一种低合金耐蚀抗震钢筋及其生产方法

技术领域

本发明属于合金领域，具体涉及一种低合金耐蚀抗震钢筋及其生产方法，属于钢筋混凝土用耐蚀钢筋，能够在内陆严酷自然环境下服役。

背景技术

越来越多的重大工程正在迅速向地球深层或极地、深远海和深空探测等复杂环境扩展，对耐蚀钢的需求得到了进一步的扩大。钢筋混凝土是此类重点工程中的重要且广泛的结构形式，然而由钢筋腐蚀引发的钢筋混凝土失效案例众多。随着钢筋的腐蚀，钢筋混凝土结构的寿命缩短，不仅违背了绿色、低碳经济的发展要求，还造成了资源的极大浪费。

现有钢筋的耐蚀性能还无法满足内陆严酷自然环境下服役的抗震性能要求，或者钢筋合金成分含量过高，合金偏析严重，产生脆化组织，同时导致生产成本过高，无法满足在内陆严酷自然环境下战略工程建设中对低成本、高耐蚀钢筋的迫切需要。因此，研究适用于我国内陆严酷自然环境下低成本、高耐蚀、综合性能优异的抗震钢筋非常必要。

2020年8月18日公开的公开号为CN 111549279 A的中国专利，公开了一种富氮铌微合金化400MPa超细晶抗震钢筋及其制备方法，其成分为：C 0.21～0.25wt％、Si0.40～0.54wt％、Mn 1.30～1.46wt％、Cr 0.14～0.20wt％、Nb 0.010～0.014wt％、S≤0.042wt％、P≤0.045wt％、O≤0.0060wt％、N 0.0085～0.0115wt％，其余为Fe及不可避免的不纯物，其制备方法包括钢水冶炼、脱氧合金化、钢水氩站精炼、钢水浇铸、钢坯加热、钢坯控轧控冷工序。但是其加入Nb，成本较高，不能满足低成本、高耐蚀、综合性能优异的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低合金耐蚀抗震钢筋及其生产方法，通过合理的合金成分设计，降低锰含量、钒含量，降低成本，配合轧制工艺，能够保证相转变得到更多细小的铁素体和珠光体组织，使该低合金耐蚀抗震钢筋获得了低成本、强度高、综合性能优异的效果，完全满足产品在川藏线、西北盐碱地(含有较高CO

本发明具体技术方案如下：

本发明提供的一种低合金耐蚀抗震钢筋，包括以下质量百分比成分：

C 0.07～0.12％，Si 0.55～0.70％，Mn 1.30～1.45％，Cr 0.50～0.70％，V0.050～0.070％，Cu 0.015～0.030％，P 0.040～0.050％，S≤0.025％，N

0.0085～0.0105％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。

优选的，所述低合金耐蚀抗震钢筋，包括以下质量百分比成分：C0.09-0.11％，Si0.60～0.68％，Mn 1.35～1.40％，Cr 0.55～0.65％，V 0.055～0.064％，Cu 0.018～0.025％，P 0.040～0.045％，S≤0.015％，N 0.0090～0.0100％，以及余量的Fe和不可避免的杂质。

所述低合金耐蚀抗震钢筋的成分满足：N/V＝0.15～0.20；

所述低合金耐蚀抗震钢筋的组织为：铁素体+珠光体组织，其铁素体面积比为84～88％，珠光体面积比为12～16％；铁素体晶粒度等级为9.5～12级；VN析出物尺寸为100～300nm。

所述低合金耐蚀抗震钢筋的规格为φ12mm～φ32mm；

所述低合金耐蚀抗震钢筋的屈服强度Rel为450～470MPa，抗拉强度Rm为590-650MPa，断后伸长率A≥18％，最大力总伸长率Agt≥9.5％，强屈比R

本发明提供的一种低合金耐蚀抗震钢筋的生产方法，包括以下工艺流程：

转炉→LF炉精炼→方坯连铸→加热→轧制→产品检验。

所述转炉，在此工序冶炼步骤中，铜块随废钢入炉冶炼，采用硅锰合金、硅铁、钒氮合金、低碳铬铁和硅钙钡脱氧合金化，转炉出钢温度1630～1650℃；

进一步的，所述转炉，在出钢到四分之一到四分之二时开始加入硅锰合金、硅铁、钒氮合金、低碳铬铁，最后加入硅钙钡，所有合金在出钢完毕前全部加完，钢包底吹氩流量为110～150NL/min，搅拌时间为4～6min，确保钢包内钢液各合金元素熔化均匀。

