CN113846264B

CN113846264B - 一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法

Info

Publication number: CN113846264B
Application number: CN202110993659.1A
Authority: CN
Inventors: 汪开忠; 于同仁; 郭湛; 张晓瑞; 杨应东; 胡芳忠; 余良其; 宋祖峰; 姜婷; 丁雷; 尹德福; 龚梦强; 饶添荣; 袁月
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2022-08-19
Anticipated expiration: 2041-08-27
Also published as: CN113846264A

Abstract

本发明公开了一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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。本发明在超低碳钢的基础上，通过V微合金化并结合控轧控冷工艺，形成铁素体、贝氏体、马氏体的组织，力学性能达到HRB500钢筋的要求，并通过加入Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素提高耐蚀性能，同时加入Sn，在钢筋表面形成致密的钝化膜，进一步提高钢筋耐海水腐蚀能力，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，工艺简单不复杂，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

一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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，尤其涉及一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法。

背景技术

为指导我国海洋岛礁工程建设，国家***颁布《生态岛礁工程建设指南》，提出生态岛礁建设的主题，要求加快开展生态岛礁工程建设，维护国家海洋权益，保护和修复海岛生态环境，创新海岛开发利用模式，创造优良的海岛生态、生产、生活空间与条件，打造生态健康、环境优美、人岛和谐、监管有效的生态岛礁。而海洋岛礁的建设离不开钢筋混凝土材料。由于岛礁往往处于高温、高湿、盐雾等严酷的腐蚀环境下，建筑工程普遍存在由于钢筋的锈蚀而引起混凝土开裂、建筑倒塌等严重问题，采用普通HRB400钢筋的建筑工程一般使用寿命不超过10年，严重影响我国生态岛礁工程建设的推进。因此，我国海洋岛礁建设迫切需要性能优良、成本不高的高屈服强度、高耐蚀钢筋建筑材料。

目前，提高钢筋耐蚀性能的途径主要有两种方式，一种是涂层，另一种是添加合金元素来提高基体的耐蚀性，这种添加合金元素的方式是最为经济和便捷的一种方法，其主要工艺是通过添加Cr、Ni、P、Mo等合金元素，产生致密的内锈层，阻滞腐蚀的进一步扩大。

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。在添加了耐腐蚀性元素Cr的基础上，同时添加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400～480μm/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含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法，该生产方法工艺简单、稳定、可靠，适合大工业生产，生产的钢筋屈服强度R_eL≥500MPa，抗拉强度R_m≥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，其与普通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：

本发明提供一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋，按重量百分比计算，化学成分为：C：0.02％～0.05％，Si：0.20％～0.40％，Mn：0.70％～0.90％，P：≤0.010％，S：≤0.010％，V：0.04％～0.06％，Cr：8.0％～10.0％，Ni：0.45％～0.65％，Mo：0.70％～0.90％， Sn：0.015％～0.025％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且满足：

(1)500≥A＝[Cr％]/[C％]≥200；采用超低C、中Cr的成分设计，一方面保证Cr的固溶量，避免形成Cr的碳化物，导致轧制后出现大量马氏体而影响钢的韧性；另一方面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，保证耐蚀性能，因此500≥A＝[Cr％]/[C％] ≥200；此外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；

(2)B＝1.0×(Cr％)+1.5×(Ni％+Mo％)+2.0×(Sn％)≥10.0％；添加满足(2)的适量的Cr、 Ni、Mo等耐蚀合金元素，及适量的Sn在钢表面形成钝化膜，保证耐蚀性能。

上述钢筋力学性能达到：屈服强度R_eL≥500MPa，抗拉强度R_m≥630MPa，断后伸长率A ≥15％。

本发明中各合金元素的作用如下：

C：钢中廉价的强化元素，能显著提高钢的强度，但含量的增加会降低钢的耐蚀性能，本发明C含量控制在0.01％～0.05％。

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0.20％～0.40％。

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0.70％～0.90％。

P：在Cu存在的情况下，对耐大气腐蚀有一定的好处，但在海洋环境下，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，严格控制钢中杂质元素P的含量，减少晶界偏析，防止晶间腐蚀和晶界脆化，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，严格控制钢中杂质元素S的含量，减少晶界偏析，防止晶间腐蚀和晶界脆化，本发明S含量控制在≤0.010％。

V：主要形成V(C，N)化合物，起析出强化、细晶强化的作用，来弥补大幅降C带来的强度损失，同时还可以保持韧性，但V含量过高会降低材料塑性且增加成本，本发明V含量控制在0.04％～0.06％。

