CN110453136A - 一种热轧防锈钢筋及其生产方法 - Google Patents

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CN110453136A CN201910856654.7A CN201910856654A CN110453136A CN 110453136 A CN110453136 A CN 110453136A CN 201910856654 A CN201910856654 A CN 201910856654A CN 110453136 A CN110453136 A CN 110453136A
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Abstract

本发明公开了热轧防锈钢筋，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.15～0.20％，Si 0.4～0.6％，Mn 1.05～1.6％，P 0.035～0.045％，S≤0.030％，Cu 0.21～0.55％，Gr 0.3～0.4％，V 0.053～0.12％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明通过对钢水中的有效成分进行调整，提高钢水中铜元素、钒元素的含量，降低铬元素的含量，并合理控制碳元素和锰元素的用量，适度调整硅元素和磷元素用量，在常规国标热轧钢筋生产工艺基础上，既达到了防锈蚀要求，又保证了所生产的防锈热轧钢筋符合GB1499.2标准的化学成分以及物理性能要求。

Description

一种热轧防锈钢筋及其生产方法
技术领域
本发明涉及钢材生产技术领域，具体涉及热轧防锈钢筋及其生产方法。
背景技术
热轧钢筋是一种最常用的建筑材料，广泛使用在民用建筑、桥梁、港口、厂房、堤坝等建设中，通常与混凝土一起配合使用。国内外研究表明，钢筋腐蚀是钢筋混凝土结构破坏的主要机理，钢筋锈蚀后，导致混凝土结构性能的裂化与破坏，主要表现在：①截面积减小，力学性能下降，例如钢筋截面积损失率在1.2％、2.4％、5％时，承载能力分别下降8％、17％、25％；②钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土结合强度下降，不能把钢筋承受的拉伸强度有效传递到混凝土；③钢筋表面锈蚀产物其体积是基体的2～4倍，对混凝土挤压力增大，混凝土保护层在挤压力下拉应力逐渐增大，直至开裂、起鼓、剥落，使钢筋界面与混凝土结合强度迅速下降甚至完全丧失。南京水利科学研究院调查的华南、华东地区27座海港钢筋混凝土结构中，74％因钢筋锈蚀导致结构破坏。日常生产与生活中，人们也常见拆解的钢筋混凝土建筑中钢筋的严重锈蚀现象。钢筋锈蚀已经成为严重威胁我国建筑物与构筑物生命周期的重要影响因素，因此对钢筋的防锈意义重大。
目前存在的钢筋防止锈蚀手段主要有以下几种，第一种，直接采用不锈钢材质生产不锈钢螺纹钢筋，该种方法生产的钢筋防锈效果最好，但是存在成本较高问题；第二种，采用热轧钢筋表面抛丸除锈后，用气体或者静电喷涂环氧树脂等有机防腐蚀材料，该种方法较为常见，也广泛应用与高铁、沿海港口等工程中，钢筋拆捆二次加工喷涂，存在效率偏低与喷涂价格过高问题；第三种，在热轧钢筋上冷床后，在一定温度条件下，通过喷吹双氧水或者含臭氧气雾，是热轧钢筋表面在冷却过程中形成一层致密的Fe3O4反尖晶石结构氧化铁皮保护层，以致密结实的氧化层防止锈蚀，不环保且工作效率低；第四种，热轧钢筋表面通过在线或离线的防锈处理液的浸泽或喷涂，表面抗氧化防锈蚀能力明显加强，在水溶性高效防锈液作防锈处理不用担心被处理产品的表面干燥度，环保型防锈产品尤其重要，防锈工艺容易对车间及周围环境造成影响。上述四种热轧钢筋的防腐属于常见的钢筋防止锈蚀的工艺，普遍存在成本高、效率低、环境污染等缺陷。
申请号201110419677.5公开了耐腐蚀螺纹钢筋及其生产方法，通过调整钢筋钢材化学成分实现耐腐蚀的作用，一方面主要是通过增加铬的用量增加钢筋强度，并达到耐腐蚀的目的，但是通过调节铬用量实现的耐腐蚀、防锈效果差；另一方面需要将硫降到很低，才能达到耐腐蚀的目的，要想大幅度降低硫的含量，对工艺要求很高、难度较大而且不容易实现，必须通过精炼降硫，成本高、不利于生产，生产周期长；同时只能生产牌号为HRB400的热轧钢筋，不能生产力学性能等级高级别的HRB400E、HRB500E、HRB600的热轧钢筋。本发明对HRB400E、HRB500E、HRB600抗震钢筋热轧耐腐蚀钢筋进行了研究，研究的产品具有更好的防锈性能，同时，同样适用于相同力学性能等级低级别HRB400、HRB500热轧防锈钢筋的生产技术要求。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种热轧防锈钢筋其生产方法。本发明仅通过对钢水中的有效成分进行调整，提高钢水中铜元素、钒元素的含量，降低铬元素的含量，并合理控制碳元素和锰元素的用量，适度调整硅元素和磷元素用量，无需将硫元素含量降到很低，即可达到防锈蚀要求和力学性能要求；在对目前热轧钢筋生产工艺不做大调整情况下，仅通过对炼钢工序合金成分的调整，在实现热轧钢筋常规性能的同时，使其防锈蚀能力大幅度提升，经济合理；由于硫元素含量无需降到很低，因此降低了工艺要求，无需精炼工序，工艺难度低且降低了生产成本。
