CN105950989B - 一种耐蚀钢筋及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
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
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。
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%,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,但其提升空间较为有限。
中国专利公开号为CN101709434A公开了一种耐Cl-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%,Mn:0.7%~2.0%,Cu:0.20%~0.80%,Cr:0.30%~1.6%,Ni:0.20%~1.0%,P:0.05%~0.10%,S≤0.010%,余量为Fe和不可避免的杂质;或者,同时另加微合金元素V、Nb、Ti、B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
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。
为达此目的,本发明所采取的技术解决方案是:
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≤0.015%,O≤0.0020%,其余为铁及不可避免的杂质。
本发明的成分选择及含量范围确定原理为:
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%。
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。当硅含量过高时,会使焊接时焊缝金属硬化,飞溅增加,影响焊接工艺性能;当钢中硅含量过低时,脱氧不完全,钢中氧含量过高,因此硅含量控制在0.30%~0.65%。
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0.90%~1.60%。
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≤0.030%。
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%。
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%。
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,在热轧时出现热裂现象,因此钢中铜含量控制在0.20%~0.40%。
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轧制时,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%。
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%。
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%。
一种耐蚀钢筋的生产方法,包括电炉冶炼、连铸和轧制,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℃。
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℃;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。
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℃。
本发明的有益效果为:
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≥500MPa,抗拉强度Rm≥630MPa,断后伸长率A≥15%,耐蚀性能是HRB500c钢种轧制钢筋的3~5倍。
附图说明
图1是外加电场中间包熔渣脱氧装置安装状态剖面图。
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
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2一起下降或上升,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。
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—LF精炼—连铸工艺进行生产的小方坯,轧制工艺相同。实施例和对比例钢筋化学成分重量百分比含量见表1。
表1 实施例和对比例钢筋化学成分重量百分比含量表(%)
示例 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Cu | Ti | O | N |
实施例1 | 0.17 | 0.58 | 0.95 | 0.018 | 0.014 | 1.42 | 0.23 | 0.012 | 0.0013 | 0.009 |
实施例2 | 0.18 | 0.42 | 1.14 | 0.021 | 0.016 | 1.86 | 0.28 | 0.018 | 0.0019 | 0.008 |
实施例3 | 0.16 | 0.56 | 1.36 | 0.024 | 0.018 | 1.54 | 0.26 | 0.024 | 0.0017 | 0.006 |
实施例4 | 0.17 | 0.32 | 1.58 | 0.021 | 0.015 | 2.35 | 0.24 | 0.017 | 0.0018 | 0.008 |
实施例5 | 0.17 | 0.61 | 1.47 | 0.018 | 0.012 | 1.93 | 0.23 | 0.019 | 0.0017 | 0.014 |
实施例6 | 0.19 | 0.45 | 1.29 | 0.012 | 0.014 | 2.48 | 0.27 | 0.023 | 0.0018 | 0.012 |
实施例7 | 0.21 | 0.42 | 1.08 | 0.014 | 0.013 | 1.88 | 0.28 | 0.013 | 0.0015 | 0.015 |
实施例8 | 0.19 | 0.46 | 1.26 | 0.019 | 0.014 | 1.97 | 0.31 | 0.016 | 0.0018 | 0.010 |
对比例1 | 0.22 | 0.65 | 1.45 | 0.018 | 0.015 | 0.063 | 0.28 | / | 0.0094 | 0.011 |
对比例2 | 0.19 | 0.70 | 1.58 | 0.022 | 0.013 | 0.098 | 0.24 | / | 0.0086 | 0.009 |
对比例3 | 0.20 | 0.63 | 1.43 | 0.016 | 0.015 | 0.086 | 0.26 | / | 0.0076 | 0.010 |
对比例4 | 0.18 | 0.74 | 1.49 | 0.021 | 0.014 | 0.079 | 0.24 | / | 0.0069 | 0.009 |
实施例冶炼和连铸的具体生产方法为:
电炉冶炼:
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℃。
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℃。
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:
1、钢液中的氧向钢液5/熔渣4界面扩散:[O]钢液→[O]钢液/熔渣;
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:
[O]钢液/熔渣→(O2-)钢液/熔渣;
3、氧离子在电场的作用下,在熔渣4中向熔渣4/阳极1界面迁移:
(O2-)钢液/熔渣→(O2-)钢液/阳极;
4、在熔渣4/阳极1界面发生氧离子失去电子的阳极反应:
(O2-)钢液/阳极→1/2(O2-)钢液/阳极+2e;
5、氧气进入空气中:
1/2(O2-)钢液/阳极→1/2(O2-)气体。
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中迁移,达到脱氧的目的。
钢液5处理时,外加电场的电压控制在5~20V,电流控制在600~1000A。
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处迁移,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5l/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。
连铸小方坯规格为150×150mm。
轧制:轧制后的带肋钢筋规格为φ14mm。
实施例及对比例轧制工艺参数及性能检验结果分别见表2、表3。
表2 实施例及对比例轧制工艺参数
示例 | 加热温度℃ | 加热时间℃ | 开轧温度℃ | 终轧温度℃ |
实施例1 | 1135 | 1.5 | 1057 | 1012 |
实施例2 | 1148 | 1.9 | 1045 | 1035 |
实施例3 | 1169 | 1.8 | 1067 | 987 |
实施例4 | 1136 | 1.7 | 1089 | 1047 |
实施例5 | 1148 | 2.4 | 1025 | 956 |
实施例6 | 1159 | 2.3 | 1020 | 1008 |
实施例7 | 1168 | 1.8 | 1035 | 976 |
实施例8 | 1146 | 1.9 | 1016 | 994 |
对比例1 | 1145 | 2.0 | 1035 | 1007 |
对比例2 | 1154 | 1.8 | 1048 | 984 |
对比例3 | 1149 | 2.2 | 1053 | 996 |
对比例4 | 1160 | 1.7 | 1048 | 1024 |
表3 轧后钢筋性能指标检验结果
示例 | 腐蚀速率 微米/年 | Rel MPa | Rm MPa | A% |
实施例1 | 149 | 538 | 679 | 20 |
实施例2 | 168 | 546 | 654 | 21 |
实施例3 | 197 | 525 | 675 | 19 |
实施例4 | 174 | 518 | 643 | 20 |
实施例5 | 230 | 536 | 677 | 23 |
实施例6 | 196 | 526 | 653 | 24 |
实施例7 | 203 | 534 | 637 | 21 |
实施例8 | 154 | 529 | 648 | 25 |
对比例1 | 688 | 510 | 640 | 16 |
对比例2 | 716 | 525 | 638 | 17 |
对比例3 | 702 | 514 | 645 | 17 |
对比例4 | 734 | 530 | 638 | 18 |
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。
Claims (2)
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%~0.17%,Si:0.61%~0.65%,Mn:0.90%~1.60%,P≤0.030%,S≤0.020%,Cr:1.93%~2.50%,Cu:0.23%~0.26%,Ti:0.012%~0.025%,N≤0.015%,O≤0.0020%,其余为铁及不可避免的杂质。
2.一种如权利要求1所述耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,包括电炉冶炼、连铸和轧制,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℃;
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℃;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;
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956~1050℃。
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