CN113832321A - 一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋及其生产方法 - Google Patents

一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋及其生产方法，属于耐蚀钢及其生产工艺技术领域。本发明采用超低C、中Cr的成分设计，适量添加Nb微合金化元素，利用其细晶强化、固溶强化的作用，来弥补大幅降C带来的强度损失；同时添加适量的Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素提高耐蚀性能，及适量的Al在钢表面形成AlN钝化膜，提高耐蚀性能，钢筋的耐海水腐蚀能力是普通HRB400钢筋的5倍及以上。本发明还提供了该钢种的生产方法，包括铁水预处理脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空脱气、150方坯连铸、棒材轧机轧制等步骤，工艺简单，适合大工业生产及推广应用。随着我国对南海岛礁等开发，本发明钢筋具有良好的市场前景。

Description

一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋及其 生产方法
技术领域
本发明属于耐蚀钢筋及其生产工艺技术领域，尤其涉及一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋及其生产方法。
背景技术
目前我国正在加快海洋岛礁的开发和建设，取得了世人瞩目的成绩，如永兴岛的开发面积达到了2.6平方公里，在规模上完全等同于一个小型城市，美济岛在的面积也达到6平方公里。机场、港口等大量基础设施也在这些岛礁上快速完成，现在相关岛礁已经完全具备了服务经济建设、服务海上航运的作用。但由于岛礁处于高温、高湿、盐雾的严酷腐蚀环境，普通HRB400钢筋锈蚀严重，建筑物使用寿命较低。为了满足我国对岛礁开发、建设的需要，对高屈服强度、高耐蚀性能钢筋的研发迫在眉睫。
为了提高钢筋的耐蚀性能，国内开展了耐蚀钢筋的研究。公开号为CN107099734A的中国专利公开了“一种海洋建筑结构用耐蚀钢筋及其制造方法”，其成分按重量百分比为：C：0.12％～0.22％，Si：0.25％～0.70％，Mn：0.50％～0.80％，P：≤0.012％，S：≤0.012％，Cr：0.65％～1.20％，V：0.06％～0.12％，N：0.013％～0.017％，余量为Fe及不可避免的杂质。该方法在添加了耐腐蚀性元素Cr的基础上，添加V、N等元素，通过加入合金元素使钢筋组织细化并提高其淬透性，同时通过在冶炼过程中采用电磁搅拌、轻压下等方式降低铸坯的偏析、疏松和缩孔，结合轧制及冷却工艺控制，生产出具有良好力学性能及耐腐蚀性的耐蚀钢筋，但其耐蚀性能明显不足，腐蚀速率为400～480um/年，与碳钢的腐蚀速率基本相当。
公开号为CN108588581A的中国申请公开了“一种海洋混凝土结构用高强耐蚀铁素体/贝氏体双相钢筋及其制备方法”，采用铁素体/贝氏体双相显微组织，其中贝氏体所占比例为50％～60％，钢筋的化学成分重量百分比含量为：C：0.015％～0.020％，Si：0.45％～0.55％，Mn：1.1％～1.5％，Cr：10.5％～11.2％，Ni：1.0％～1.5％，Mo：0.8％～0.95％，V：0.03％～0.06％，该发明同样通过多元素复合合金化设计，通过添加合适的Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素，并结合钢筋成型中的控轧控冷以获得，但较多的贝氏体含量影响钢筋的延伸性能，不宜在工程中推广应用，另外较多的Ni、Mo含量也增加了生产、应用成本。
公开号为CN109666852A的中国专利公开了“一种海洋建筑结构用500MPa级带肋不锈钢筋的生产方法”，所制得的不锈钢筋的屈服强度在500MPa以上，PREN值范围分别为32～35，耐氯离子腐蚀能力强，屈强比≥1.2，其生产方法是采用含有Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素的2205钢坯，依次经过修磨—加热—轧制—在线固溶—酸洗钝化等工艺，该生产工艺复杂，国内大多钢厂不具备在线固溶—酸洗钝化等生产设备，不利于批量推广应用。
发明内容
1.发明目的
