CN110592472A

CN110592472A - 一种高强耐火抗震钢筋及生产方法

Info

Publication number: CN110592472A
Application number: CN201910804021.1A
Authority: CN
Inventors: 周云; 张宇; 麻晗; 陈焕德
Original assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province; Jiangsu Shagang Group Co Ltd
Current assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province; Jiangsu Shagang Group Co Ltd
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2019-12-20

Abstract

本发明公开了一种高强耐火抗震钢筋及生产方法，按重量百分比计C 0.15‑0.20％、Si 0.7‑0.9％、Mn 0.5‑1.0％、Ni+Cr+Mo 0.8‑2.0％中的两种及以上、Nb+V 0.1‑0.25％中的一种及以上，Ti 0.05‑0.15％、B 0.0015‑0.0025％、N≤0.003％、O≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质；LF白渣精炼5min后加入铌铁、钒铁和钛铁包芯线进行合金化，LF精炼出钢时钢液中自由氧范围在30‑50ppm，连铸中间包温度为1525‑1555℃，拉速为2.8‑3.0m/min，二冷比水量为2.1‑2.4L/kg；开轧温度1000‑1080℃，上冷床温度900‑990℃；制得的热轧钢筋成品的室温屈服强度≥650MPa，屈强比≤0.8，断后延伸率≥17％，均匀延伸率≥10％，600℃高温下屈服强度≥435MPa。

Description

一种高强耐火抗震钢筋及生产方法

技术领域

本发明属于高强钢筋生产领域，具体涉及一种高强耐火抗震钢筋及生产方法。

背景技术

当前我国的建筑仍然以钢筋混凝土为主，其中，带肋钢筋在建筑用钢中的消费量最大。随着高层、大跨度、抗震、耐低温及耐火等多功能建筑结构的出现，建筑用钢尤其是建筑用钢筋的性能和质量已成为建筑业衡量建筑物是否安全可靠，能否保证建筑物设计寿命的重要参数；而高层建筑物火灾的发生，对人的生命安全和财产造成重大威胁和损失，人们逐步认识到建筑钢筋的耐火性能对于建筑物安全的重要性。

根据GB50016-2014《建筑设计防火规范》的规定，建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的非单层厂房、仓库和其他民用建筑，建筑高度增加后，建筑的耐火问题直接关系到人身财产安全。GB/T28415-2012规定，耐火钢 600℃的高温屈服强度必须不低于室温标准屈服强度的2/3。日本钢结构安全设计规范中规定，常温下钢材屈服强度的2/3相当于该材料的长期允许应力值。根据标准火灾时间温度曲线，火灾发生后30分钟温度可达到800℃，60钟可接近 1000℃。由于普通建筑用钢在温度达到600℃时，屈服强度明显下降，不到室温状态下屈服强度的1/2，因此，普通钢结构建筑在火灾面前容易出现灾难性后果，而耐火钢的屈服点仍然能保持不低于室温标准屈服强度的2/3，保证了建筑物在高温下的安全性能。

专利CN 102796961 A涉及一种混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋，经过钢水冶炼与浇涛、钢坯开轧温度为930-980℃，精轧温度为800-850℃，随后控冷至钢材温度达到680-720℃。较低温度的控轧控冷对轧机要求较高，需要使用高负荷轧制设备，目前多数钢筋生产线不具备生产该类产品的工艺条件。另外采用低温轧制方法生产的钢筋虽然在钢筋强度上有提高，但低温轧制容易产生变形不均匀，导致性能不均匀、塑性降低。

专利CN 109097682 A及CN 104032234 A均涉及耐火钢筋及其生产方法，通过合金成分设计及轧制过程控制来生产耐火钢筋，但所述耐火钢筋的常温屈服强度在456-645MPa，远未达到650MPa级，不能满足目前及日后高强建筑钢筋对于耐火性能的需求。

专利CN 105543704 A涉及到一种采用Cr、Mo、Nb、Ti、Ni、V复合合金化设计并结合控制轧制生产的高强耐火钢板，但该钢板需经热处理后才能达到所需性能，生产控制过程复杂，并且生产成本偏高。

综上，目前针对耐火钢筋，常温屈服强度≥650MPa，600℃高温屈服强度≥435MPa，并且满足综合抗震需求的钢筋及生产方法仍未见报道。

发明内容

本发明属于高强钢筋生产领域，具体涉及一种650MPa级抗大变形钢筋及生产方法，采用Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti复合添加的成分设计体系，制得的热轧钢筋成品的室温屈服强度≥650MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥17％，均匀延伸率≥10％，600℃高温下屈服强度≥435MPa。该创新点属于材料科学领域，具体属于金属材料成分设计领域。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种高强耐火抗震钢筋及生产方法，其成分按重量百分比计，C 0.15-0.20％、 Si0.7-0.9％、Mn 0.5-1.0％、Ni+Cr+Mo 0.8-2.0％中的两种及以上、Nb+V 0.1-0.25％中的一种及以上，Ti 0.05-0.15％、B 0.0015-0.0025％、N≤0.003％、O≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，Ti与N还需满足：3≤Ti/(10×N)≤5。

