CN108868007B - 一种复合螺纹钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢铁冶炼领域，提供一种复合螺纹钢及其制备方法，用于解决螺纹钢的腐蚀问题。本发明提供的一种复合螺纹钢及其制备方法，包括钢芯和合金层，所述的合金层包裹钢芯，所述的钢芯同合金层冶金结合，所述的合金层厚度为1~3mm。在钢芯的表面套上一层合金层，合金层可以有效的保护钢芯免遭腐蚀，钢芯同合金层通过冶金结合，连接坚固。

Description

一种复合螺纹钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种复合螺纹钢及其制备方法。
背景技术
不锈钢的生产成本随着贵金属镍消耗不断提高，因此寻求既具有不锈钢钢筋的耐腐蚀性能，又成本低廉、强度还高于不锈钢钢筋的材料是人们迫切追求的目标。低碳钢、低合金钢的成本低、强度高，不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，将低碳钢或低合金钢与耐腐蚀的合金复合制备出复合钢材，对于提高建筑工程质量、延长建筑结构的使用寿命具有重要意义。
CN107023119A公开了一种不锈钢复合耐腐蚀带肋钢筋及其制造方法，其有芯部、中间合金层和不锈钢表层构成；所述的芯部材料为低合金钢，中间合金层材料为镍基合金或铜基合金，不锈钢表层材料为不锈钢。该发明通过在普通的钢材上复合一层不锈钢表层来提高钢材的防腐蚀性能，但其复合的表层为普通的螺纹钢，防腐蚀效果一般。提高防腐蚀效果是复合螺纹钢/钢筋亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题为螺纹钢的腐蚀问题，提供一种复合螺纹钢及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种复合螺纹钢及其制备方法，包括钢芯和合金层，所述的合金层包裹钢芯，所述的钢芯同合金层冶金结合，所述的合金层厚度为1~3mm。
在钢芯的表面套上一层合金层，合金层可以有效的保护钢芯免遭腐蚀，钢芯同合金层通过冶金结合，连接坚固。
合金层的厚度较小，可以有效地节约成本，同时合金层的可以为改性过的不锈钢，耐腐蚀效果进一步提高。
优选地，所述的钢芯为低碳钢。低碳钢可以进一步降低成本。
优选地，所述的合金层的制造方法为：依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、锌锭、铜锭共熔搅拌，电路冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁900~1000质量份，所述的碳粉0.3~1.2质量份，所述的锌锭3~5质量份，所述的铜锭0.1~0.4质量份，所述的磷铁0.3~0.5质量份，所述锰铁合金0.9~1.3质量份。
C是钢材中最基本的强化元素，C含量每增加0.01%，钢的抗拉强度增加约10MPa；Mn主要用于增加钢材强度，同时降低矿石中S损害；Zn、Cu可提高钢材的韧性和耐腐蚀性，通过上述材料冶炼出的钢合金有着高效的耐腐蚀的效果。
优选地，所述的生铁950~1000质量份，所述的碳粉0.9~1.2质量份，所述的锌锭4~5质量份，所述的铜锭0.3~0.4质量份，所述的磷铁0.4~0.5质量份，所述锰铁合金1~1.3质量份。
优选地，所述的生铁950质量份，所述的碳粉0.9质量份，所述的锌锭4质量份，所述的铜锭0.3质量份，所述的磷铁0.4质量份，所述锰铁合金1质量份。磷铁的量过多会影响钢材的力学性能；磷铁中磷的含量为15~20%，硅铁中硅的含量72~80%，锰铁合金中锰的含量为36~40%。
优选地，所述的Zn为改性Zn；所述的改性锌锭的改性方法为：制备中间合金，取锌锭81~90质量份，金属钙3~6质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到650~710℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.02~0.04MPa，温度下降到500~550℃，得到中间合金液；制备改性液，取铝锭70~75质量份，硅2~5质量份，稀土0.05~0.1质量份，将铝锭在800~1200℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；将中间合金50~60质量份同改性液10~20质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.05~0.2MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
在锌锭中添加少量金属钙，可以有效的提高中间合金的耐腐蚀效果；而硅的加入使得合金层的耐磨性和耐高温腐蚀性的效果进一步提高；中间合金和改性液混合铸造成的改性锌可以有效增强其对钢类合金中的改性效果，尤其是提高合金的防腐蚀效果。
优选地，所述的稀土主要为磷铈镧矿或者氟碳铈矿的矿石。稀土用于提高硅在铝液中的分散效果。
优选地，所述的硅为通氧金属硅。可选通氧553#金属硅。
