CN109881121A - 一种耐氯离子腐蚀的高强度抗震钢筋及其生产方法和用途 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐氯离子腐蚀的高强度抗震钢筋及其生产方法和用途，所述钢筋含有以下重量百分比的元素：Ni≤0.65％，Cr 0.25‑7.00％，V 0.028‑0.029％，Mn≤1.4％，Ni/Cr为0.45‑1.92。本发明方法中，转炉按常规冶炼工艺冶炼，按常规操作方式向钢水中添加Cr、Ni、V等耐蚀合金元素。在LF炉中通过白渣的精炼降低钢中氧、硫及夹杂物含量。连铸结晶器采用电磁搅拌技术，在国内大多钢筋生产厂均可实现生产。与现有技术相比，采用镍铬钒微合金化工艺生产耐氯离子腐蚀高强度抗震钢筋，具有准确控制钢水成分、收得率高、易操作，适用性广等特点。

Description

一种耐氯离子腐蚀的高强度抗震钢筋及其生产方法和用途

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种耐氯离子腐蚀的高强度抗震钢筋及其生产方法和用途。

背景技术

目前，耐腐蚀钢筋主要有不锈钢钢筋、涂环氧树脂钢筋、镀锌钢筋、不锈钢复合钢筋以及合金耐腐蚀钢等种类。

国内生产耐氯离子腐蚀高强度抗震钢筋的方法主要是采用红土镍矿、海砂矿、铜渣生产高镍铬铁水，利用高镍高铬铁水低成本地生产耐腐蚀钢筋，其冶炼工艺与微合金化工艺不同。

用红土镍矿、海砂矿、铜渣生产耐氯离子腐蚀高强度抗震钢筋生产工艺复杂，特别是对高炉操作要求高，炉况难以稳定。高炉冶炼红土镍矿工艺存在对原料适应性差、得到的生铁含镍收得率低、铁水中的P、S含量高以及生产工艺不稳定生铁成分波动大等缺点。

中国发明专利ZL 201510549858.8公开了一种耐氯离子腐蚀的不锈钢钢筋的制备方法，该专利通过对预制不锈钢钢筋原胚实施热扩散技术，从而在钢筋表面形成一层化学成分满足不锈钢要求且耐蚀性能优异的不锈钢表面层，是一种通过对钢筋原胚进行表面处理，经热扩散技术表面加入Cr，达到耐腐蚀目的。然而热扩散粉剂配制、钢筋制备方法过程极其复杂，成本极高。

中国专利申请CN 107034418A公开了一种耐氯离子腐蚀高强钢筋及其生产方法，该钢筋含有0.5-0.9％Cr，0.26-0.40％Ni和0.01-0.05％V，但是其Ni/Cr太低，均在0.41以下，影响钢材的耐腐蚀性能；此外其C含量低，钢水氧化性强，钢水质量差。氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO₂、Al₂O₃等夹杂形式存在，使钢的强度、塑性降低，尤其是对疲劳强度、冲击韧性、焊接性能等有严重影响。另外加入了Cu、稀土Re，生产成本高，实用性差。

发明内容

为了克服现有耐腐蚀高强钢筋的缺陷，本发明的首要目的在于提供一种钢筋，其特点是冶炼低镍低铬低钒铁水，得到高镍铬钢筋，提高了耐腐蚀性能和力学性能。

本发明的另一目的在于提供上述钢筋的生产方法。

本发明的再一目的在于提供上述钢筋的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种钢筋，含有以下重量百分比的元素：Ni≤0.65％，Cr 0.25-7.00％，V0.028-0.029％，Mn≤1.4％，Ni/Cr(Ni、Cr元素含量比)为0.45-1.92；

优选地，Ni/Cr为1.92；

优选地，Mn含量为1.3％；

本发明通过转炉冶炼低镍铬铁水，采用镍铬钒微合金化，高镍铬比生产耐氯离子腐蚀高强度抗震钢筋钢筋。

其中的Ni，能使钢筋具有高强度、高韧性、高电阻、良好的淬透性和耐腐蚀性，尤其是对氯离子及卤离子有非凡的耐腐蚀性能，可以显著降低钢筋的自腐蚀率。同时，Ni元素容易积聚在锈层中，形成保护性锈层，可以在一定程度上抵御Cl^-的侵蚀，从而降低钢的腐蚀速度。

