一种635MPa级高强抗震钢筋及其制备方法与流程

本发明属于钢筋混凝土结构用热轧带肋钢筋技术领域，尤其涉及一种635mpa级高强抗震钢筋及其制备方法。

背景技术：

热轧带肋钢筋广泛应用于各类钢筋混凝土结构，在保证钢筋混凝土建筑的使用寿命及使用安全方面发挥着重要作用。随着我国高层、大跨度建筑的不断涌现，对高强钢筋、尤其是635mpa级钢筋的需求增加。采用635mpa级钢筋代替400mpa级、牌号hrb400钢筋，可以实现节材约35％及以上。我国大部分省市处于地震带区域，随着近年来地震的频繁发生，对抗震钢筋的需求不断提高。因此，635mpa级高强抗震钢筋的使用，不仅符合我国绿色、环保建筑、可持续发展的国策，而且对于建筑行业、冶金行业的技术进步具有重要意义。

近年来，我国已普遍使用400mpa级、牌号hrb400、hrb400e(e代表抗震钢筋)钢筋，500mpa级也有了广泛的应用，更高强度级别的热轧带肋钢筋也处于研发、应用之中。中国专利申请号201310593620.6的专利文献公开了“一种630mpa级以上高强钢筋及其钢筋混凝土应用方法”，钢筋成分为：碳:0.28％-0.38％、硅:0-0.35％、锰:0-0.90％、铬:0.80％-1.50％、镍:3.00％-4.00％、钼:0.40％-0.60％、磷:0-0.015％、硫:0-0.015％、氢:0-2.0ppm、钒:0.10％-0.20％、钛:0-0.025％、铜:0-0.20％、铝:0-0.05％、0-0.50％残余元素，其余为fe。以铬镍钼合金结构钢为坯料，并对其进行扩氢热处理获得630mpa级高强钢筋。但其存在以下不足：(1)铬镍钼合金结构钢价格昂贵，不利于大批量推广应用；(2)没有考虑到抗震结构的应用。

应用于抗震结构的抗震钢筋在强屈比(抗拉强度/屈服强度)、屈屈比、最大力下延伸率这三个抗震指标上要远高于普通钢筋，尤其是强屈比，随着屈服强度的提高，其下降幅度较大，因此保证高的强屈比是635mpa级高强抗震钢筋所要解决的最大技术难题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，通过化学成分设计，并结合相应的炼钢、轧钢工艺，提供一种635mpa级高强抗震钢筋的制备方法，且节约铬镍钼合金资源，适合工业批量生产；

本发明要解决的另一个技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种635mpa级高强抗震钢筋，该高强抗震钢筋的屈服强度≥635mpa，抗拉强度≥795mpa，断后伸长率≥15％，最大力下总伸长率≥9.0％，强屈比≥1.25，屈屈比≤1.30。。

为了解决本发明的技术问题，所采取的技术方案为，一种635mpa级高强抗震钢筋的制备方法，包括如下步骤：

s1、将炼钢原料冶炼成粗钢液，冶炼终点粗钢液中p和s的重量含量均≤0.025％，出钢温度1660-1710℃，出钢过程中在钢包内进行脱氧和合金化；

s2、钢包进入精炼炉，开启底吹惰性气体，并开启电极加热升温，加入造渣料造白渣，达到设定加热时间及温度后，取样检验并进行成分微调，使其满足钢筋成分要求，钢包出精炼炉站，出站温度1550-1620℃；

s3、钢包吊运至连铸台，浇注成钢坯，浇注过程中，钢包、中包、结晶器均采用全程保护浇注，中包钢水的温度1520-1560℃，矫直温度≥950℃，工作拉速2.0-2.8m/min，连铸的钢坯进入加热炉，在加热炉内加热到1130-1170℃，并保温60-90min，从加热炉出来的钢坯，经粗轧、中轧、终轧后轧制所需规格，终轧温度在1050-1100℃，终轧后通过控制冷却，上冷床温度为900-950℃，制得635mpa级高强抗震钢筋。