所述LF炉精炼，在微调各元素成分在控制范围内，为提高脱氧造渣效果，保证钢液洁净度，精炼过程中进行造白渣操作，LF炉精炼过程控制适宜的氩流量搅拌脱氧化渣，吹氩量控制在80～120L/min；渣碱度保持在3～5，精炼结束需吹Ar搅拌软吹时间≥10min后，方可上连铸浇注。

所述方坯连铸，钢液全程保护浇铸，采用低碳钢保护渣，连铸温度1525～1545℃，连铸过程中拉速为1.4～1.6m/min。

所述加热，钢坯入加热炉预热段温度850～1000℃、加热段1000～1110℃、温度均热温度为1090～1120℃。当待轧保温时，加热炉需适当降低炉内温度，防止铸坯过热。

所述轧制，为得到细小的铁素体晶粒度、需控制奥氏体再结晶区的变形温度，采用增加粗轧道次变形量的大压下工艺，粗轧八个道次后的面积变形率达86.5～88.5％，利于原始奥氏体晶粒破碎再结晶，同时设定较低的开轧温度为970～1010℃，进精轧机前的预精轧温度为950～1000℃，钢筋终轧后弱冷却，钢筋冷却瞬时表面温度为860±5℃，再上冷床的回火温度为935～960℃，随后钢筋自然冷却收集。弱穿水冷却的的表面瞬时温度较低，后上冷床心部温度会传递至表面至温度升高。

本发明通过转炉冶炼获得粗炼钢水，粗炼钢水进LF炉进行精炼后获得精炼钢水，将精炼钢水连铸成小方坯，然后将小方坯在加热炉中加热后，在棒材轧机上轧制成目标规格的钢筋。本发明采用的生产方法简单，本发明降低了钢中的锰、钒成分的质量百分含量，以及提高氮含量的配入，避免了Mn合金带状偏析，提高了钢筋的强度和塑性；通过优化控轧控冷温度、获得了更多细小弥散的VN的析出物，在钢材上起到了析出强化作用，析出物尺寸为100～300nm，如图1所示。该方法生产耐蚀钢筋具有强度、塑性好，且节约生产成本，提高了企业经济效益。本发明生产的400MPa级低合金成本耐腐蚀抗震钢筋具有良好的强韧性匹配，保证产品的力学性能指标优于国标GB/T33953-2017要求的各项抗震钢筋性能指标。

本发明设计思路如下：

C：起固溶强化作用，在提高钢材强度，但降低碳含量维持在铁素体的溶解极限以下，可以提高钢组织结构与成分分布的均匀性，减少钢筋内部各区域之间的电位差，从而降低腐蚀速率，提高钢筋耐蚀性能；但碳含量过低降低钢筋强度性能指标，因此需与Cr元素和V元素等强化性能的元素综合匹配添加，本发明的化学成分设计中C元素含量控制在0.07～0.12％，优选为0.09～0.11％。

Si：在含量小于1.0％时，硅的加入可提高钢材的强度、韧性以及塑性，是一种很廉价的置换强化元素，同时生成的Si-O键可提高抗腐蚀性和抗氧化，有利于控制钢中的铁素体的含量；此发明中，将Si元素含量控制在0.55～0.70％，优选为0.60～0.68％。

Mn：为置换式固溶强化元素，可提高钢的屈服强度和抗拉强度，同时也能提高钢的淬透性，较高的锰含量降低钢的焊接性能，易造成偏析条带，且造成合金成本增加；本发明中，将Mn元素含量控制在1.30～1.45％，优选为1.35～1.40％。

Cr：为耐蚀元素，可以在钢筋表面形成氧化物钝化膜，从而有效地阻止钢筋氧化、提高钢筋基体的耐腐蚀能力；但Cr元素可提高钢筋的淬透性，影响塑韧性；此发明中，依据碳当量0.40～0.49％之间范围可确保强度的同时具备良好的焊接性进行设计，将Cr元素含量控制在0.50～0.70％，优选为0.55～0.65％。