元素的作用
碳：是钢中最重要的成分，对强度的贡献大，同时碳对钢的耐大气腐蚀不利。影响焊接、冷脆和冲压性能。耐腐蚀钢材通常会控制较低的碳含量。
锰：是钢中重要的合金化元素，使钢保持较高的延展性与塑性，锰对锈蚀作用影响很小。
硅：硅与铜、铬、磷配合运用改善钢的耐候性，较高的硅含量有利于细化FeOOH，从而降低钢整体的腐蚀速率。
磷：是提高耐候钢大气腐蚀性能最有效的合金元素之一。研究表明，把P与Cu同时加入钢中可以显示出更好的复合作用，在大气腐蚀条件下，钢中的P是阳极去极化剂，P在钢中能加速钢的均匀溶解和Fe2+的氧化速度，有助于在钢表面形成均匀的FeOOH锈层，促进生成非晶态氧化铁FeOx(OH)3-2x致密保护膜，从而构成了阻止腐蚀介质进入机体的保护屏障。
硫：对锈蚀作用较小。作为主要的夹杂物元素，控制在0.035％以下，含量越低对钢质越好。
铜：是提高耐腐蚀性能最有效的合金元素，作用有两种不同的理论。第一种，阳极钝化，Cu在腐蚀过程中起着活化阴极的作用，在氧到达阴极的速率足够大，而且不存在破坏铁钝化的活性阴离子Cl-等的条件下，可以促使钢材产生阳极钝化；第二种，表面富集，铜在锈层表面富集，铜及其他合金元素富集在锈层内表面(即靠近基体的内锈层中)，提高锈层的致密性和保护性，从而提高耐锈蚀性能。但铜在晶体之间构成晶间作用，容易产生裂纹。
铬：铬对改善钢的钝化能力具有明显效果，研究表明在钢中单独添加铬并不提高耐大气腐蚀性能。如果将铬与合适用量的铜、磷、硅等合金元素匹配加入，合适用量，则能大幅度提高耐腐蚀性能。钢表面含有铬、铜、磷等合金元素，可使α-FeOOH和γ-FeOOH向非晶态转化，形成致密的稳定化锈层。
钒：细晶元素之一，主要通过钒元素在组织形成过程中细化晶粒，提高钢材晶粒度级别，实现钢材屈服抗拉以及冲击韧性等性能的提高。钒元素在钢中与碳、氮元素形成碳氮化钒二相，可以更好的提高钢材强度与韧性性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种热轧防锈钢筋，其钢的化学成分及重量百分比为：C0.15～0.20％，Si 0.4～0.6％，Mn 1.05～1.6％，P 0.035～0.045％，S≤0.030％，Cu 0.21～0.55％，Gr 0.3～0.4％，V 0.053～0.12％，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选的，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.15～0.17％，Si 0.5～0.6％，Mn1.2～1.6％，P 0.040～0.045％、S≤0.025％，Cu 0.35～0.55％，Gr 0.35～0.40％，V0.053～0.11％，其余为Fe及不可避免的杂质。
优选的，其名称牌号包括：HRB400NH、HRB500NH、HRB600NH、HRB400ENH、HRB500ENH、HRB400NHE、HRB500NHE，HRB400NF、HRB500NF、HRB600NF、HRB400ENF、HRB500ENF、HRB400NFE、HRB500NFE，HRB400NFS、HRB500NFS、HRB600NFS、HRB400ENFS、HRB500ENFS、HRB400NFSE、HRB500NFSE，HRB400FX、HRB500FX、HRB600FX、HRB400EFX、HRB500EFX、HRB400FXE、HRB500FXE，HRB400FF、HRB500FF、HRB600FF、HRB400EFF、HRB500EFF、HRB400FFE、HRB500FFE。
其中，HRB400NH、HRB500NH、HRB600NH、HRB400ENH、HRB500ENH、HRB400NHE、HRB500NHE中的“NH”表示为“耐候”；
HRB400NF、HRB500NF、HRB600NF、HRB400ENF、HRB500ENF、HRB400NFE、HRB500NFE中的“NF”表示为“耐腐”；
HRB400NFS、HRB500NFS、HRB600NFS、HRB400ENFS、HRB500ENFS、HRB400NFSE、HRB500NFSE中的“NFS”表示为“耐腐蚀”；