优选地，所述的改性锌的改性方法为：制备中间合金，取锌锭85~90质量份，金属钙4~6质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到680~710℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.03~0.04MPa，温度下降到540~550℃，得到中间合金液；制备改性液，取铝锭72~75质量份，硅3~5质量份，稀土0.08~0.1质量份，将铝锭在1000~1200℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；将中间合金55~60质量份同改性液15~20质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.1~0.2MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
优选地，所述的改性锌的改性方法为：制备中间合金，取锌锭85质量份，金属钙4质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到680℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.03MPa，温度下降到540℃，得到中间合金液；制备改性液，取铝锭72质量份，硅3质量份，稀土0.08质量份，将铝锭在1000℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；将中间合金55质量份同改性液15质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.1MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
熔融状态下，混合中间合金与改性液，通入氮气搅拌，混合金属液同氮气发生反应，在熔融体系中引入了氮元素，可以进一步的提高合金的耐腐蚀效果。
一种复合螺纹钢制备方法，包括以下步骤：
（1）、所述的合金层铸造为钢管状，所述的合金层的内径大于等于钢芯的外径；
（2）、所述的合金层经除油处理后，通过等离子喷涂的方式在合金层的内表面均匀的喷涂中间层粉末；
（3）、将所述的钢芯放置到经步骤2处理过的合金层中部的孔内，然后将两者两端的缝隙通过电弧焊的方式焊合，得到复合胚料；
（4）、将所述的复合胚料加热到1000~1100℃，中间层粉末熔化，经轧制、减径后得到复合螺纹钢。
除油可以防止螺纹钢内部杂质过多，合金层同钢芯通过中间层粉末的融化从而冶金连接，中间层粉末通过等离子喷涂的方式均匀的分布在合金层的内表面，使得合金层和钢芯的连接更为紧密。
优选地，所述的中间层粉末为镍基中间层粉末；所述的镍基中间层粉末包括：Ni：60~70质量份，Cr：10~12质量份，B：4~6质量份，Cu：1~2质量份。镍基中间层粉末的熔点较低。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：在钢芯的表面套上一层合金层，合金层可以有效的保护钢芯免遭腐蚀，钢芯同合金层通过冶金结合，连接坚固；合金层的厚度较小，可以有效地节约成本，同时合金层的可以为改性过的不锈钢，耐腐蚀效果进一步提高。
具体实施方式
以下实施列是对本发明的进一步说明，不是对本发明的限制。
实施例1
一种复合螺纹钢及其制备方法，包括钢芯和合金层，所述的合金层包裹钢芯，所述的钢芯同合金层冶金结合，所述的合金层厚度为3mm。所述的钢芯为低碳钢。所述的生铁950质量份，所述的碳粉0.9质量份，所述的锌锭4质量份，所述的铜锭0.3质量份，所述的磷铁0.4质量份，所述锰铁合金1质量份。制备中间合金，取锌锭85质量份，金属钙4质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到680℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.03MPa，温度下降到540℃，得到中间合金液；制备改性液，取铝锭72质量份，硅3质量份，稀土0.08质量份，将铝锭在1000℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；将中间合金55质量份同改性液15质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.1MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
在钢芯的表面套上一层合金层，合金层可以有效的保护钢芯免遭腐蚀，钢芯同合金层通过冶金结合，连接坚固。
合金层的厚度较小，可以有效地节约成本，同时合金层的可以为改性过的不锈钢，耐腐蚀效果进一步提高。低碳钢可以进一步降低成本。
在锌锭中添加少量金属钙，可以有效的提高中间合金的耐腐蚀效果；而硅的加入使得合金层的耐磨性和耐高温腐蚀性的效果进一步提高；中间合金和改性液混合铸造成的改性锌可以有效增强其钢类合金中的改性效果，尤其是提高合金的防腐蚀效果。熔融状态下，混合中间合金与改性液，通入氮气搅拌，混合金属液同氮气发生反应，在熔融体系中引入了氮元素，可以进一步的提高合金的耐腐蚀效果。
一种复合螺纹钢制备方法，包括以下步骤：
（1）、所述的合金层铸造为钢管状，所述的合金层的内径大于等于钢芯的外径；
（2）、所述的合金层经除油处理后，通过等离子喷涂的方式在合金层的内表面均匀的喷涂中间层粉末；
（3）、将所述的钢芯放置到经步骤2处理过的合金层中部的孔内，然后将两者两端的缝隙通过电弧焊的方式焊合，得到复合胚料；
（4）、将所述的复合胚料加热到1000℃，中间层粉末熔化，经轧制、减径后得到复合螺纹钢。所述的中间层粉末为镍基中间层粉末；所述的镍基中间层粉末包括：Ni：60质量份，Cr：10质量份，B：4质量份，Cu：1质量份。