作为上述635mpa级高强抗震钢筋的制备方法进一步的改进：

优选的，步骤s1中所述将炼钢原料冶炼成粗钢液的设备为电炉或转炉。

优选的，步骤s2中所述精炼炉为lf炉，或者lf炉与rh炉、vod炉、vd炉中的任意一种的组合。

优选的，步骤s3中所述钢坯化学成分的重量配比为：c:0.24-0.29％，si:0.70-0.80％，mn:1.50-1.60％，p:≤0.035％、s:≤0.035％，v:0.100-0.160％，nb:0.010-0.030％，其余为fe和不可避免的杂质元素。

优选的，步骤s3中所述钢坯的化学成分按重量计含有：c:0.26％，si:0.75％，mn:1.55％，p:0.025％、s:0.020％，v:0.130％，nb:0.015％，其余为fe和不可避免的杂质元素。

优选的，步骤s1中所述进行脱氧和合金化的具体步骤为：步骤s1中所述进行脱氧和合金化的具体步骤为：在出钢量1/4时开始加入复合脱氧剂、硅锰合金、硅铁合金、铌铁合金和钒氮合金，出钢量3/4时加完，添加量满足钢坯化学成分的要求。

优选的，步骤s1中所述钢包开启底吹惰性气体的具体操作为：开启底吹惰性气体，流量为将钢渣液面吹开但不能剧烈翻腾，随后将惰性气体的流量调至一开始流量的80-90％并开启电极加热升温，加入造渣料造白渣并进行成分微调，调节惰性气体的流量至一开始流量的50％，持续吹10-15min后，钢包出精炼炉。

优选的，步骤s3中所述钢坯的断面为150×150mm²。

为了解决本发明的另一个技术问题，所采取的技术方案为，一种由上述任一制备方法制得的635mpa级高强抗震钢筋。

本发明相比现有技术的有益效果在于：

1、本发明提供了一种将高c、si、mn成分设计及v、nb组合微合金化方式与结合炼钢、轧钢工艺相结合，生产高强、高塑性的635mpa级高强钢筋的方法，制备的钢筋性能稳定，综合力学性能较好，其屈服强度≥635mpa，抗拉强度≥795mpa，断后伸长率≥15％，最大力下总伸长率≥9.0％，强屈比≥1.25，屈屈比≤1.30。

2、本发明635mpa级高强抗震钢筋用钢的化学成分的设计基于以下考虑：c对钢的强度贡献最大，且价格便宜。c能在钢中溶解，形成间隙固溶体，起固溶强化作用，还能与v、nb、ti等强碳化物形成元素形成碳化物析出，起析出强化作用；但c含量的增加会使钢的塑性和韧性明显变差，出于以上考虑，本发明设计c的含量为0.24～0.29％。

si在钢中不形成碳化物，基本上以固溶状态存在于钢中，具有明显的固溶强化作用。在常用金属元素中，si的固溶强化作用最强，但过高的si含量会明显增加钢的脱碳倾向，使钢的性能不均，本发明设计si含量在0.70～0.80％。

mn能提高钢的淬透性，能溶入铁素体中起固溶强化作用，且能细化珠光体晶粒，因此能显著提高钢的强度。但mn含量超过1.60％时，会显著降低钢的塑性和韧性，本发明设计mn含量在1.50～1.60％；

p、s一般被认为是有害元素，p有冷脆倾向，s有热脆倾向，会降低钢的韧性，一方面脱p、s必将加大渣量，不仅加大生产难度，如下渣量不能很好控制还可能对铸坯质量产生不利影响；另一方面，对热轧带肋钢筋来说，如500mpa级的hrb500牌号，p、s≤0.045％即可满足钢筋延伸性能要求。考虑到635mpa级强度更高，本发明设计p、s≤0.035％；