HRB400FX、HRB500FX、HRB600FX、HRB400EFX、HRB500EFX、HRB400FXE、HRB500FXE中的“FX”表示为“防锈”；
HRB400FF、HRB500FF、HRB600FF、HRB400EFF、HRB500EFF、HRB400FFE、HRB500FFE中的“FF”表示为“防腐”。
本发明的第二方面，提供上述热轧防锈钢筋在沿海高盐区域、南方高温高湿区域钢筋混凝土结构工程中应用。
本发明的第三方面，提供上述热轧防锈钢筋的生产方法，包括以下步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；
(2)钢包吹氩；
(3)连铸拉坯；
(4)钢坯加热；
(5)热轧制得防锈钢筋成品。
优选的，步骤(1)中，冶炼时控制冶炼的出钢温度为1635～1660℃。在冶炼时，先进行吹氧脱碳、脱磷、脱硅，再进行脱氧，然后再添加石灰、萤石进行脱硫，最后添加硅锰合金控制钢中硅元素、锰元素含量，添加磷铁调整元素磷含量，添加铜板调整铜元素含量，添加铬铁合金调整钢中铬含量。
优选的，步骤(2)中，钢包吹氩时间大于12min。
优选的，步骤(3)中，连铸机的中包温度为1510-1532℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为2.1～2.5m/min。
优选的，步骤(4)中，钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1070～1230℃。
优选的，步骤(5)中，所述热轧包括初轧、中轧、精轧和终轧，初轧时温度不低于950℃；上冷床前进行终轧，终轧温度为950～1020℃。
优选的，初轧时初轧6道次，中轧时中轧6道次，精轧时精轧4道次。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过对钢水中的有效成分进行调整，提高钢水中铜元素、钒元素的含量，降低铬元素的含量，并合理控制碳元素和锰元素的用量，适度调整硅元素和磷元素用量，在常规国标热轧钢筋生产工艺基础上，既达到了防锈蚀要求，又保证了所生产的防锈热轧钢筋符合GB1499.2标准的化学成分以及物理性能要求，与目前国标热轧钢筋生产以及在建筑工程中的使用功能保持一致。
(2)本发明共同发挥好各元素的协同作用，大幅度提高耐锈蚀能力，一方面包括障碍绣层的生长，推延绣的结晶，障碍裂纹和缺陷等，使热轧钢筋表面氧化层在形成过程中产生稳定细化耐锈蚀的α-FeOOH体；另一方面使钢材锈蚀过程中的α-FeOOH和γ-FeOOH向非晶态转化，形成致密的稳定性锈层保护，从而防止锈蚀进一步向钢材内部发展。
(3)本发明通过合理控制热轧钢筋钢材产品的化学成分，采用全新的化学成分体系，并协同生产方法，以熔炼化学成分为控制目标，精确控制防锈热轧钢筋成品钢材中各成分及各成分含量，保证化学成分、力学性能与内部组织符合使用要求，达到了不同牌号热轧钢筋力学性能要求，同时具有良好的防锈性能，延长了钢筋与相关工程的使用寿命，大大节约了工程维护、加工与翻修成本，属于低成本高效产品，有效的填补国内外市场空白。
(4)本发明生产的防锈热轧钢筋，对维护工程安全、节约资源、环境保护等方面具有明显作用，对国民经济发展具有重大意义。
(5)通过本发明不仅能生产力学性能等级低级别HRB400、HRB500热轧防锈钢筋，还能生产力学性能等级高级别的HRB400E、HRB500E的热轧钢筋。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分介绍的，热轧防锈钢筋的制备中，通过调整钢水中元素成分，使制备的热轧防锈钢筋既符合力学性能要求，又符合耐腐蚀要求，难度很大，且制备的热轧钢筋防锈蚀效果差，同时对制备工艺要求很高。
基于此，本发明的目的是提供热轧防锈钢筋及其生产方法，通过对钢水中的有效成分进行调整，提高钢水中铜元素、钒元素的含量，降低铬元素的含量，并配合合适用量的碳元素和锰元素，适度调整硅元素和磷元素用量，将钢水中各种化学成分合理搭配，在不进行热轧钢筋二次处理提高防锈情况下，有效的提高了钢筋的防锈性能。
本发明生产的热轧防锈钢筋，首先应满足GB1499.2标准要求，同时结合GB4171标准中涉及防锈方面的技术条件，在最常用的HRB400、HRB400E、HRB500、HRB500E、HRB600级别钢筋上试验，达到良好的防锈效果。首先保证主要化学元素的搭配满足GB1499.2标准中要求的化学成分与物理性能要求，在此基础上，合理结合各种防锈作用元素的使用效果，特别是铜、磷、铬、硅在钢筋表面氧化铁层的形成过程中相互作用，首先保证了生产中热轧钢筋表面的氧化铁皮形态、厚度等防锈蚀能力；第二，在环境锈蚀过程中，各元素使产生锈蚀的锈层结构更加致密，难以继续氧化锈蚀，最大限度的保护了内部钢材质量，保证了钢筋的有效截面积。