Cu：一种耐蚀元素，有助于提高钢筋的耐蚀性能，然而Cu含量过高时，会导致钢材的塑性降低，易导致热轧钢筋开裂；本发明的化学成分设计中，创新性地降低了Cu含量设计，降低成本的同时提高产品质量，其Cu含量控制在0.015～0.030％，优选为0.018～0.025％。

V：形成的V(C/N)析出物，能起到沉淀强化的作用，同时可阻止奥氏体和铁素体晶粒长大来细化晶粒，但钒氮合金属于贵金属，加入过多则降低钢筋的塑性，且造成成本浪费，本发明中，将V元素含量控制在0.050～0.070％，优选为0.055～0.064％。

N：奥氏体形成元素、可与V结合形成细小弥散的氮化钒析出，可起到细化晶粒和析出强化作用,提高钢筋强度，但N含量过高易增加钢筋脆性；本发明主要按析出物的氮钒质量百分比在0.15～0.20进行添加，因此将N含量控制在N0.0085～0.0105％，优选为N0.0090～0.0100％。

P：可以提高钢筋的强度和耐蚀性能，但在钢中容易出现偏析，且P含量过高会导致低温时力学性能变差，降低钢的韧性。本发明中，P质量分数P0.040～0.050％，优选为0.040～0.045％。

S：属有害杂质元素，可以引起钢的热脆，降低钢的塑性和耐腐蚀性能，本发明中，S质量分数S≤0.025％，优选为≤0.015％。

与现有技术相比，本发明通过合理的合金成分设计，降低锰合金含量，将Mn含量降低至1.30～1.45％，避免了由Mn偏析造成条带状脆性组织产生，使得钢筋显微组织均匀、塑性提高，同时降低了生产成本；在合金Cr、Mn基础上，适当降低钒含量、增加钢中N含量，V含量降低至0.050～0.070％、N含量提高到85～105ppm，增加了钒与氮结合形成能起析出强化作用的氮化钒，提高了钢筋强度指标，同时降低了合金成本；轧制工艺中，采用大压下量、轧后弱冷却工艺的冷床温度935～960℃，通过优化终轧后的冷床温度，增加了细小弥散VN的析出量，同时保证了相转变得到更多细小的铁素体和珠光体组织，使该低合金耐蚀抗震钢筋获得了低成本、强度高、综合性能优异的耐蚀抗震钢筋，完全满足产品在内陆严酷自然环境下的使用要求。

附图说明

图1为氮化钒析出物的形貌图；

图2为实施例1耐蚀钢含铁素体和珠光体组织的形貌图；

图3为对比例1耐蚀钢含条带状偏析组织的形貌图；

图4为对比例3耐蚀钢含部分马氏体组织的形貌图；

图5为实施例1～4中周浸试验72h后的腐蚀形貌图；从左到右依次为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4；

图6为对比例1～4中周浸试验72h后的腐蚀形貌图，从左到右依次为对比例1、对比例2、对比例3、对比例4。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1-实施例4

一种低合金耐蚀抗震钢筋，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

对比例1-对比例4

一种低合金耐蚀抗震钢筋，包括以下质量百分比成分：如表1所示，表1没有显示的余量为Fe和不可避免的杂质。

表1各实施例和对比例耐蚀抗震钢筋的成分及含量(wt％)

Ceq＝[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100％。

以上各实施例低合金耐蚀抗震钢筋的生产方法，包括以下工艺流程：

转炉→LF精炼炉→方坯连铸→加热→轧制→产品检验；

具体如下：

转炉工序冶炼步骤中，铜块随废钢入炉冶炼，采用硅锰合金、硅铁、钒氮合金、低碳铬铁和硅钙钡脱氧合金化，转炉出钢温度1630～1650℃，出钢到四分之一至四分之二时开始加入硅锰合金、硅铁、钒氮合金、低碳铬铁、最后加入硅钙钡，所有合金在出钢完毕前全部加完，钢包底吹氩流量为110～150NL/min，软吹搅拌时间为4～6min，确保钢包内钢液各合金元素熔化均匀。