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：可以提高钢的自腐蚀电位，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0.45％～0.65％。

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0.70％～0.90％。

Sn：在钢的表面形成致密的SnO₂氧化物保护膜，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Sn含量控制在0.015％～0.025％。

本发明还提供了上述钢筋的生产方法，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。

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时加完；

(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、Sn、V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；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1050～1150℃，开轧温度控制在950～1050℃，上冷床温度控制在850～900℃。

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)本发明提供的高屈服强度和高耐蚀钢筋，在超低碳钢的基础上通过添加V微合金化并结合控轧控冷工艺，形成铁素体、贝氏体、马氏体的组织，其力学性能为屈服强度R_eL≥500MPa，抗拉强度R_m≥630MPa，断后伸长率A≥15％，达到GB/T 1499.2中HRB500钢筋的要求；同时通过加入Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素提高耐蚀性能，同时通过加入Sn，在钢筋表面形成致密的SnO₂钝化膜，进一步提高钢筋耐海水腐蚀能力，钢筋的耐海水腐蚀能力是普通HRB400钢筋的5倍及以上。

(2)本发明提供的的高屈服强度和高耐蚀钢筋，，其中500≥A＝[Cr％]/[C％]≥200，一方面保证Cr的固溶量，避免形成Cr的碳化物，导致轧制后出现大量马氏体而影响钢的韧性；另一方面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，保证耐蚀性能；此外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，本方法对设备要求低、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。

(4)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。

附图说明

图1是实施例1中编号5的高耐蚀钢筋放大500倍的金相组织，其中：白色是铁素体，灰色是马氏体，黑色是贝氏体。

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

本实施例提供含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋，共有六种，其具体化学成分见表1。

本发明实施例的熔炼化学成分见表1。

表1含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋化学成分(％)

根据A＝[Cr％]/[C％]；B＝1.0×(Cr％)+1.5×(Ni％+Mo％)+2.0×(Sn％)计算可知，

编号1：A＝323；B＝12.0％；

编号2：A＝283；B＝10.7％；

编号3：A＝500；B＝12.1％；

编号4：A＝230；B＝11.0％；

编号5：A＝200；B＝12.2％；

编号6：A＝400；B＝10.0％。

实施例2

本实施例提供实施例1中高耐蚀钢筋及普通HRB400钢筋的耐蚀性能测试，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，结果见表2。

表2实施例1中高耐蚀钢筋的耐蚀性能

由表5可知，耐蚀钢筋的相对腐蚀率为14.16％～19.75％，耐蚀性能是普通HRB400钢筋的5倍及以上，其中：相对腐蚀率＝耐蚀钢筋的腐蚀率/对比钢筋(HRB400)的腐蚀率×100％。

实施例3

本实施例提供实施例1中高耐蚀钢筋的力学性能，见表3。

表3实施例1中高耐蚀钢筋的力学性能

其中：R_eL为屈服强度；R_m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)。

实施例4

本实施例提供实施例1中高耐蚀钢筋的生产方法，包括炼钢工艺(表4)及轧钢工艺(表 5)。

表4实施例1中高耐蚀钢筋的炼钢工艺

表5实施例1中高耐蚀钢筋的轧钢工艺

图1是制备的编号5的高耐蚀钢筋放大500倍的金相组织，其中：白色是铁素体，灰色是马氏体，黑色是贝氏体，表明制备成功。

Claims

1.一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋，其特征在于，所述钢筋金相组织由铁素体、马氏体和贝氏体组成；所述钢筋力学性能为：屈服强度R_eL≥500 MPa，抗拉强度R_m≥630 MPa，断后伸长率A≥15%；所述钢筋按重量百分比计算，化学成分为：C：0.02%～0.05%，Si：0.20%～0.40%，Mn：0.70%～0.90%，P：≤0.010%，S：≤0.010%，V：0.04%～0.06%，Cr：8.0%～10.0%，Ni：0.45%～0.65%，Mo：0.70%～0.90%，Sn：0.015%～0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质元素，并且满足：

。

2.权利要求1所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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。

3.根据权利要求2所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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。

4.根据权利要求3所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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时加完。

6.根据权利要求5所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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、Sn、V含量。

7.据权利要求6所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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100帕<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。

8.根据权利要求7所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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100～130 m³/h，二次冷却比水量1.0～1.4 L/kg，获得无缺陷铸坯。

9.根据权利要求8所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用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1050～1150℃，开轧温度控制在950～1050℃，上冷床温度控制在850～900℃。