v是强碳氮化物形成元素，与c、n的结合力强，形成细小弥散分布的v(c，n)第二相粒子能发挥强烈的析出强化效果，并能细化晶粒，进一步提高钢的强度，但v是贵重金属，在能满足性能要求的前提下，应减少其加入量，本发明设计v含量范围为0.100～0.160％。

nb在高温下可在钢中溶解，固溶的nb原子通过对晶界运动的拖拽作用来抑制高温奥氏体晶粒的长大，起到细晶强化作用，同时高温下固溶的nb原子还可以起到固溶强化作用，有利于强屈比指标的提高，但nb超过0.040％时在钢筋中的作用减弱，本发明设计nb含量范围为0.010～0.030％。

综上，本发明采用高c、高si、高mn的成分设计，充分利用c、si、mn的固溶强化作用，提高并稳定强屈比；热轧钢筋固溶、析出及细晶这三种主要强化方式中，只有固溶强化提高抗拉强度的幅度大于提高屈服强度的幅度，从而保证强屈比；采用v、nb复合微合金化成分设计，利用v(c，n)粒子的细小弥散析出强化，nb的细晶强化作用，提高钢筋的强度，同时保持钢筋的塑性；利用nb在高温区轧制的固溶强化作用，保证强屈比。

3、本发明635mpa级高强抗震钢筋用钢的轧钢工艺的设计基于以下考虑：采用lf炉或lf与其他炉相结合进行精炼，严格控制钢水p、s及氧化物等夹杂含量，提高钢筋塑性指标；轧制时通过控制加热温度，促进c、si、mn元素在钢中的溶解，发挥固溶强化作用，控制终轧温度，发挥nb的固溶强化作用，控制上冷床温度，发挥v(c，n)、nb(c，n)粒子的析出强化和细晶强化作用。冶炼工艺同普通hrb400钢筋，国内生产厂大多具备条件，不需要额外的设备、操作方法。含铌钢在连铸过程中存在塑性低估温度区，易出现裂纹等缺陷。为解决铸坯裂纹缺陷，连铸过程中采用避开低估温度区矫直的方法，控制铸坯温度≥950℃进行矫直。加热温度控制在1150±20℃，si、mn、v在950℃条件下基本能全部溶解于钢中，v与钢中c、n形成v(c，n)粒子，发挥其析出及细晶强化的作用；而nb的溶解温度较高，全部溶解约需1200℃，但高温下晶粒会粗化，降低钢的强韧性能；1150±20℃条件下nb大多能溶解，且晶粒基本不会粗化，来保证钢的强韧性能和强屈比性能，上冷床温度控制在900-950℃，促进细小弥散的v(c，n)粒子析出，来保证钢的强韧性能。

附图说明

图1为本发明实施例1制得钢筋样品的投射电镜照片；

图2是本发明实施例1制得钢筋样品的第二相粒子能谱图。

图3是本发明实施例1制得钢筋样品的金相组织图，标尺为100nm，图中：黑色的组织为珠光体，白色的组织为铁素体，铁素体晶粒度9.0级；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供了一种635mpa级高强抗震钢筋及其制备方法，包括如下步骤：

钢的化学成分按重量计为：0.24％c，0.70％si，1.50％mn，0.020％p、0.013％s，0.160％v，0.010％nb，其余为fe和不可避免的杂质元素；

转炉工序：终点0.018％p、0.011％s，出钢温度1660℃，合金在出钢过程中加入钢包；

lf炉工序：造白渣精炼脱p、s，出站前弱吹氩15min，出站温度1550℃；

连铸工序：全程保护浇注，中包温度1520℃，矫直温度950℃，工作拉速2.8m/min；

轧钢工序：加热温度1130℃，终轧温度1050℃，经粗轧、中轧、终轧轧制成φ12mm钢筋，轧后通过控制冷却，上冷床温度950℃，制得钢筋样品1。

将实施例1制备的钢筋样品1进行投射电镜扫描，扫描照片如图1所示；将实施例1制备的钢筋样品1进行第二相粒子能谱测试，测试图如图2所示。由图片可以看出，钢筋上有大量近似圆形、尺寸约10nm的v、nb(c，n)第二相粒子呈细小弥散析出，析出物中nb含量相对较低，主要以v为主，能显著提高钢筋强韧性能；