Cr元素能提高钢筋的抗氧化性和耐氧化性，可以在钢表面内锈层和钢基体之间形成一层致密完整的氧化膜，能有效抑制腐蚀性阴离子、特别是Cl离子的侵入，其耐腐蚀性能与Ni的耐腐蚀性能相比要差些。

V元素可以细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而起到增强钢强度、韧性和耐磨性的作用，同时V也提高钢筋的耐腐蚀性能。

虽然Ni和Cr都有耐腐蚀性能，但Ni与Cr的耐腐蚀性能差异较大。随着Ni/Cr升高，钢筋的平均腐蚀率呈线性降低，其耐腐蚀性能提高。其比值在0.45时，腐蚀率为0.70，满足满足GB/T33953-2017耐腐蚀性能要求。比值在1.92时，腐蚀率为0.43，达到最佳腐蚀率。经过实践发现，Ni/Cr在0.45-1.92之间，即可实现低成本生产耐腐蚀钢筋。

所述的钢筋还含有以下重量百分比的元素：0.16％≤C≤0.21％，Si≤0.80％，P≤0.03％，S≤0.03％。

上述钢筋的生产方法，包括以下步骤：

(1)转炉冶炼：加入铁水和废钢，并按照上述各元素的占比范围，计算后加入合金，进行冶炼；

所述冶炼过程中的温度控制参数如下表所示：

(2)LF炉精炼：钢水进站后，加入埋弧渣和萤石，通电1-2min后，加入石灰总量的2/3，待以上造渣料完全化开后，再加入剩余的石灰，和碳粉、钢包改质剂、精炼合成渣，以及电石，之后送电精炼，并吹入氩气；调整炉渣的碱度为2.5-3.0，并保持还原气氛及炉渣良好的流动性，确保炉渣中(FeO+MnO)<1.0％，FeO<O.5％，炉渣的颜色呈白色；出站时视情况加入合金，按照上述各元素的占比对钢水成分做微调；精炼时间保证35分钟以上；

各造渣材料的加入量是：

埋弧渣：2.6-2.8kg/吨钢水；

萤石：0.3-0.5kg/吨钢水；

石灰：6-7kg/吨钢水；

钢包改质剂：0.5kg/吨钢水；

精炼合成渣：1-2kg/吨钢水；

电石：0.3-0.5kg/吨钢水；

碳粉：10-30kg；

所述炉渣的碱度，是指其中碱性氧化物与酸性氧化物的比值，计算公式如下：

R＝(CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)；

该步骤是精炼工程师摸索出的精炼造白渣方法。用白渣和惰性气氛保护、搅拌，氧、硫及杂质会很容易地被除去。渣中的(FeO+MnO)≤1.0％，还原才较充分，这是脱硫、除杂的前提。这时候钢中氧含量、夹杂物最少，钢洁净度最高。

该步骤着重解决了CN 107034418A中氧含量高、夹杂物多的缺陷。由于炼钢冶炼是通过氧气来进行氧化反应，将铁水中的碳、硅、磷、硫元素氧化形成氧化物，再通过硅锰合金、硅铁合金、硅铝钡或硅钙钡等脱氧合金脱氧，形成洁净度高的钢水。氧含量的高低与碳含量的高低有关。碳低，钢氧含量高；碳高，钢氧含量低。氧含量高，钢水纯净度低，对钢材的力学性能和焊接性能影响大。钢铁企业追求的是高洁净钢。

步骤(1)和(2)所述的合金包括硅锰合金、硅铁合金、钒氮合金、高碳铬铁、镍铁、硅铝钡和硅钙钡；

(3)连铸：采用电磁搅拌，连铸获得钢坯；

所述的电磁搅拌，电流300A，频率5Hz。本发明的连铸采用电磁搅拌技术，能有效改善铸坯内部组织结构，增加等轴晶率，并使夹杂物上浮，得到良好的钢坯质量。

所述的连铸，其拉坯参数控制见下表：

过热度℃	<15	15～25	25～35	35～45	>45
						拉速m/min	3.60～3.70	3.50～3.60	3.20～3.50	2.90～3.20	≥2.70