除油可以防止螺纹钢内部杂质过多，合金层同钢芯通过中间层粉末的融化从而冶金连接，中间层粉末通过等离子喷涂的方式均匀的分布在合金层的内表面，使得合金层和钢芯的连接更为紧密。镍基中间层粉末的熔点较低。
实施例2
实施例2同实施例1不同之处在于，所述的合金层厚度为1mm，所述的合金层的制造方法为：依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、锌锭、铜锭共熔搅拌，电路冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁900质量份，所述的碳粉0.3质量份，所述的锌锭3质量份，所述的铜锭0.1质量份，所述的磷铁0.3质量份，所述锰铁合金0.9质量份。
实施例3
实施例3同实施例1不同之处在于，所述的合金层的制造方法为：依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、锌锭、铜锭共熔搅拌，电路冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁1000质量份，所述的碳粉1.2质量份，所述的锌锭5质量份，所述的铜锭0.4质量份，所述的磷铁0.5质量份，所述锰铁合金1.3质量份。
实施例4
实施例4同实施例1不同之处在于，所述的Zn为改性Zn；所述的改性锌锭的改性方法为：制备中间合金，取锌锭81质量份，金属钙3质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到650℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.024MPa，温度下降到500℃，得到中间合金液；制备改性液，取铝锭70质量份，硅2质量份，稀土0.05质量份，将铝锭在800℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；将中间合金50质量份同改性液10质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.05MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
实施例5
实施例5同实施例1不同之处在于，所述的Zn为改性Zn；所述的改性锌锭的改性方法为：
制备中间合金，取锌锭90质量份，金属钙6质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到710℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.04MPa，温度下降到550℃，得到中间合金液；
制备改性液，取铝锭75质量份，硅5质量份，稀土0.1质量份，将铝锭在1200℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；
将中间合金60质量份同改性液20质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.2MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
实施例6
实施例6同实施例1不同之处在于，包括以下步骤：
（1）、所述的合金层铸造为钢管状，所述的合金层的内径大于等于钢芯的外径；
（2）、所述的合金层经除油处理后，通过等离子喷涂的方式在合金层的内表面均匀的喷涂中间层粉末；
（3）、将所述的钢芯放置到经步骤2处理过的合金层中部的孔内，然后将两者两端的缝隙通过电弧焊的方式焊合，得到复合胚料；
（4）、将所述的复合胚料加热到1100℃，中间层粉末熔化，经轧制、减径后得到复合螺纹钢。所述的中间层粉末为镍基中间层粉末；所述的镍基中间层粉末包括：Ni：70质量份，Cr：12质量份，B：6质量份，Cu：2质量份。
实施例7
实施例7同实施例1不同之处在于，所述的锌未改性。
实施例8
实施例8同实施例1不同之处在于，所述的改性锌不含改性液。
实施例9
实施例9同实施例1不同之处在于，所述的改性锌的中间合金和改性液混合时，采用氩气搅拌。
实验例
通过分析实施例1~9的耐腐蚀效果，进而优选技术方案。
抗腐蚀性能通过盐雾试验的结果进行分析，分别进行中性盐雾试验NSS并测定相应的抗拉强度。
表 1 螺纹钢耐腐蚀性能和力学性能
Figure DEST_PATH_IMAGE001
实施例1~6均采用改性锌作为螺纹钢的制备原料，可以看出实施例1~6的耐腐蚀性能显著优于实施例7~9，表明了改性锌对提高螺纹钢效果的显著作用。同时采用本发明的制备方法，螺纹钢的强度并未发生改变，应用的领域并未因制备方法的改变而受到限制。
实施例1是实施例1~6中较优的实施方案，其耐腐蚀效果显著的优于实施例7，同时抗拉强度同实施例7相比略有上升，表明了改性的锌中添加钙和铝、硅对提高螺纹钢的耐腐蚀能力有着显著的作用；实施例4和5中锌改性过程中，各种原料的添加量不同，实施例4的添加量偏低，导致其抗腐蚀性能同实施例1和5相比较差，但仍显著的优于实施例7~9，实施例5的各种原料添加量偏高，但是其耐腐蚀效果并未显著的优于实施例1，同时成本较高，因此实施例1是更优的实施方案。
实施例2和3主要是冶炼过程中，不同原料投加量对螺纹钢力学性能的影响，可以看出实施例2和3的耐腐蚀效果同实施例1相比差别不大，实施例2的效果较差，主要是其各种原料投加量较少；实施例3的耐腐蚀效果并未显著的由于实施例1，表明过多的增加原料，并不会带来耐腐蚀效果的持续提高。