本发明目的在于提供一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋及其生产方法，其生产工艺稳定、可靠，适合大工业生产，钢筋屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，断后伸长率A≥15％，有良好的耐海水腐蚀性能，采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能，耐蚀钢筋与普通HRB400钢筋的相对腐蚀率≤20％，耐蚀性能是普通HRB400钢筋的5倍及以上。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明提供了一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋，按重量百分比计算，化学成分为：C：≤0.03％，Si：0.30％～0.50％，Mn：0.80％～1.00％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Nb：0.025％～0.045％，Cr：8.0％～10.0％，Ni：0.35％～0.55％，Mo：0.80％～1.00％，Al：0.025％～0.035％，N：0.006％～0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且满足：0.15×Nb％/C％≥0.22，且Al％/N％≥3.5，以保证钢具有足够的强韧性。其中：
0.15×Nb％/C％≥0.22，0.15为Nb和C的原子分数比值，通过保证其比值，使得Nb在钢中析出充分的碳化物，从而得到足够的强韧性；
Al％/N％≥3.5，从而使得Al和N充分结合，细化组织，在提高钢强度的同时得到足够的延伸率。
上述钢筋力学性能达到：屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，断后伸长率A≥15％。
本发明中合金元素的作用如下：
C：C是钢中强化元素，能显著提高钢的强度，但随含量的增加会降低钢的耐蚀性能，本发明C含量控制在≤0.03％。
Si：可在钢表面形成以硅酸盐为主的保护膜，能提高钢耐坑蚀能力，但Si含量过高会影响钢的塑性指标，本发明Si含量控制在0.30～0.50％。
Mn：能提高钢的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，但Mn含量较高时会降低钢的耐点蚀、缝隙腐蚀性能，本发明Mn含量控制在0.80％～1.00％。
P：在海洋环境下，P将导致氧浓差电流增大，影响钝化膜的形成和愈合，影响耐蚀性能，本发明P含量控制在≤0.010％。
S：是杂质元素，降低钢的耐蚀性能，在钢中与锰形成MnS夹杂，对产品组织和性能的均匀性有害，本发明S含量控制在≤0.010％。
Nb：在钢中生成碳氮化物，主要起细晶强化、固溶强化的作用，在提高强度的同时，因为晶粒较细，还可提高耐蚀性能，一般Nb在钢中的含量为0.05％以下，大于0.05％时强化效果无明显增加，本发明Nb含量控制在0.025％～0.045％。
Cr：Cr是一种对钢耐蚀性能影响很大的元素，它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，可以细化锈层中α-FeO(OH)的晶粒，能有效抑制腐蚀性阴离子、特别是Cl-离子的侵入；同时，它还可以阻止锈层在干湿交替过程中干燥时的还原，提高钢的耐候性，本发明Cr含量控制在8.0％～10.0％。
Ni：可以降低钢的自腐蚀电位，使钢的自腐蚀电位正移，增加稳定性；同时，Ni容易在锈层中积聚，可以在一定程度上抵御Cl-的侵蚀，促进保护性锈层的生成，从而降低钢的腐蚀速度，本发明Ni含量控制在0.35％～0.55％。
Mo：能降低钢表面钝化膜中的缺陷浓度，使钢表面生成致密、牢固的钝化膜，显著提高钢的耐蚀性能、尤其是耐氯离子点蚀性能，本发明Mo含量控制在0.80％～1.00％。
Al：Al在钢中和氮结合，有效细化钢的晶粒，提高钢的强韧性；同时Al在钢的表面形成致密的AlN保护膜，能有效阻止钢基体与腐蚀介质之间的相互作用，抑制钢的进一步腐蚀，本发明Al含量控制在0.025％～0.035％。
N：N主要是与钢中的铝形成细小的析出相，提高钢的强韧性，但过度的N在钢中析出Fe4N，扩散速度慢，导致钢产生时效性，控制N含量在0.006％～0.008％。
本发明还提供了上述高耐蚀钢筋及其生产方法，包括：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→RH真空处理→150方坯连铸→棒材轧机轧制。
优选地，上述步骤具体操作要点如下：
(1)铁水预处理：经预处理脱硫，脱硫目标值S≤0.005％；
(2)转炉冶炼：转炉终点C≤0.03％，P≤0.005％；挡渣出钢，出钢约1/5钢水时加入精炼渣和石灰，出钢约1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：脱氧剂→低碳FeMn→FeSi→脱氧剂，出钢约3/4时，加入铝饼，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒；
(3)LF炉精炼：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R3-7，白渣时间≥15分钟，根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb含量；
