一种具有高耐腐蚀性的高强钢筋及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种具有高耐腐蚀性的高强钢筋，包括以下成分：C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Al、Cu、Mo、Ti及Fe。本发明还提供了所述具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法。本发明的钢筋，性能稳定，具有优异的耐腐蚀性能，同时具有良好的力学性能，可广泛的应用于沿海及盐湖地区的建筑工程中。
【专利说明】一种具有高耐腐蚀性的高强钢筋及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于合金领域，具体涉及一种具有高耐腐蚀性的高强钢筋及其制备方法。
【背景技术】
[0002]通常，钢筋混凝土结构在沿海及近海地区中服役10-15年后，就普遍出现严重腐蚀破坏的现象，而在盐湖地区，仅服役2-3年便会呈现出非常严重的腐蚀破坏的状态。其中，作为主要的结构材料，钢筋的锈蚀是钢筋混凝土结构腐蚀的重要因素。钢筋的锈蚀不仅大大缩短了建筑物的整体寿命,也造成了安全的隐患。因此,钢筋的耐腐蚀性能成为国内外工程界关注的热点问题。
[0003]目前采用的耐腐蚀钢筋主要有涂层钢筋、不锈钢筋和合金耐腐蚀钢筋。其中，涂层钢筋又分为环氧涂层钢筋和金属镀层钢筋，其共同的问题是涂层在运输及施工过程中容易被破坏，失去对基体的保护作用，反而加剧局部腐蚀，并且涂层还具有影响钢筋与混凝土的结合力的缺陷；不锈钢筋在普通环境中耐腐蚀效果较好，但在氯离子含量较高的海水中容易发生点蚀，加之其昂贵的成本和较低的强度使其无法满足广泛的工程应用的需求;合金耐蚀钢筋是解决钢筋腐蚀问题的有效方法，但现有技术中合金钢筋的耐腐蚀性能较普通钢筋提升较为有限。
[0004]日本专利文献JPH09263886A公开了一种钢筋混凝土结构用钢材，含有
0.005-1.0% 的 C、0 .01-0.35% 的 Si,0.01-1.5% 的 Mn,0.001-0.15% 的 Ρ、0.030% 以下的 S、
1.5-10.0%的N1、1.5-10.0%的Cr,0.05-5.0%的Al，及其他不可避免的杂质。还可选择性的添加Cu、Mo、W、Nb、V、T1、Ta、B、REM、Ca、Zr中的一种或多种。其制备方法为将原料真空熔融后采用常规方法热轧、机械加工为所需尺寸。上述钢材通过N1-Cr-Al的复合添加，提高其耐腐蚀性。但是，由于每种元素的量的调整均可能会在多个方面对得到的钢筋的性能产生影响，因此，上述钢材的效果实际上并不稳定。当得到的钢材具有较好的耐腐蚀性时，却不能保证得到的钢材同时还具有良好的力学性能。
[0005]中国专利文献CN102534390A公开了一种耐腐蚀螺纹钢筋及其生产方法，所述钢筋包括 C0.18-0.25%、Si0.40-0.80%、Mn0.30-1.00%、P0.02-0.04%、S≤0.01%、Cr0.45-1.00%、Cu0.05-0.20%、V0.01-0.05%，及余量的铁和杂质。其制备方法包括依次进行的电路或转炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷床空冷、倍尺剪切、平头工序。上述钢筋，虽相较于常规的螺纹钢筋，其耐腐蚀性有一定的提高，但在耐腐蚀性与力学性能的综合性能上仍然有待提高。
【发明内容】
[0006]为此，本发明所要解决的技术问题是提供一种耐腐蚀性优良且具有良好的力学性能、综合性能稳定的钢筋。
[0007]本发明还提供了所述钢筋的制备方法。
[0008]本发明的具有高耐腐蚀性的高强钢筋，按重量百分比计算，包括以下成分:C0.005-0.050% ；Si0.36-0.60% ；Mn0.3-0.6% ；P ( 0.03% ；S ( 0.01% ；Cr7.0-9.0% ；Nil.5-4.0% ；A1 ( 2.0% ；Cu ( 1.0% ；Mo < 0.5% ；Ti ( 0.05% ;余量为 Fe。[0009]需要说明的是，在制备过程中可能存在微量的不可避免的杂质，但并不影响本发明的实施及技术效果实现。