进一步的，碳当量Ceq≤0.58％，Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。

进一步的，Ni+Cr+Mo 1.3-2.0％中的两种及以上、Nb+V 0.19-0.25％中的一种及以上，Ti 0.09-0.15％、B 0.0019-0.0025％。

一种高强耐火抗震钢筋及生产方法，包括转炉冶炼、LF精炼、连铸轧制、冷床冷却；LF白渣精炼5min后加入铌铁、钒铁和钛铁包芯线进行合金化，LF 精炼出钢时钢液中自由氧范围在30-50ppm；连铸中间包温度为1525-1555℃，拉速为2.8-3.0m/min，二冷比水量为2.1-2.4L/kg。

进一步的加热炉均热温度在1220-1280℃，保温时间50-60min，开轧温度 1000-1070℃，上冷床温度900-990℃。

进一步的，制得的热轧钢筋成品的室温屈服强度≥650MPa，屈强比≤0.8，断后延伸率≥17％，均匀延伸率≥10％，600℃高温下屈服强度≥435MPa。

本发明的核心技术在于采用Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti复合添加的成分设计体系，通过综合的合金强化手段，结合炼钢及轧钢工艺设计，实现耐火钢筋，常温屈服强度≥650MPa，600℃高温屈服强度≥435MPa，并且满足综合耐火及抗震需求。

本发明其他合金元素的设计原则：

C：作为钢材中的重要合金元素之一，可固溶在钢中有效提高其屈服强度和抗拉强度，直接影响钢筋的强度，价格低廉，同时可与钢中的钒、钼结合，形成碳氮化物，提高基体的常温强度及耐火强度。本发明采用低碳设计，兼顾强度方面考虑，该钢中的C含量控制在0.15-0.20％之间。

Si：在炼钢中是脱氧元素，亦可通过固溶强化提高强度，但有损材料的焊接性及韧性，需控制其含量范围为0.7-0.9％

Mn：不仅能扩大微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出，同时防止在铸坯中的偏析倾向增加而对焊接性能造成的不利，综合考虑，将其含量总和控制在0.5-1.0％。

Mo，Cr、Ni：Mo元素在耐火钢一方面起到中文高温固溶强化的作用，且髙温强度增加十分明显，使YS比(高温屈服强度与低温屈服强度比)上升。同时Mo元素在钢中起到一定的析出强化效果，其析出物中细小的MoC对钢的高温强度具有突出贡献；Cr可以有效地提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能，可以有效地提高钢的高温强度，另外，Cr，Mo等合金元素会增加钢的淬透性，适量的Cr也促进了钢筋表面形成进一步的钝化膜，且与Mo起到复合作用，更易于提高钢的耐火性能；Ni能载提高强度的同时改善其低温韧性，同时保证良好的焊接性能。综合效果与成本考虑，将Ni+Cr+Mo范围控制在0.8-2.0％。

Nb、V：耐火钢的另一个主要强化方式是碳化物的析出强化作用，微合金化元素Nb，V，Ti析出物具有良好的高温稳定性，对提高钢的高温强度会产生有益的影响。Nb一方面具有细晶强化作用，同时配合工艺参数可以实现贝氏体第二相强化，具有优良的强韧综合性能，另一方面，Nb能够重点提高氮化钒沉淀析出的强化效果，此外，与Mo复合加入，能够显著提高Mo钢的高温强度，但过量添加，有损母材韧性及HAZ韧性。V作为析出强化作用元素，适量添加可形成 V(C,N)弥散分布于钢中，能够在轧制过程中析出纳米级V(C,N)化合物，增加铁素体形核点，阻止铁素体晶粒长大，具有明显的析出沉淀强化的效果，提高强度的同时可有效阻止焊接热影响区奥氏体晶粒的长大，提高韧性，但过量添加会导致钢焊接裂纹敏感性的增加。综合考虑Nb+V总量控制在0.1-0.25％。

Ti：添加0.05-0.15％的Ti。能在提高强度的同时，大幅度提高钢板焊接热影响区的低温韧性，并且能够有效固定钢液中的氧、氮含量，保证B元素的收得率，

B：本发明控制B范围为0.0015-0.0025，强烈偏聚于晶界而显著提高淬透性。 B的含量可以根据强度级别进行适量添加，对于强度级别较低、C含量较高的耐火钢，可以不特意加入。对于强度级别较高、C含量较低的耐火钢，通常可以加入0.0010-0.0020％，过量的硼将产生含B析出相，带来不利影响，因此B含量控制在0.0015-0.0025％。