由于HRB400和HRB500牌号的热轧钢筋的性能要求低于HRB400E和HRB500E牌号的热轧钢筋，如果能生产HRB400E和HRB500E牌号的热轧钢筋，并且其物理性能达到国标要求，必然更能生产HRB400和HRB500牌号的热轧钢筋，并且所生产的HRB400和HRB500牌号的热轧钢筋的性能要求能远超国标要求，因此本发明在实施例中以HRB400E和HRB500E为例，进行性能检测并与相同规格的国标HRB400E以及HRB500E牌号产品进行对比，不再对HRB400和HRB500牌号的热轧钢筋的物理性能进行检测记录。
实施例1：制备Φ25mm规格HBR400E牌号的热轧防锈钢筋
其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.17％，Si 0.54％，Mn 1.26％，P 0.042％，S0.019％，Cu 0.42％，Cr 0.39％，V 0.053％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1645～1660℃。
(2)钢包吹氩；吹氩时间大于12min。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1515-1532℃，中包过热度控制在20～25℃，拉速为2.1～2.5m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1070～1200℃。
(5)热轧制得防锈钢筋成品；所述热轧包括初轧、中轧、精轧和终轧，初轧时温度不低于950℃，初轧时初轧6道次，中轧时中轧6道次，精轧时精轧4道次；上冷床前进行终轧，终轧温度为950～1000℃。
实施例2：制备Φ25mm规格HBR500E牌号的热轧防锈钢筋
其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.17％，Si 0.53％，Mn 1.50％，P 0.041％，S0.015％，Cu 0.44％，Cr 0.38％，V 0.093％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1640～1660℃。
(2)钢包吹氩；吹氩时间大于12min。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1510-1530℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为2.1～2.5m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1130～1230℃。
(5)热轧制得防锈钢筋成品；所述热轧包括初轧、中轧、精轧和终轧，初轧时温度不低于970℃；初轧时初轧6道次，中轧时中轧6道次，精轧时精轧4道次；上冷床前进行终轧，终轧温度为970～1020℃。
实施例3：制备Φ25mm规格HBR600牌号的热轧防锈钢筋
其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.19％，Si 0.53％，Mn 1.57％，P 0.043％，S0.015％，Cu 0.45％，Cr 0.39％，V 0.108％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其生产方法包括下列步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；冶炼时控制冶炼的出钢温度为1635～1655℃。
(2)钢包吹氩；吹氩时间大于12min。
(3)连铸拉坯；连铸机的中包温度为1510-1530℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为2.1～2.5m/min。
(4)钢坯加热；钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1110～1210℃。
(5)热轧制得防锈钢筋成品；所述热轧包括初轧、中轧、精轧和终轧，初轧时温度不低于970℃；初轧时初轧6道次，中轧时中轧6道次，精轧时精轧4道次；上冷床前进行终轧，终轧温度为960～1020℃。
测定各实施例制得的防锈钢筋的屈服强度、抗拉强度、延伸率以及盐雾锈蚀试验，与相同牌号、规格的普通国标钢筋做对比试验。
实施例1、实施例2、实施例3制取的Φ25mm规格防锈热轧钢筋各取拉伸性能试样6支，弯曲6支，反弯试样4支，相同牌号规格的HRB400E、HRB500E以及HRB600普通国标热轧钢筋上分别取相同数量试样做对比试验；取实施例1、实施例2、实施例3制取的热轧防锈钢筋各10支1m试样做168h盐雾锈蚀试验，对比相同数量规格的国标HRB400E、HRB500E以及HRB600牌号产品盐雾锈蚀试验。