[0010]所述Cr与所述Ni的质量比满足(2.7-8):1，优选为(2.7-6):1。
[0011]所述C的重量百分比为0.005-0.010%ο
[0012]所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，包括以下步骤:
[0013]I)脱硫:取铁矿石溶融为铁水，加入脱硫剂脱硫；
[0014]2)脱碳、脱磷、脱氧:控制温度1550-1670°C下冶炼100_150min ；
[0015]3)连铸:将步骤2)中得到的所述钢水在保护气体下浇铸，得到连铸坯；
[0016]4)轧制:在温度950-1200°C下，对步骤3)中得到的所述连铸坯轧制为所需尺寸。
[0017]5)冷却:控制冷床温度900_950°C，不穿水，冷床空冷。
[0018]进一步的，所述步骤I)中，将所述铁水采用转速为90-110r/min的搅拌桨搅拌，搅拌l_3min后，加入脱硫剂，搅拌反应10-15min，静置5_10min。其中，所述脱硫剂为以9:1
的质量比混合的石灰粉与莹石。
[0019]所述步骤2)具体为:先冶炼至钢液中碳含量低于0.05%、磷含量低于0.01%,出钢；再精炼脱碳、精炼脱氧至钢液 中含氧量为0.002%-0.005%。
[0020]所述出钢过程中采用保护气体以0.5-0.1MPa的压力搅拌钢液，出钢进行至1/4时加入S1、Mn合金元素合金脱氧，加入碳粉和造渣料。
[0021]所述精炼时加入Cr合金元素后进行脱碳，精炼脱氧后，加入Ni合金元素，再加入钙铁合金，软搅拌5min以上；或，
[0022]所述精炼时加入Cr合金元素后进行脱碳，精炼脱氧后，加入Ni合金元素及Al、Cu、Mo, Ti中的一种或多种合金元素，再加入钙铁合金，软搅拌5min以上。
[0023]需要说明的是，所述冶炼、精炼的方式并不唯一，本发明提供一种具体的实现方式:先采用转炉冶炼，惰性气体以0.5-0.1MPa的压力搅拌钢液，冶炼至钢液中碳含量低于0.05%、磷含量低于0.01%,出钢，出钢进行至1/4时加入S1、Mn合金元素合金脱氧，加入碳粉和造渣料；再采用RH真空精炼脱碳，所述RH真空精炼时加入Cr合金元素后进行脱碳；采用LF炉外精炼脱氧至钢液中含氧量为0.002%-0.005%。LF炉外精炼脱氧后，加入Ni合金元素，再加入钙铁合金，软搅拌5min以上；或，LF炉外精炼脱氧后，加入Ni合金元素及Al、Cu, Mo, Ti中的一种或多种合金元素，再加入钙铁合金，软搅拌5min以上。
[0024]所述步骤3)具体为:IS气下，保持拉还速度为2.6-2.7m/min,连铸为横截面150mmX 150mm、长度16m的方还，得到连铸还。
[0025]所述步骤4)具体为:先将所述连铸坯加热至1100-1200°C下粗轧、中轧，再降温至950-1050°C，精轧。
[0026]在钢筋中，C是重要的强化元素，通过固溶强化和析出强化等作用显著提高钢的强度，但C和Cr具有很强的亲和力，可以跟Cr形成一系列复杂的碳化物，在增加钢的强度和硬度的同时，显著降低钢的耐蚀性。另外，C含量过高会降低钢的塑性和韧性，恶化钢的焊接性能；
[0027]Si是重要的还原剂和脱氧剂，钢中加入硅能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度。硅和钥、钨、铬等结合，对提高抗腐蚀性和抗氧化性有一定作用，但增加含硅量会降低钢筋的焊接性能；
[0028]Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，在钢中主要起固溶强化作用，是重要的强化元素，同时也是奥氏体形成元素，锰含量过高会显著提高钢的淬透性，降低钢的塑性和可焊性。在耐腐蚀性能方面，锰的作用不明显；
[0029]S和P在钢中易形成有害夹杂物，降低钢的韧性和塑性。磷对钢的耐蚀性能有一定益处，部分耐候钢采用Cu-P系成分设计，但其耐蚀性能提高有限，且仅针对大气腐蚀；
[0030]Cr是提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性的重要元素，在适当环境下促进钢表面形成稳定的钝化膜，从而提高钢的耐腐蚀性能。但在非氧化性介质中Cr的作用不如钥、镍，单独添加铬元素不能极大的提高钢的耐海水腐蚀性能，且容易增加点蚀倾向；