所述的连铸，其配水环节参数控制见下表：

比水量	[m<sup>3</sup>/h]
		1区	≤4.0
2区	≤6.0
		3区	≤2.0
4区	≤0.5

本发明的连铸步骤，采用动态配水，适当降低拉速，有利于减少钢坯裂纹。

(4)轧制：

加热温度：棒材1070～1084℃，盘螺1080～1087℃；

棒材上冷床温度900～935℃，盘螺吐丝温度900～935℃；

轧制速度：棒材12.2～15.5m/s，盘螺45m/s。

本发明的钢筋可应用在有抗震和/或耐氯离子腐蚀需求的建筑和工程上。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明的生产方法采用高炉(焦炭、矿石)→铁水(低镍低铬低钒)→转炉(镍铬钒微合金化)→CAS(吹氩、喂丝)→LF(二次精炼)→连铸(电磁搅拌、自动配水)→轧机→棒材工艺路线，通过优化转炉冶炼工艺、微合金化工艺、LF炉精炼去夹杂物工艺、连铸电磁搅拌、自动配水工艺以及优化热轧开轧温度、压下制度、轧后控制冷却等热轧工艺，得到良好的力学性能和耐腐蚀性能钢筋。

2、本发明方法中，转炉按常规冶炼工艺冶炼，按常规操作方式向钢水中添加Cr、Ni、V等耐蚀合金元素。在LF炉中通过白渣的精炼降低钢中氧、硫及夹杂物含量。连铸结晶器采用电磁搅拌技术，在国内大多钢筋生产厂均可实现生产。与现有技术相比，采用镍铬钒微合金化工艺生产耐氯离子腐蚀高强度抗震钢筋，具有准确控制钢水成分、收得率高、易操作，适用性广等特点。

3、本发明生产的高强耐Cl^-腐蚀钢筋，钢筋力学性能满足GB/T 1499.2-2018要求，其屈服强度ReL≥400MPa，抗拉强度Rm≥540MPa，断后伸长率A≥16％，耐Cl-腐蚀能力是HRB400普通钢筋的1.66倍及以上。本发明钢筋配方中少量添加Cr、Ni、V等耐蚀合金元素，生产成本低、生产工艺简单，使用本发明耐氯离子腐蚀高强钢筋可大大提高建筑结构的使用寿命，减少建筑结构的维护费用，降低建筑成本，具有良好的市场前景。

4、与高炉冶炼红土镍矿、海砂矿获得高镍铬铁水相比，本发明的高炉冶炼操作稳定，有利于炉龄维护。

5、本发明通过轧后冷却控制，得到铁素体+珠光体的稳定组织状态。

附图说明

图1是Mn元素含量对钢筋腐蚀率的影响。

图2是Ni/Cr对钢筋腐蚀率的影响。

图3是钢筋的金相组织检测(3％酒精硝酸腐蚀，放大100倍)。

图4是含钒与不含钒钢样的腐蚀率曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种钢筋的生产方法，包括以下步骤：

(1)转炉冶炼：加入铁水和废钢，按各元素占比，Ni≤0.65％，Cr 0.25-7.00％，V0.028-0.029％，Ni/Cr为0.45-1.92，0.16％≤C≤0.21％，Si≤0.80％，Mn≤1.4％，P≤0.03％，S≤0.03％，计算并添加合金，进行冶炼；

所述的合金包括硅锰合金、硅铁合金、钒氮合金、高碳铬铁、镍铁、硅铝钡和硅钙钡；

所述冶炼过程中的温度控制参数如下表所示：

(2)LF炉精炼：

钢水(每炉钢水120吨左右)进站后先加人埋弧渣324kg、萤石40kg，再加入石灰，石灰分两批加，保证所有加入的石灰可以完全化开。分批加入石灰的步骤如下：在通电开始1-2min后加人石灰总量的2/3，即541kg；待第一次加入的造渣料完全化开后，再加入剩余的石灰271kg、碳粉30kg、钢包改质剂66kg和精炼合成渣216kg、电石40kg，之后送电精炼，并吹入氩气；调整碱度为2.5-3.0，并保持还原气氛及渣良好的流动性，确保渣中(FeO+MnO)<1.0％，FeO<O.5％，渣的颜色呈白色。出站时视情况加入合金，按照上述各元素的占比范围对钢水成分做微调；精炼时间保证35分钟以上。出站时喂SiCaBa线，软吹氩4分钟。