图3为实施例1制备的规格的钢筋样品1的金相组织，由图2可知，钢筋的晶粒度10级，钢筋的组织为铁素体和珠光体。

实施例2

本实施例提供了一种635mpa级高强抗震钢筋及其制备方法，包括如下步骤：

钢的化学成分按重量计为：0.29％c，0.80％si，1.60％mn，0.024％p、0.013％s，0.100％v，0.030％nb，其余为fe和不可避免的杂质元素；

转炉工序：终点0.020％p、0.012％s，出钢温度1710℃，合金在出钢过程中加入钢包；

lf炉工序：造白渣精炼脱p、s，出站前弱吹氩10min，出站温度1620℃；

连铸工序：全程保护浇注，中包温度1560℃，矫直温度1000℃，工作拉速2.0m/min；

轧钢工序：加热温度1170℃，终轧温度1100℃，经粗轧、中轧、终轧轧制成φ16mm钢筋，轧后通过控制冷却，上冷床温度900℃，制得钢筋样品1。

实施例3

本实施例提供了一种635mpa级高强抗震钢筋及其制备方法，包括如下步骤：

钢的化学成分按重量计为：0.26％c，0.72％si，1.52％mn，0.022％p、0.015％s，0.140％v，0.015％nb，其余为fe和不可避免的杂质元素；

转炉工序：终点0.019％p、0.013％s，出钢温度1670℃，合金在出钢过程中加入钢包；

lf炉工序：造白渣精炼脱p、s，出站前弱吹氩14min，出站温度1560℃；

连铸工序：全程保护浇注，中包温度1530℃，矫直温度960℃，工作拉速2.6m/min；

轧钢工序：加热温度1140℃，终轧温度1060℃，经粗轧、中轧、终轧轧制成φ20mm钢筋，轧后通过控制冷却，上冷床温度960℃，制得钢筋样品1。

实施例4

本实施例提供了一种635mpa级高强抗震钢筋及其制备方法，包括如下步骤：

钢的化学成分按重量计为：0.28％c，0.78％si，1.58％mn，0.025％p、0.014％s，0.140％v，0.025％nb，其余为fe和不可避免的杂质元素；

转炉工序：终点0.022％p、0.011％s，出钢温度1700℃，合金在出钢过程中加入钢包；

lf炉工序：造白渣精炼脱p、s，出站前弱吹氩12min，出站温度1610℃；

连铸工序：全程保护浇注，中包温度1550℃，矫直温度990℃，工作拉速2.2m/min；

轧钢工序：加热温度1160℃，终轧温度1090℃，经粗轧、中轧、终轧轧制成φ25mm钢筋，轧后通过控制冷却，上冷床温度940℃，制得钢筋样品1。

表1本发明实施例1-4制备的钢筋样品的力学性能

其中：rel为屈服强度；rm为抗拉强度；强屈比(rm^o/rel^o)，rm^o为实测抗拉强度，rel^o为实测屈服强度；屈屈比(rel^o/635)，635为635mpa级钢筋屈服强度特性值，单位mpa；a为断后延伸率；agt为最大力下延伸率。

由表1中实施例1-4制备的样品的力学性能可知，通过v、nb复合微合金化成分设计，并结合炼钢、精炼、连铸及轧钢工序的工艺参数优化设计，轧制的各规格钢筋，能够满足635mpa级高强抗震钢筋的力学性能技术要求。

本领域的技术人员应理解，以上所述仅为本发明的若干个具体实施方式，而不是全部实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，还可以做出许多变形和改进，所有未超出权利要求所述的变形或改进均应视为本发明的保护范围。