一种600MPa级耐腐蚀钢筋及其制备方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，更具体地讲，涉及一种600MPa级耐腐蚀钢筋及其制备方法。

背景技术

根据我国规划中积极拓展海洋经济发展空间的要求，推动加快海洋经济发展和沿海地区综合开发，进而带动海洋工程以及沿海基础设施的加速发展，会促使耐氯离子腐蚀钢筋的需求量日益增加。

由氯离子引起的钢筋腐蚀一直是沿海建筑结构不可规避的问题，不仅造成了自然资源的损耗浪费，腐蚀造成的裂缝或破坏还会影响整体结构的正常使用，减少沿海建筑的服役年限，危及人的生命安全和财产安全。

为满足沿海经济带迫切的发展需求并提升海洋工程建设的可靠性，国内外厂家开发多种耐腐蚀钢筋和防腐蚀措施。其中，耐腐蚀性能较好的不锈钢钢筋虽然适用于海洋经济建设中的各种腐蚀环境，但其成本高昂，工艺复杂，售价可达到普通热轧带肋钢筋的5至6倍，目前还无法在我国漫长的海岸线上大面积投入使用。针对其他防腐措施而言，例如，在钢筋表面预涂保护涂层、热镀其他惰性金属等，均需要合理的控制保护层的厚度和均匀度，不同厚度和均匀度会导致钢筋耐腐蚀能力参差不齐，并且，在建筑结构服役期间，涂层和包覆的金属容易脱离基材表面，导致局部腐蚀发生，促进腐蚀过程正向进行。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种屈服强度高，耐腐蚀性能好的耐腐蚀钢筋。

本发明的一方面提供了一种600MPa级耐腐蚀钢筋，其化学成分按质量百分比计，可以包括：Cr:1.00～1.10％、Mo:0.15～0.30％、Ni:0.45～0.50％、Cu:0.50～0.55％、V:0.01～0.02％、P:0.01～0.03％、C:0.10～0.13％、Si:0.30～0.40％、Mn:0.80～1.60％、S:0.001～0.025％，余量为铁和不可避免的杂质，且碳当量Ceq不大于0.58。

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋的一个示例性实施例中，其化学成分按质量百分比计，Cr+Mo+Ni+Cu可以为1.98～2.00％。

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋的一个示例性实施例中，钢筋的抗拉强度可以≥750MPa，强屈比可以≥1.5，断后伸长率可以≥15％，最大力下总伸长率可以≥8％。

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋的一个示例性实施例中，72小时周浸腐蚀，平均腐蚀率可以为4.27g/m

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋的一个示例性实施例中，72小时周浸腐蚀，相对腐蚀率可以不大于69％。

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋的一个示例性实施例中，在NaCl质量分数为3.5％的水溶液中，钢筋自腐蚀电位可以为-0.575V，自腐蚀电流密度可以为24.9μA·cm

本发明的另一方面提供了一种600MPa级耐腐蚀钢筋制备方法，可以包括铁水预处理、转炉冶炼、钢水精炼、方坯连铸、热连轧及控温控冷工序，其中，控温控冷工序包括：在方坯连铸完成后，加热温度控制在1150℃±50℃，保温30～50分钟后进行热连轧，开轧温度为1140±50℃，中间轧制温度为950℃～970℃，最终轧制温度为1080℃～1100℃。

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋制备方法的一个示例性实施例中，轧制过程中不进行穿水处理，上冷床温度为840℃～870℃，轧后冷却，冷却速率控制在1℃/秒。

在本发明600MPa级耐腐蚀钢筋制备方法的一个示例性实施例中，转炉冶炼终点，钢水中按质量百分比计C≥0.05％，P≤0.02％。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括以下中的一项：

(1)本发明的钢筋屈服强度可以达到600MPa以上，且应力应变曲线屈服平台明显，抗震性能良好，耐氯离子腐蚀能力与HRB600E钢筋相比，其相对腐蚀率低于70％，具有很强的耐腐蚀性能，尤其适用于在沿海建筑和海洋工程中应用。

(2)本发明的钢筋焊接性能和力学性能均满足《GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》对600MPa级别抗震钢筋要求，能够有效延长沿海建筑及工程的服役年限。

(3)本发明的钢筋及制备方法通过合理设计耐蚀合金元素Cr、Mo、Ni和Cu的各自含量及协同关系，在Cr、Mo、Ni和Cu添加量少的情况下使钢筋达到本文所描述的性能，能够节约冶炼成本；并且制备工艺简单，适宜在沿海建筑和海洋工程中进行普及。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1为本发明示例1中耐腐蚀钢筋芯部微观组织图。