所述精炼LF炉步骤中，在微调各元素成分在控制范围内，为提高脱氧造渣效果，保证钢液洁净度，精炼过程中进行造白渣操作，LF炉精炼过程控制适宜的氩流量搅拌脱氧化渣，吹氩量控制在80～120L/min；渣碱度保持在3～5，精炼结束需吹Ar搅拌软吹时间≥10min后，方可上连铸浇注。

所述方坯连铸步骤中，钢液全程保护浇铸，采用低碳钢保护渣，连铸中包温度1525～1545℃，连铸过程中拉速为1.4～1.6m/min。

所述钢坯加热步骤中，钢坯入加热炉预热段温度850～1000℃、加热段温度1000～1110℃、均热段温度为1090～1120℃。当待轧保温时，加热炉需适当降低炉内温度，防止铸坯过热。

所述轧制工序中，其开轧温度为970～1010℃，进精轧机前的预精轧温度为950～1000℃，钢筋终轧后弱冷却上冷床温度为935～960℃，随后钢筋自然冷却收集。实施例1～实施例4对应的主要具体工艺参数对应如表2所示：

表2各实施例各工序主要工艺参数

所得的金相组织为铁素体和珠光体，铁素体面积占比84～88％、珠光体面积占比12～16％，晶粒度等级为9.5～12级，如图2所示，各项性能检测如表3。

为了说明钢筋的耐腐蚀性问题：测试了上述实施例和对比例对应材料的腐蚀速率，本工作参考YB/T 4368-2014在模拟工业Cl

各对比例的生产方法具体如下：

对比例1：

所述的各工序冶炼及轧制步骤按本发明实施例1执行，仅在冶炼工序的合金化时增加了锰元素的质量百分含量，锰按1.53％进行配入，所得的金相组织出现了锰偏析条带状的淬透性组织(马氏体)，如图3所示，对应的化学成分如表1和性能检测如表3。

对比例2

所述的各工序冶炼及轧制步骤按实施例2执行，仅在冶炼工序合金化时加入钒铁替代钒氮合金，N的质量百分含量按0.0058％进行配入，所得的金相组织为铁素体和珠光体，对应的化学成分如表1和性能检测如表3。

对比例3

所述的各工序冶炼和轧制步骤按实施例3执行，仅在轧制工序中，钢筋终轧后进行弱穿水冷却上冷床温度变为870～890℃，随后钢筋自然冷却收集。所得的金相组织为铁素体、珠光体和部分马氏体，如图4所示，对应的化学成分如表1和性能检测如表3。

对比例4

冶炼普通HRB400钢筋时，所述的各工序冶炼和轧制步骤按实施例4执行，仅在冶炼工序中，合金化时加入的合金成分进行调整。所得的金相组织为铁素体和珠光体，对应的化学成分如表1和性能检测如表3。

表3各实施例和对比例各规格400MPa级抗震钢筋的各项性能指标

以上表中画横线的数据为不满足本发明要求的数据。

表3中屈服强度的特征值为400MPa。

从表3可以看出，各组试验钢屈服强度均在450Mpa以上，普通HRB400表现出最大的腐蚀速率，低合金耐蚀钢钢筋相比于HRB400均表现出更低的腐蚀速率，即耐蚀性提升3倍以上。

结合以上实施例和对比例，可以得到，本发明：1)优化该耐蚀钢筋的化学成分设计，优化锰、钒含量、严格控制N在0.0085～0.0105％，避免了条带状组织的产生，同时保证了有充足的N与V结合，形成细小的VN析出物、起到了析出强化的作用，提高了钢筋的强度和韧性。2)通过提高坯料终轧后钢筋上冷床温度，控制冷床温度控制为935～960℃，而空冷至室温，高的冷床温度保证了VN足够的析出时间和相转变得到具有细小铁素体和珠光体组织，保证钢材强度的又提高了塑韧性。3)该采用Cr、V、Cu的低合金成本设计，使得钢筋表面形成了致密氧化膜，其耐氯离子侵蚀能力较普通钢筋提高3倍以上。

本发明400MPa级低成本耐腐蚀抗震钢筋，实测屈服强度(Rel)、抗拉强度(Rm)、最大力总伸长率(Agt)、强屈比(R

以上所述仅为以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。