自回火获得回火组织，而tmcp是通过精轧后快冷使轧件迅速通过奥氏体相区，保持轧件奥氏体硬化状态，在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却，抑制铁素体晶粒的长大，表层是细晶粒铁素体和珠光体组织，晶粒度达到九级以上，本发明采用资源节约型的成分设计，采用tmcp热机轧制工艺，综合利用微合金元素的固溶、析出、细晶强化及tmcp的细晶强化等钢铁材料综合强化手段，实现在保持材料塑性的前提下，生产出综合性能优良的650mpa级钢筋，在现有工艺装备条件下，采用本发明化学成分配比，并采用tmcp热机轧制工艺，生产的650mpa级高强防爆耐火钢筋性能稳定，综合力学性能较好，其屈服强度≥650mpa，抗拉强度≥800mpa，断后伸长率≥14％，最大力下总伸长率≥7.5％。

原料使用注意点如下：

1、c含量越高，强度越高，但塑性和韧性越低，因此在确保钢的强度满足使用要求时，应尽量减少c的含量，本发明c的含量为0.25～0.35％。

2、si超过2％时会显著降低钢的塑性和韧性，本发明si含量在0.80～1.20％。

3、mn会降低延伸性能及强屈比，本发明mn含量在1.00～1.20％。

4、v最佳含量在0.15～0.25％，nb最佳含量在0.010～0.030％。

5、cr含量的增加钢的回火脆性倾向增大，本发明cr含量在0.8～1.0％。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。