(4)RH真空脱气：真空前期，如真空度≤100帕，则真空保持时间≥10分钟，如真空度≤200帕，则真空保持时间≥15分钟，如真空度>200帕，则停止生产；真空后期保持时间≥10分钟；根据真空前期成分分析结果，如果需要在中期进行成分调整，则调整后必须保证15分钟以上的真空保持时间；破真空后进行喂铝线处理；与现有先RH精炼再LF炉处理不同，先采用LF炉精炼，后再RH真空处理，能实现脱碳保铬的目的，如LF炉精炼在后，因为合金中含碳，铬将氧化损失。
(5)150方坯连铸：采用全程保护浇铸，一次冷却水流量100～130m3/h，二次冷却比水量1.0～1.4l/kg，获得无缺陷铸坯；
(6)棒材轧机轧制：加热温度控制在1150～1250℃，开轧温度控制在1000～1100℃，轧后采用较慢的冷却速度，上冷床温度控制在900～950℃。
优选地，步骤(6)中，轧后采用较慢的冷却速度，避免产生大量的马氏体组织，保证钢的强韧性能。更进一步地，冷却速度为1～5℃/min。
3.有益效果
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本发明的高耐蚀钢筋，在超低碳钢的基础上通过适量添加Nb微合金化元素并结合控轧控冷工艺，形成高耐蚀钢筋，其力学性能为屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，断后伸长率A≥15％；采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能，耐蚀钢筋的相对腐蚀率≤20％，其耐海水腐蚀性能是HRB400普通钢筋的5倍及以上。
(2)本发明的高耐蚀钢筋，采用超低C、中Cr的成分设计，避免形成Cr的碳化物，提高Cr的固溶量，保证耐蚀性能；另外降C还能减少淬透性，避免热轧后出现大量马氏体而影响钢的韧性；中Cr成分可以大幅提高钢的性价比，在保证耐蚀性能的条件下降低成本，有利于推广使用。
(3)本发明的高耐蚀钢筋，通过适量添加Nb微合金化元素，利用其细晶强化、固溶强化的作用，来弥补大幅降C带来的强度损失，同时还可以保持韧性；此外，添加适量的Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素，及适量的Al在钢表面形成钝化膜，提高耐蚀性能。
(4)本发明的高耐蚀钢筋生产方法，包括铁水预处理脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空脱气、150方坯连铸、棒材轧机轧制，与现有先RH精炼再LF炉处理不同，先采用LF炉精炼，后再RH真空处理，能实现脱碳保铬的目的，如LF炉精炼在后，因为合金中含碳，铬将氧化损失。此外，对设备要求低、生产工艺简单，适合大工业生产及推广应用，随着我国对南海岛礁等开发，本发明钢筋具有良好的市场前景。
(5)本发明的高耐蚀钢筋及其生产方法，将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合，在获得高强韧性能的同时，获得优异的耐海水腐蚀性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1-6
本发明实施例1-6的高耐蚀钢筋的化学成分见表1。
表1实施例的高耐蚀钢筋的化学成分(％)
Figure BDA0003233165670000051
本发明实施例1-6的高耐蚀钢筋的生产方法，包括炼钢工艺(见表2)及轧钢工艺(见表3)。
表2实施例的高耐蚀钢筋的炼钢工艺
Figure BDA0003233165670000052
表3实施例的高耐蚀钢筋的轧钢工艺
Figure BDA0003233165670000061
本发明实施例的高耐蚀钢筋的力学性能见表4。
表4实施例的高耐蚀钢筋的力学性能
Figure BDA0003233165670000062
其中：ReL为屈服强度；Rm为抗拉强度；A为5d标距下的断后延伸率(d为钢筋公称直径)。
采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能，具体方法为：
周浸腐蚀试验的试验溶液为3.5％的NaCl溶液，溶液温度为35±2℃，干燥温度为45±2℃，湿度为30±2℃。每一循环周期为60±5min，其中浸润12±2℃，暴露48±2℃。试验周期2、3、6、9、12天；每个周期内取平行试样3组。
本发明实施例的高耐蚀钢筋的耐蚀性能见表5。
表5实施例的高耐蚀钢筋的耐蚀性能
Figure BDA0003233165670000063
耐蚀钢筋的相对腐蚀率为13.98～19.94％，耐蚀性能是普通HRB400钢筋的5倍及以上。相对腐蚀率＝耐蚀钢筋的腐蚀率/对比钢筋(HRB400)的腐蚀率×100％。
对比例：
本发明对比例1-3的化学成分见表6。
表6对比例钢筋的化学成分(％)