此外，为保证钢筋具有较好的焊接工艺性，将Ceq设计为≤0.58％。

本发明炼钢工艺设计原则：

由于目标成分中含有较多的微合金化元素铌、钒、钛、硼元素，控制LF白渣精炼5min后加入铌铁、钒铁和钛铁包芯线进行合金化，LF精炼出钢时钢液中自由氧范围在30-50ppm，随后进行硼元素合金化，一方面控制保证元素收得率，另一方面减少合金加入过程的钢水飞溅，便于精细化现场控制；由于钢中 Cr、Ni、Mo等合金元素较多，钢水流动性较一般低合金钢较差，控制连铸时中间包温度为1525-1555℃，保证了合金元素均匀性的同时兼顾了钢水的流动性，控制拉速为2.8-3.0m/min，二冷比水量为2.1-2.4L/kg，保证连铸表面及心部质量。

本发明轧钢工艺设计原则：

为充分发挥微合金化元素的固溶强化和析出强化作用，同时综合考虑元素的细晶强化作用，结合生产线特点，发挥控轧控冷对强度与塑性的综合作用，采用适当较高的均热温度，适当采用较低的开轧温度及上冷床温度，因此控制加热温度范围在1220-1280℃，保温时间50-60min；控制开轧温度1000-1070℃，为上冷床温度900-990℃。

依照上述方法可获得一种650MPa及以上抗大变形钢筋，在重大防护工程等建筑结构以提高应对自然灾害、外部破坏的安全等级方面优势明显，同时可降低钢筋消耗量，优化结构设计。

通过创新型合金成分设计，同现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1、利采用Ni、Cr、Mo与Nb、V、Ti、B复合添加的成分设计，室温屈服强度≥650MPa，600℃高温屈服强度≥435MPa；

2、针对超高强抗震钢筋屈强比≤0.80，断后延伸率≥17％，均匀延伸率≥10％，强度余量充足且具有良好的塑性变形及抗震能力；

3、碳当量≤0.58％，确保了冷弯、焊接等加工应用性能提升；

4、生产工艺贴合常规螺纹钢产线特点，有利于简化工艺，控制成本。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1-9以及比较例1-4的具体成分见表1，采用转炉/电炉冶炼+小方坯连铸+冷床冷却的短流程生产工艺，实施例1-9按照以下工艺流程生产：

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照权利要求书中的成分范围以及元素比例关系进行冶炼，LF白渣精炼5min后加入铌铁、钒铁和钛铁包芯线进行合金化， LF精炼出钢时钢液中自由氧范围在30-50ppm；连铸中间包温度为1525-1555℃，拉速为2.8-3.0m/min，二冷比水量为2.1-2.4L/kg，浇注成横截面150mm×150mm 小方坯。

(2)轧钢及加热工序中，小方坯加热温度为1220-1280℃，开轧温度 1000-1070℃，上冷床温度900-990℃，在冷床上自然冷却。

实施例1-9以及比较例1-4的力学性能对比见表2。

由表1及表2可见，与对比例相比，在采用本发明技术方案的实施例中，用Ni、Cr、Mo、Nb、V、Ti、B复合添加的成分设计体系，屈服强度≥650MPa，屈强比≤0.80，最大力延伸率≥10％，强度余量充足，600℃高温屈服强度≥ 435MPa，具有突出耐火及抗震能力，远优于对比例。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

表1实施例化学成分(重量百分比，wt，％)

表2实施例力学性能

Claims

1.一种高强耐火抗震钢筋，其特征在于：按重量百分比计，C 0.15-0.20％、Si 0.7-0.9％、Mn 0.5-1.0％、Ni+Cr+Mo 0.8-2.0％中的两种及以上、Nb+V 0.1-0.25％中的一种及以上，Ti 0.05-0.15％、B 0.0015-0.0025％、N≤0.003％、O≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高强耐火抗震钢筋，其特征在于：按重量百分比计，Ti与N需满足：3≤Ti/(10×N)≤5。

3.根据权利要求1所述的一种高强耐火抗震钢筋，其特征在于：碳当量Ceq≤0.58％，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。

4.根据权利要求1所述的一种高强耐火抗震钢筋，其特征在于：按重量百分比计，Ni+Cr+Mo 1.3-2.0％中的两种及以上、Nb+V 0.19-0.25％中的一种及以上，Ti 0.09-0.15％、B0.0019-0.0025％。

5.一种如权利要求1、2、3或4所述的高强耐火抗震钢筋及生产方法，包括转炉冶炼、LF精炼、连铸轧制、冷床冷却，其特征在于：LF白渣精炼5min后加入铌铁、钒铁和钛铁包芯线进行合金化，LF精炼出钢时钢液中自由氧范围在30-50ppm；连铸中间包温度为1525-1555℃，拉速为2.8-3.0m/min，二冷比水量为2.1-2.4L/kg。

6.根据权利要求5所述的一种高强耐火抗震钢筋及生产方法，其特征在于：加热炉均热温度在1220-1280℃，保温时间50-60min，开轧温度1000-1070℃，上冷床温度900-990℃。

7.根据权利要求书6所述的高强耐火抗震钢筋及生产方法，其特征在于：制得的热轧钢筋成品的室温屈服强度≥650MPa，屈强比≤0.8，断后延伸率≥17％，均匀延伸率≥10％，600℃高温下屈服强度≥435MPa。