测定结果如下表所示：
由上表可知，实施例1-3所制得的热轧防锈钢筋产品，其性能分别满足GB/T1499.2-2018规定的HRB400E、HRB500E、HRB600标准性能要求，钢筋化学成分同时符合标准要求。盐雾试验表明：实施例1增重1.66kg，增重比例4.45％，对比HRB400E增重3.35kg，增重比例8.99％；实施例2增重1.72kg，增重比例4.62％，对比HRB500E增重3.61kg，增重比例9.67％；实施例3增重1.96kg，增重比例5.09％，对比HRB600增重3.76kg，增重比例9.79％。综上盐雾试验表明，本发明实施例防锈性能良好，较对比常规热轧国标钢筋平均减重比例51.19％，同时使用寿命与常规热轧国标钢筋延长2倍以上。
因此本发明通过合理控制热轧钢筋钢材产品的化学成分，采用全新的化学成分体系，并协同生产方法，以熔炼化学成分为控制目标，精确控制防锈热轧钢筋成品钢材中各成分及各成分含量，保证化学成分、力学性能与内部组织符合使用要求，达到了不同牌号热轧钢筋力学性能要求，同时具有良好的防锈性能。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.热轧防锈钢筋，其特征在于，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.15～0.20％，Si0.4～0.6％，Mn 1.05～1.6％，P 0.035～0.045％，S≤0.030％，Cu 0.21～0.55％，Gr 0.3～0.4％，V 0.053～0.12％，其余为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的热轧防锈钢筋，其特征在于，其钢的化学成分及重量百分比为：C 0.15～0.17％，Si 0.5～0.6％，Mn 1.2～1.6％，P 0.040～0.045％、S≤0.025％，Cu0.35～0.55％，Gr 0.35～0.40％，V 0.053～0.11％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的热轧防锈钢筋，其特征在于，其名称牌号包括：HRB400NH、HRB500NH、HRB600NH、HRB400ENH、HRB500ENH、HRB400NHE、HRB500NHE，HRB400NF、HRB500NF、HRB600NF、HRB400ENF、HRB500ENF、HRB400NFE、HRB500NFE，HRB400NFS、HRB500NFS、HRB600NFS、HRB400ENFS、HRB500ENFS、HRB400NFSE、HRB500NFSE，HRB400FX、HRB500FX、HRB600FX、HRB400EFX、HRB500EFX、HRB400FXE、HRB500FXE，HRB400FF、HRB500FF、HRB600FF、HRB400EFF、HRB500EFF、HRB400FFE、HRB500FFE。
4.权利要求1或2所述的热轧防锈钢筋在沿海高盐区域、南方高温高湿区域钢筋混凝土结构工程中应用。
5.权利要求1或2所述热轧防锈钢筋的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)转炉或电炉冶炼；
(2)钢包吹氩；
(3)连铸拉坯；
(4)钢坯加热；
(5)热轧制得防锈钢筋成品。
6.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，步骤(1)中，冶炼时控制冶炼的出钢温度为1635～1660℃。
7.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，步骤(2)中，钢包吹氩时间大于12min。
8.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，步骤(3)中，连铸机的中包温度为1510-1532℃，中包过热度控制在20～30℃，拉速为2.1～2.5m/min。
9.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，步骤(4)中，钢坯加热时，轧钢加热炉温度为1070～1230℃。
10.根据权利要求5所述的生产方法，其特征在于，步骤(5)中，所述热轧包括初轧、中轧、精轧和终轧，初轧时温度不低于950℃；上冷床前进行终轧，终轧温度为950～1020℃。
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