Figure BDA0003233165670000071
本发明对比例1-3的钢筋的生产方法，包括炼钢工艺(见表7)及轧钢工艺(见表8)。
表7对比例1-3的钢筋的炼钢工艺
Figure BDA0003233165670000072
表8对比例1-3的钢筋的轧钢工艺
Figure BDA0003233165670000073
本发明对比例1-3的钢筋的力学性能见表9。
表9对比例的力学性能
Figure BDA0003233165670000074
其中：ReL为屈服强度；Rm为抗拉强度；A为5d标距下的断后延伸率(d为钢筋公称直径)。
由表9可知，不满足(1)0.15×Nb％/C％≥0.22；(2)Al％/N％≥3.5条件的钢筋，其屈服强度小于500MPa，不满足要求。

Claims (10)

1.一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋，按重量百分比计算，化学成分为：C：≤0.03％，Si：0.30％～0.50％，Mn：0.80％～1.00％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，Nb：0.025％～0.045％，Cr：8.0％～10.0％，Ni：0.35％～0.55％，Mo：0.80％～1.00％，Al：0.025％～0.035％，N：0.006％～0.008％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且满足：
(1)0.15×Nb％/C％≥0.22；
(2)Al％/N％≥3.5。
2.根据权利要求1所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋，其特征在于，所述钢筋力学性能为：屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，断后伸长率A≥15％。
3.权利要求1或2所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)铁水预处理；(2)转炉冶炼；(3)LF炉精炼；(4)RH真空处理；(5)150方坯连铸；(6)棒材轧机轧制。
4.根据权利要求3所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(1)中：经预处理脱硫，脱硫目标值S≤0.005％。
5.根据权利要求4所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(2)中：转炉终点C≤0.03％，P≤0.005％；挡渣出钢，出钢约1/5钢水时加入精炼渣和石灰，出钢约1/3时，加入脱氧剂和合金，顺序为：脱氧剂→低碳FeMn→FeSi→脱氧剂，出钢约3/4时，加入铝饼，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
6.根据权利要求5所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(3中：钢包全程底吹氩，氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准；加入预熔型精炼渣、石灰造渣，碱度R3-7，白渣时间≥15分钟，根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Nb含量。
7.根据权利要求6所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(4)中：真空前期，如真空度≤100帕，则真空保持时间≥10分钟，如真空度≤200帕，则真空保持时间≥15分钟，如真空度>200帕，则停止生产；真空后期保持时间≥10分钟；根据真空前期成分分析结果，如果需要在中期进行成分调整，则调整后必须保证15分钟以上的真空保持时间；破真空后进行喂铝线处理。
8.根据权利要求7所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(5)中：采用全程保护浇铸，一次冷却水流量100～130m3/h，二次冷却比水量1.0～1.4l/kg，获得无缺陷铸坯。
9.根据权利要求8所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(6)中：加热温度控制在1150～1250℃，开轧温度控制在1000～1100℃，上冷床温度控制在900～950℃。
10.根据权利要求9所述的一种500MPa级海洋岛礁混凝土工程用铝处理高耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，步骤(6)中：轧后冷却速度为1～5℃/min。
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