(3)连铸：

A、电磁搅拌参数：电流：300A；频率：5Hz。

B、用长水口保护浇注，根据大包称重剩余5吨时卸长水口。

C、中间包钢水不许裸露，中间包钢水液面保持650mm。

D、下水口浸入结晶器内钢水深度90～110mm。

E、结晶器水流量控制在153m³/h，结晶器内钢水不许裸露，勤加渣和挑渣圈。

F、拉坯制度见下表：

过热度℃	<15	15～25	25～35	35～45	>45
						拉速m/min	3.60～3.70	3.50～3.60	3.20～3.50	2.90～3.20	≥2.70

G、自动配水：

比水量	[m<sup>3</sup>/h]
		1区	≤4.0
2区	≤6.0
		3区	≤2.0
4区	≤0.5

(4)轧制：

生产Φ18mm规格螺纹钢，加热温度1076～1084℃，上冷床温度：900～935℃，轧制速度：12.2m/s，负公差-2.3％～-2.5％。

生产Φ16mm规格螺纹钢，加热温度1070～1080℃，上冷床温度：910～925℃，轧制速度：15.2m/s，负公差-2.5％～-2.9％。

生产Φ12mm规格盘螺，加热温度1080～1087℃，吐丝温度900～935℃,轧制速度：45m/s，内径7.7～7.9mm。采用斯太尔摩延迟冷却工艺，冷却速度控制在3～5℃/s，负公差为-0.5％～1.0％。

生产Φ20mm规格螺纹钢，加热温度1080～1084℃，上冷床温度：900～920℃，轧制速度：15.5m/s，负公差-2.0％～-3.0％。

本发明工艺下，在其他元素含量一定的情况下，对Mn元素含量做变动，探究其对钢筋腐蚀率的影响，结果如图1所示，随着钢水中Mn含量的升高(由0.7％上升至1.3％)，钢筋的腐蚀率随着时间的增加而降低，因此将Mn含量设计为1.30％，与现有公布的生产方法中的锰含量高，更成分有利于降低腐蚀率。

本发明工艺下，在其他元素含量一定的情况下，对Ni、Cr元素含量比(即Ni/Cr)做变动，探究其对钢筋腐蚀率的影响，结果如图2所示，随着Ni/Cr的升高，钢筋的腐蚀率降低，耐腐蚀性能提高。本发明中Ni/Cr的含量设计，与现有公布的生产方法中的Ni/Cr含量设计更为合理，更有利于降低腐蚀率。

实施例2

一种钢筋的生产方法，其工艺操作同实施例1，所不同的是具体的合金元素含量。具体为：0.20％C，0.50％Si，1.30％Mn，0.018％P，0.011％S，0.49％Cr，0.32％Ni，0.029％V，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

完成步骤(3)后，对所得钢坯做低倍组织检测检测，结果为：总级数1.0级。其中中心疏松0.5级，角部裂纹0.5级。

对所得钢筋做金相组织检测，结果如图3所示：试样基体组织为F和P，晶粒度为8.5～9.5级，满足GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用热轧带肋钢筋金相组织要求。

步骤(4)完成之后，对所得钢筋做力学性能检测(结果如表1)：下屈服强度Rel在430～460Mpa之间，抗拉强度Rm在605～660Mpa之间，Rm⁰/ReL⁰的比值在1.315-1.535之间，满足国标要求的Rm⁰/ReL⁰>1.25；ReL⁰/ReL的比值在1.075-1.15之间，满足国标要求的ReL⁰/ReL<1.30；断后伸长率在17.0％-30％之间，满足国标要求的16％的要求；最大力总延伸率Agt在10.05％-13.94％之间，满足国标要求的9.0％的要求，力学性能指标均满足GB/T1499.2-2018要求。