[0031]Ni对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力，且其是奥氏体形成元素，可使钢具有均匀的奥氏体组织，以改善耐蚀性。但其本身不是有效的抗氧化元素，所以很少单独用作耐蚀钢的合金元素。
[0032]Al钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。但是，含铝量过大也影响钢的焊接性能；
[0033]Cu可以提高在非氧化性酸中的耐腐蚀性能，特别是具有耐大气腐蚀的能力。铜能够提高强度和韧性，但是在热加工时容易产生热脆，当铜含量较小时对钢的焊接性能影响较小，而当铜含量较高时，钢的塑韧性显著降低；
[0034]Mo可以普遍提高钢的抗腐蚀性能，在还原性酸和强氧化性的盐溶液中都可以使钢表面发生钝化，还能防止钢在氯化物溶液中发生点蚀。钥含量较高(>3%)时，会使钢的抗氧化性发生恶化。组织性能方面，钥能促进晶粒细化，提高钢的淬透性和热强性等；
[0035]Ti是强碳氮化物形成元素，有细化晶粒组织、析出强化的作用。同时，由于碳优先与钛结合生产碳钛化合物，这样就避免了含铬钢中析出碳化铬而造成晶界贫铬，从而有效防止晶间腐蚀；
[0036]本发明的上述技术方案，相比现有技术具有以下优点:
[0037](1)本发明的钢筋，突破常规低合金耐蚀钢筋对合金元素用量限制，在C0.005-0.050%、P≤0.03% ；S ≤ 0.01%的条件下，通过Cr、Ni元素含量的合理配比，Cr7.0-9.0%、Nil.5-4.0%，且 2.7 ≤[Cr]/[Ni]≤ 8，优选为 2.7 ≤[Cr]/[Ni]≤ 6，使得到的钢筋不仅具有良好的耐腐蚀性能，且具有较好的力学性能。经试验表明，2.7 ≤ [Cr]/[Ni]≤8下，优选为2.K [Cr]/[Ni] ≤6下，Cr作为抗氧化元素与Ni的抗酸碱腐蚀性能共同作用，可得到适用于在沿海、近海的环境的耐腐蚀性的钢筋，同时，在力学性能方面，适当含量的Cr可以提高钢的强度，但由于Cr是铁素体形成元素，铬含量过高会使钢中铁素体比例增加，强度下降。而Ni可阻止高温时晶粒的增长，保持细晶粒组织，改善钢的力学性能，得到高的强度和良好的淬透性，在该配比下，得到的钢筋屈服强度≥ 700MPa，抗拉强度≥880MPa，断后伸长率≥12%，力学性能较为理想。另外，保持Si0.36-0.60%, Si与Cr结合，可进一步提高钢筋的抗氧化性及抗腐蚀性能，同时，在一定程度上提高钢筋的弹性、韧性，改善钢筋的塑性。保持Mn0.3-0.6%，可配合Cr、Si进一步加强得到的钢筋的力学性能。
[0038](2)本发明的具有高耐腐蚀性的高强钢筋，还包括Al、Cu、Mo、Ti中的一种或多种，各元素的复合作用使钢筋的耐海水腐蚀性能较普通螺纹钢筋得到较大提升。当Al ≤2.0%、Cu ≤ 1.0%, Mo < 0.5%、Ti ≤ 0.05%时，对提升钢筋的综合性能效果最为理想。
[0039](3)本发明的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，通过脱硫、转炉冶炼、RH真空精炼、LF炉外精炼，将钢液中的碳、磷、硫、氧控制在理想范围内，保证了得到的钢筋具有优良的耐腐蚀性与力学性能。
[0040]另外，本发明的制备方法通过组织控制在热轧加空冷的生产工艺下生产出屈服强度大于700MPa的高强耐蚀螺纹钢筋。
[0041](4)本发明的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，冷却过程不穿水，保证产品良好的力学性能。由于合金元素含量较多，极大的增加了钢材的淬透性，制备过程中如进行穿水冷却，容易得到淬火组织，降低钢筋塑性和焊接性能。
[0042](5)本发明的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，所述LF炉外精炼结束后喂钙铁合金线，可调整夹杂物成分和形貌，增大得到的钢筋的变形能力；同时，进行5min以上的软搅拌，有助于确保大型夹杂物充分上浮，提高钢液纯净度。
【具体实施方式】