图2为本发明示例1中耐腐蚀钢筋边部微观组织图。

图3为本发明示例1中耐腐蚀钢筋1/4圆周处的微观组织图。

图4为本发明示例1中耐腐蚀钢筋不同倍数下的微观组织形貌图。

图5为本发明示例1与对比例1各试样72小时周浸试验腐蚀失重对比图。

图6为本发明示例1与对比例1各试样72小时周浸试验腐蚀率对比图。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的一种600MPa级耐腐蚀钢筋及其生产方法。

本发明的一方面提供了一种600MPa级耐腐蚀钢筋。在600MPa级耐腐蚀钢筋的一个示例性实施例中，钢筋化学成分按质量百分比计，包括：Cr:1.00～1.10％、Mo:0.15～0.30％、Ni:0.45～0.50％、Cu:0.50～0.55％、V:0.01～0.02％、P:0.01～0.03％、C:0.10～0.13％、Si:0.30～0.40％、Mn:0.80～1.60％、S:0.001～0.025％，余量为铁和不可避免的杂质，且碳当量Ceq不大于0.58。例如，在一些实施方案中，其化学成分按质量百分比计，Cr:1.02～1.08％、Mo:0.18～0.27％、Ni:0.48～0.49％、Cu:0.51～0.54％、V:0.011～0.018％、P:0.012～0.027％、C:0.11～0.12％、Si:0.32～0.39％、Mn:0.81～1.58％、S:0.001～0.022％，余量为铁和不可避免的杂质，且碳当量Ceq不大于0.55或者不大于0.53或者不大于0.48或者不大于0.45或者不大于0.42。对于本领域可知，碳当量Ceq＝C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15。

其中，在上述化学成分中，对于Cr元素而言，添加质量分数1.00～1.10％的Cr元素可有效降低钢筋腐蚀过程中的自腐蚀电位，促进钢筋表面α相钝化膜的形成；Cr元素以氧化物形式存在于锈层中，可以增加锈层的致密度和稳定性，阻止氯离子侵蚀钢筋基体；若加入质量百分比1.10％以上的Cr会使钢筋的塑性和韧性降低，影响钢筋的力学性能。优选地，Cr含量可以为1.02％～1.10％，协同钢筋的其他化学组分含量，可以有效避免钢筋在力学性能上的损失。例如，Cr含量可以为1.03％、1.04％、1.05％、1.06％、1.07％、1.08％或1.09％。

对于Ni元素而言，质量百分含量在0.45～0.50％Ni与1.00～1.10％Cr相互协同，能显著提高本文所记载的钢筋在氯离子环境中的耐蚀性，并且，Ni和Cr的协同作用，可以进一步改善腐蚀氧化膜的成分来提高氧化膜的致密度。Ni含量还与钢筋表面的钝化膜性质相关，在本发明的Ni含量范围内，随着Ni含量的增加可以改善基体表面钝化膜性质，使钝化膜变薄的同时保护性更好。在一些实施方案中，Ni含量可以为0.45％～0.48％。例如，Ni含量可以为0.46％或0.47％。

对于Mo元素而言，0.15～0.30％Mo元素的加入能够有效抑制以氯离子腐蚀为主的点蚀过程，促进钢筋表面钝化膜生成；并且在本发明的Mo元素含量加入下，可进一步有效细化晶粒，改善钢筋的韧性和耐磨性。在一些实施方案中，Mo含量可以控制在0.15％～0.27％，例如，Mo含量可以为0.17％、0.18％、0.19％、0.22％、0.24％或0.25％。

对于Cu元素而言，Cu元素具有优秀的耐腐蚀性能，0.50～0.55％的Cu元素含量可减缓钢筋表面的锈层生长速度，由其形成的氧化物还可以抑制氧气和氯离子的侵入；并且，Cu在钢筋表面的富集可降低钢筋表面的电导率，延缓腐蚀过程；本发明含量的Cu与P可以协同作用以促进α相钝化膜的形成。在一些实施方案中，Cu含量可以控制在0.51％～0.54％，例如，Cu含量为0.52％或0.53％。

对于P元素而言，添加0.01～0.03％的P元素可以促进α相钝化膜的形成，阻挡氯离子对钢筋基体的腐蚀，降低腐蚀率；腐蚀过程中P元素被氧化形成PO

对于V元素而言，0.01～0.02％质量百分数的V元素加入能够进一步细化钢筋的组织晶粒，改善钢筋的强度和韧性。在一些实施方案中，V元素含量可以为0.012％、0.015％、0.017％或0.019％。