送二个批次本实施例的耐腐蚀钢筋和一个批次现有技术普通HRB4000E的钢样至北京钢铁研究总院国家重点实验室做腐蚀率检测。检测结果为：

第一批次耐腐蚀钢筋(HRB400cE)平均腐蚀率为3.01-3.26g/m.2h，平均值3.51g/m.2h，第二批次耐腐蚀钢筋(HRB400cE)平均腐蚀率为3.22-3.99g/m.2h，平均值3.66g/m.2h，第三批次普通螺纹钢筋(HRB400E)平均腐蚀率为4.96-5.54g/m.2h，平均值5.28g/m.2h。

第一批次(HRB400cE)的相对腐蚀率为66.53％，第二批次(HRB400cE)的相对腐蚀率为69.32％，均低于GB/T33953-2017中耐腐蚀钢筋相对腐蚀率要求的70％，满足耐腐蚀性能要求，HRB400cE耐氯离子腐蚀高强度抗震钢筋开发成功。

此外，将本实施例的钢样与不含钒的钢样(其他合金元素相同)做耐腐蚀性能对比，结果如图4，可以看出，在短时间内(72h以内)，两者的耐腐蚀性能相差不大；但从长久看(144h以后)，本实施例的钢样的腐蚀率已经逐步降低，并开始显著低于不含钒的钢样。可见，含有0.029％V可显著降低腐蚀率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢筋，其特征在于：含有以下重量百分比的元素：Ni≤0.65％，Cr 0.25-7.00％，V 0.028-0.029％，Mn≤1.4％，Ni/Cr为0.45-1.92。

2.根据权利要求1所述的钢筋，其特征在于：Ni/Cr为1.92。

3.根据权利要求1所述的钢筋，其特征在于：Mn含量为1.3％。

4.根据权利要求1所述的钢筋，其特征在于：所述的钢筋还含有以下重量百分比的元素：0.16％≤C≤0.21％，Si≤0.80％，P≤0.03％，S≤0.03％。

5.权利要求1-4任一项所述钢筋的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)转炉冶炼：加入铁水和废钢，并按照各元素的占比范围，计算后加入合金，进行冶炼；

(2)LF炉精炼：钢水进站后，加入埋弧渣和萤石，通电1-2min后，加入石灰总量的2/3，待以上造渣料完全化开后，再加入剩余的石灰，和碳粉、钢包改质剂、精炼合成渣，以及电石，之后送电精炼，并吹入氩气；调整炉渣的碱度为2.5-3.0，并保持还原气氛及炉渣良好的流动性，确保炉渣中(FeO+MnO)<1.0％，FeO<O.5％，炉渣的颜色呈白色；出站时视情况加入合金，按照上述各元素的占比对钢水成分做微调；精炼时间保证35分钟以上；

(3)连铸：采用电磁搅拌，连铸获得钢坯；

(4)轧制：轧制得到钢筋。

6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：步骤(1)和(2)所述的合金包括硅锰合金、硅铁合金、钒氮合金、高碳铬铁、镍铁、硅铝钡和硅钙钡。

7.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：步骤(2)中，各造渣材料的加入量是：

埋弧渣：2.6-2.8kg/吨钢水；

萤石：0.3-0.5kg/吨钢水；

石灰：6-7kg/吨钢水；

钢包改质剂：0.5kg/吨钢水；

精炼合成渣：1-2kg/吨钢水；

电石：0.3-0.5kg/吨钢水；

碳粉：10-30kg。

8.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：步骤(3)所述的电磁搅拌，电流300A，频率5Hz。

9.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于：步骤(4)所述的轧制，具体为：

加热温度：棒材1070～1084℃，盘螺1080～1087℃；

棒材上冷床温度900～935℃，盘螺吐丝温度900～935℃；

轧制速度：棒材12.2～15.5m/s，盘螺45m/s。

10.权利要求1-4任一项所述的钢筋在有抗震和/或耐氯离子腐蚀需求的工程上的应用。