实施例7中未添加改性锌，其耐腐蚀性能较差，进一步说明了本发明中锌改性的必要性；实施例8中未添加改性液，即改性锌主要为锌和钙的合金，其耐腐蚀效果较实施例7有所提高，但幅度有限；实施例9浇铸前未采用氮气搅拌，实施例9同实施例7相比，耐腐蚀性能的提升较为显著，表明中间合金和改性液对耐腐蚀效果的提高起着更为关键的作用。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，以上实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种复合螺纹钢，其特征在于，包括钢芯和合金层，所述的合金层包裹钢芯，所述的钢芯同合金层冶金结合，所述的合金层厚度为1~3mm；
所述的合金层的制造方法为：依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、锌锭、铜锭共熔搅拌，电路冶炼到炉外精炼的过程中加入碳粉、硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁900~1000质量份，所述的碳粉0.3~1.2质量份，所述的锌锭3~5质量份，所述的铜锭0.1~0.4质量份，所述的磷铁0.3~0.5质量份，所述锰铁合金0.9~1.3质量份；
所述的锌锭为改性锌锭；所述的改性锌锭的改性方法为：
制备中间合金，取锌锭81~90质量份，金属钙3~6质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到650~710℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.02~0.04MPa，温度下降到500~550℃，得到中间合金液；
制备改性液，取铝锭70~75质量份，硅2~5质量份，稀土0.05~0.1质量份，将铝锭在800~1200℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；
将中间合金50~60质量份同改性液10~20质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.05~0.2MPa，冷却，浇铸，得到改性锌锭；
所述复合螺纹钢的制备方法包括以下步骤：
（1）、所述的合金层铸造为钢管状，所述的合金层的内径大于等于钢芯的外径；
（2）、所述的合金层经除油处理后，通过等离子喷涂的方式在合金层的内表面均匀的喷涂中间层粉末；
（3）、将所述的钢芯放置到经步骤2处理过的合金层中部的孔内，然后将两者两端的缝隙通过电弧焊的方式焊合，得到复合胚料；
（4）、将所述的复合胚料加热到1000~1100℃，中间层粉末熔化，经轧制、减径后得到复合螺纹钢。
2.根据权利要求1所述的一种复合螺纹钢，其特征在于，所述的钢芯为低碳钢。
3.根据权利要求1所述的一种复合螺纹钢，其特征在于，所述的生铁950~1000质量份，所述的碳粉0.9~1.2质量份，所述的锌锭4~5质量份，所述的铜锭0.3~0.4质量份，所述的磷铁0.4~0.5质量份，所述锰铁合金1~1.3质量份。
4.根据权利要求1所述的一种复合螺纹钢，其特征在于，所述的生铁950质量份，所述的碳粉0.9质量份，所述的锌锭4质量份，所述的铜锭0.3质量份，所述的磷铁0.4质量份，所述锰铁合金1质量份。
5.根据权利要求1所述的一种复合螺纹钢，其特征在于，所述的改性锌锭的改性方法为：
制备中间合金，取锌锭85~90质量份，金属钙4~6质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到680~710℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.03~0.04MPa，温度下降到540~550℃，得到中间合金液；
制备改性液，取铝锭72~75质量份，硅3~5质量份，稀土0.08~0.1质量份，将铝锭在1000~1200℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；
将中间合金55~60质量份同改性液15~20质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.1~0.2MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
6.根据权利要求1所述的一种复合螺纹钢，其特征在于，所述的改性锌锭的改性方法为：
制备中间合金，取锌锭85质量份，金属钙4质量份，在氩气保护下共熔，当温度达到680℃时，吹入氩气搅拌，氩气气压为0.03MPa，温度下降到540℃，得到中间合金液；
制备改性液，取铝锭72质量份，硅3质量份，稀土0.08质量份，将铝锭在1000℃下熔化至液态，加入硅熔融后，再加入稀土，充分搅拌后得到改性液；
将中间合金55质量份同改性液15质量份混合后，通入氮气搅拌，氮气压力为0.1MPa，冷却，浇铸，得到改性锌。
7.根据权利要求1所述的一种复合螺纹钢，其特征在于，所述的中间层粉末为镍基中间层粉末；所述的镍基中间层粉末包括：Ni：60~70质量份，Cr：10~12质量份，B：4~6质量份，Cu：1~2质量份。
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