以上，本文所描述的钢筋通过合理且少量的Cr、Ni、Mo、Cu、P、V元素的加入以及各元素间的协同作用，使得耐腐蚀钢筋的耐氯离子腐蚀性能得到保证。

对于碳当量而言，通过控制碳当量Ceq不大于0.58，能够限定Mn、Cr、V、Mo、Cu和Ni元素含量以确保有较好耐腐蚀性能的同时使钢筋具有很好的焊接性能，避免耐腐蚀钢筋在焊接过程中出现脆断。

进一步地，钢筋化学成分按质量百分比计，Cr+Mo+Ni+Cu可以为1.98～2.00％。Cr+Mo+Ni+Cu为主要的耐腐蚀合金元素，通过将Cr+Mo+Ni+Cu控制在1.98～2.00％，能够在较低Cr、Mo、Ni和Cu元素加入量下使钢筋屈服强度大于600MPa、抗拉强度≥750MPa，强屈比≥1.5，断后伸长率≥15％，最大力下总伸长率≥8％且具有很好的耐腐蚀性能，能够进一步节约钢筋生产成本。在一些实施方案中，Cr+Mo+Ni+Cu可以为1.99％，Mn+P+Si可以为1.52％或者Mn+P+Si可以为1.55％或者Mn+P+Si可以为1.58％或者Mn+P+Si可以为1.60％或者Mn+P+Si可以为1.63％。

进一步地，钢筋的抗拉强度≥750MPa，强屈比≥1.5，断后伸长率≥15％，最大力下总伸长率≥8％。在一些实施方案中，抗拉强度≥780MPa或抗拉强度≥790MPa或抗拉强度≥800MPa，强屈比≥1.5或强屈比≥1.7或强屈比≥1.9或强屈比≥2.0，断后伸长率≥15％或断后伸长率≥17％或断后伸长率≥18％或断后伸长率≥20％或断后伸长率≥21％，最大力下总伸长率≥8％或最大力下总伸长率≥8.5％或最大力下总伸长率≥8.9％或最大力下总伸长率≥9.5％。

进一步地，本文所描述的600MPa级耐腐蚀钢筋具有优异的耐腐蚀性能。钢筋平均腐蚀率可以为4.23～4.31g/m

另外，在72小时周浸腐蚀试验中，根据《GB/T33953-2017钢筋混凝土用耐蚀钢筋》和《YB/T 4367钢筋在氯离子环境中腐蚀试验方法》记载，本文所描述的钢筋相比于牌号为HRB600E的钢筋相比，其相对腐蚀率低于70％，例如，相对腐蚀率低于69％或者低于68％或者低于67％。

在模拟海水环境的NaCl质量分数为3.5％的水溶液中，钢筋自腐蚀电位E

进一步地，耐腐蚀钢筋的微观组织为贝氏体和铁素体。

本发明的另一方面提供了一种600MPa级耐腐蚀钢筋制备方法。在本发明的600MPa级耐腐蚀钢筋制备方法的一个示例性实施例中，制备方法可以包括将铁水预处理(例如铁水预脱硫)工序、转炉冶炼工序、钢水精炼工序(例如LF炉精炼工序)、方培连铸工序、热连轧工序和控温控冷工序。

进一步地，铁水预处理工序是本领域技术人员所已知的，通过本领域常规方式对铁水进行预处理。

进一步地，在转炉冶炼工序中，转炉冶炼终点的钢水所含元素按质量百分数计可以为C≥0.05％，P≤0.02％。例如，转炉冶炼的终点可以为C大于0.07％，P不大于0.015％。

进一步地，在转炉冶炼工序中，钢水的脱氧和合金化可以加入以下成分和含量的合金，包括硅铁2.5kg/t～2.85kg/t、铬铁15.12kg/t～19.34kg/t、硅锰11.21kg/t～15.35kg/t、铜板5.10kg/t～5.97kg/t、镍板6.21kg/t～8.12kg/t、钒铁3.11kg/t～5.17kg/t、钼铁3.85kg/t～4.78kg/t。例如，在某一些实施方案中，可以包括硅铁2.59kg/t～2.75kg/t、铬铁15.86kg/t～18.34kg/t、硅锰12.21kg/t～15.12kg/t、铜板5.31kg/t～5.67kg/t、镍板6.38kg/t～7.83kg/t、钒铁3.17kg/t～4.85kg/t、钼铁3.97kg/t～4.68kg/t。例如，硅铁2.67kg/t、铬铁17.27kg/t、硅锰13.57kg/t、铜板5.56kg/t、镍板7.10kg/t、钒铁4.21kg/t、钼铁4.25kg/t。