[0043]实施例1-8及对比例的各成分,按重量百分比计算,如下表所示,余量为Fe。
[0044]表1实施例1-7及对比例1-4成分(％)
[0045]
【权利要求】
1.一种具有高耐腐蚀性的高强钢筋，其特征在于，按重量百分比计算，包括以下成分:
2.根据权利要求1所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋，其特征在于，所述Cr与所述Ni的质量比满足(2.7-8):1。
3.根据权利要求1或2所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋，其特征在于，所述C的重量百分比为 0.005-0.010%ο
4.根据以上权利要求1-3任一所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋，其特征在于，屈服强度≥700MPa,抗拉强度≥880MPa,断后伸长率≥12%，且其耐海水腐蚀性能较普通HRB400提高3倍以上。
5.根据权利要求1-4任一所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)脱硫:取铁矿石溶融为铁水，加入脱硫剂脱硫； 2)脱碳、脱磷、脱氧:控制温度1550-1670°C下冶炼100_150min； 3)连铸:将步骤2)中得到的所述钢水在保护气体下浇铸，得到连铸坯； 4)轧制:在温度950-1200°C下，对步骤3)中得到的所述连铸坯轧制为所需尺寸； 5)冷却:控制冷床温度900-950°C，不穿水，冷床空冷。
6.根据权利要求5所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤I)中，将所述铁水采用转速为90-110r/min的搅拌桨搅拌，搅拌l_3min后，加入脱硫剂，搅拌反应10-15min，静置5-10min
7.根据权利要求6所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，所述脱硫剂为以9:1的质量比混合的石灰粉与莹石。
8.根据权利要求5-7任一所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤2)具体为:先冶炼至钢液中碳含量低于0.05%、磷含量低于0.01%,出钢；再精炼脱碳、精炼脱氧至钢液中含氧量为0.002%-0.005%。
9.根据权利要求8所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，所述出钢过程中采用保护气体以0.5-0.1MPa的压力搅拌钢液，出钢进行至1/4时加入S1、Mn合金元素合金脱氧，加入碳粉和造渣料。
10.根据权利要求8或9中所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于， 所述精炼时加入Cr合金元素后进行脱碳，精炼脱氧后，加入Ni合金元素，再加入钙铁合金，软搅拌5min以上；或， 所述精炼时加入Cr合金元素后进行脱碳，精炼脱氧后，加入Ni合金元素及Al、Cu、Mo、Ti中的一种或多种合金元素，再加入钙铁合金，软搅拌5min以上。
11.根据权利要求5-10任一所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤3)具体为:氩气下，保持拉坯速度为2.6-2.7m/min，连铸为横截面150mm X 150mm、长度16m的方还,得到连铸还。
12.根据权利要求5-11任一所述的具有高耐腐蚀性的高强钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤4)具体为:先将所述连铸坯加热至1100-120(TC，粗轧、中轧，再降温至950-1050°C，精轧。
【文档编号】C22C33/04GK103789677SQ201410047813
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月11日 优先权日:2014年2月11日
【发明者】张建春, 黄文克, 李阳, 麻晗 申请人:江苏省沙钢钢铁研究院有限公司