对于上述合金的加入方式可以按照在出钢1/4时，依次按照硅铁-硅锰-铬铁顺序加入，铜板、镍板废钢装入转炉，并相应减少废钢装入量，钼铁、钒铁在钢水精炼工序加入。应当理解的是，在某些实施方案中，可以按照其他的方式加入合金。

进一步地，在钢水精炼工序过程中，转炉冶炼后的钢水到精炼工序后接通氩气，调节好气量。钢包开至精炼工位后，渣料按石灰200-400kg，萤石0-100kg加入，通电化渣8-15分钟后测温、取样；加入脱氧剂造白渣。根据LF炉取样分析结果，加入合金进行成分微调。成分温度达到目标后，喂纯钙线0-100m，软吹氩时间≥6min。

进一步地，在方培连铸工序过程中，可以全程保护浇注，大包长水口氩封，长水口插入液面≥150mm，正常浇注中包液面≥500mm。

进一步地，在热连轧过程中进行控温控冷，轧制过程采用24道次进行轧制，开始轧制温度可以1140±50℃，中间过程轧制温度可以为950℃～970℃，最终轧制温度可以为1080℃～1100℃。轧制完成后所生产钢筋力学性能均满足《GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》对600MPa级别抗震钢筋的各项指标。例如，轧制过程采用24道次进行轧制，开始轧制温度可以1170℃，中间过程轧制温度可以为960℃，最终轧制温度可以为1090℃。

为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。

示例1

表1所示的示例1与对比例1的钢筋均为经铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、方坯连铸、检验、精整、冷送、热连轧，轧制工艺采用24道次进行轧制，开始轧制温度：1180℃，中间过程轧制温度：960℃，最终轧制温度：1090℃，轧制成Φ12mm的螺纹钢筋，其示例1钢筋的力学性能如表2所示。

表1钢筋成分组成

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示例1耐腐蚀钢筋的微观形貌如图1～图4所示，其中，图4中的(a)为2000倍的微观形貌，(b)为5000倍的微观形貌，(c)为10000倍的微观形貌，(d)为20000倍的微观形貌。从图中可以看出，其钢筋的微观组织是由铁素体和贝氏体组成。

表2示例1与对比例1钢筋的力学性能

参照《GB/T33953-2017钢筋混凝土用耐蚀钢筋》和《YB/T 4367钢筋在氯离子环境中腐蚀试验方法》，对试验溶液种类、溶液温度、环境湿度、试验时间、浸润周期时间进行设定，72小时周期浸润实验设计如下：

试验试样配置：示例1钢筋平行试样5支，编号1到5，分别标记为示例1-1、示例1-2、示例1-3、示例1-4和示例1-5；对比例钢筋平行试样5支，编号1到5，分别标记为实施例1-1、实施例1-2、实施例1-3、实施例1-4和实施例1-5，共计10支。

试验试样规格：试样采用统一规格试样，规格为Φ9mm×50mm。

试验溶液种类：NaCl溶液。

试验溶液中的NaCl浓度为：质量分数2％。

试验期间补给溶液为：超纯水。

试验温度：45℃±2℃；试验环境湿度：70％±5RH；试验总时长：72小时；试验单一周期设置：60min/周期，浸润时间12min/周期，干燥时间48min/周期。

72小时周期浸润试验后，钢筋腐蚀失重量如表3和图5(图5中，曲线A表示示例1-1～示例1-5的腐蚀失重量，曲线B表示对比例1-1～对比例1-5的腐蚀失重量)所示，腐蚀率如表4和图6(图6中，曲线A表示示例1-1～示例1-5的腐蚀率，曲线B表示对比例1-1～对比例1-5的腐蚀率)所示，相对腐蚀率如表5所示。

表3钢筋腐蚀失重量

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表4钢筋腐蚀率

表5相对腐蚀率

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从表3和附图5可以看出，示例1钢筋的腐蚀失重量小于对比例1钢筋的腐蚀失重量，其钢筋腐蚀率也更小，相对腐蚀率为69％。

示例2-示例6

示例2与示例5的钢筋成分如表6所示。

表6示例2～示例6的钢筋成分组成

示例2～示例6按照示例1所记载的方法进行测试，其力学性能、腐蚀率、相对腐蚀率如表7所示。

表7示例2～示例6钢筋各项性能

从表2、4、5和7可以看出，示例1～6的钢筋在耐腐蚀性能方面大幅度优于对比例1。本发明的耐腐蚀钢筋其平均腐蚀率可以达到4.23～4.31g/m

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。