一种低成本的400MPa级螺纹钢筋及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种低成本的400MPa级螺纹钢筋及其制备方法。

背景技术

螺纹钢筋一直是建筑行业不可或缺的结构材料，而随着螺纹钢筋的需求和用量越来越大，一些钢筋的质量问题也由此产生，并且国家于2018年11月实施了GB/T 1499.2-2018新标准，对螺纹钢筋的质量提出了更高的要求。因此如何提高螺纹钢筋的钢筋质量引起了国内企业的广泛研究。

自GB/T 1499.2-2018标准实施后，为了满足质量标准，国内螺纹钢筋生产企业基本都在碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)强化元素的基础上，加入铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti)等微合金化元素，用于提高螺纹钢筋的质量要求。但是采用这种方法会出现一些问题：铌(Nb)、钒(V)成本高，加热能耗高，性能波动大；而钛(Ti)微合金化时稳定性很难控制且加热时要防止二次氧化。这些方法不利于螺纹钢筋的低成本生产，不利于提升市场竞争力，因此迫切需要一种新的方法来解决这些问题。

专利CN110438412A公开了一种HRB400E钢筋及其生产方法，在成分设计上添加了1.45～1.58％的锰(Mn)，同时添加了0～0.21％价格较高的元素钒(V)，这种方法增加了生产成本；专利CN112226682A公开了一种HRB400E级螺纹钢筋用钢生产工艺，该发明在成分设计上添加了0.65～0.80％的硅(Si)，在钢筋表面容易产生红色氧化铁皮，影响钢筋的质量。专利CN103469064A公开了一种HRB400E高强抗震钢筋及其制备方法，该发明在成分设计上添加了1.3～1.60％的锰(Mn)以及0.4～0.6％的硅(Si)，使得生产成本增加同时表面容易产生红色氧化铁皮，因此需要寻求一种既能够降低成产成本，又能够提高螺纹钢筋的质量品质的制备方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低成本的400MPa级螺纹钢筋及其制备方法，钢中不添加任何微合金元素，且锰含量与硅含量较少，通过化学成分与工艺的整体调控既能降低生产成本又能满足性能要求，制备出低成本、表面质量好的400MPa级螺纹钢筋。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种低成本的400MPa级螺纹钢筋，其化学成分按质量百分数为：C：0.20～0.28％，Si：0.10～0.30％，Mn：0.4～0.7％，P：≤0.045％，S：≤0.045％，O：＜50ppm，N：＜50ppm，余量为Fe元素和不可避免的杂质。

所述的低成本的400MPa级螺纹钢筋显微组织为铁素体+珠光体，按体积比，铁素体：珠光体为60～69：40～31。

所述的低成本的400MPa级螺纹钢筋的直径为Φ20～Φ32mm。其主要力学性能满足：屈服强度为440～460MPa，抗拉强度为620～680MPa，断后伸长率为19％～25％，最大力总延伸率为11.9％～12.5％，强屈比为1.38～1.48。

本发明的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，具体包括如下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm的钢坯加热到1100～1150℃，保温1～2h，得到加热后的钢坯；

所述的步骤(1)中，钢坯的出炉温度为1060～1100℃，钢坯含有的化学成分及各个化学成分的质量百分比为：C：0.20～0.28％，Si：0.10～0.30％，Mn：0.4～0.7％，P：≤0.045％，S：≤0.045％，O：＜50ppm，N：＜50ppm，余量为Fe元素和不可避免的杂质；

(2)对加热后的钢坯进行多道次孔型轧制，开轧温度为1000～1050℃，得到圆型中间坯；

所述的步骤(2)多道次孔型轧制的轧制道次为10-12道次。

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为50℃/s～80℃/s，冷至780～810℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行多道次孔型轧制，开轧温度770～800℃，得到Φ20～Φ32mm的钢筋；

所述的步骤(4)多道次孔型轧制的轧制道次为4道次。

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为30～50℃/s，终冷温度为710～750℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为100～140℃/s，瞬间钢筋表面冷至650～710℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

本发明的一种低成本的400MPa级螺纹钢筋及其制备方法，对400MPa级螺纹钢筋从化学成分和生产工艺上进行了全新设计，有益效果如下：

(1)采用低锰(Mn)的成分设计思路，同时避免采用大量的铌(Nb)、钒(V)等贵重稀有元素，使得加热能耗低，产品性能波动小，且生产成本大幅降低；

(2)采用低硅(Si)的成分设计思路，减少了钢筋表面红色氧化铁皮的生成，使得钢筋表面质量完好；

(3)在低锰和低硅的成分条件下，对圆型中间坯进行冷却，使得钢筋晶粒细化，强度增加；

(4)并通过控轧控冷的方式进一步提升了钢筋组织均匀性；

(5)钢筋心部与表面组织均匀性一致。

附图说明

图1本发明实施例2制备的Φ25mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的金相组织照片

图2本发明实施例2制备的Φ25mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的拉伸曲线。

具体实施方式

本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1130℃，保温1h，钢坯的出炉温度为1080℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表1；

(2)对加热后的钢坯进行12道次孔型轧制，开轧温度为1020℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为55℃/s，冷至780℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度770℃，得到Φ20mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为35℃/s，终冷温度为710℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为100℃/s，瞬间钢筋表面冷至650℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ20mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为62％铁素体+38％珠光体。

表1化学成分

表2力学性能

实施例2

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1120℃，保温1.1h，钢坯的出炉温度为1070℃得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表3；

(2)对加热后的钢坯进行12道次孔型轧制，开轧温度为1010℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为60℃/s，冷至795℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度783℃，得到Φ22mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为30℃/s，终冷温度为721℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为120℃/s，瞬间钢筋表面冷至660℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ22mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为63％铁素体+37％珠光体，其金相组织图见图1。

表3化学成分

对制备的低成本的400MPa级螺纹钢筋进行机械性能测试，其拉伸曲线见图2，其力学性能数据见表4。

表4力学性能

实施例3

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1140℃，保温1.7h，钢坯的出炉温度为1090℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表5；

(2)对加热后的钢坯进行12道次孔型轧制，开轧温度为1025℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为70℃/s，冷至803℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度789℃，得到Φ23mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为35℃/s，终冷温度为712℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为130℃/s，瞬间钢筋表面冷至660℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ23mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为61％铁素体+39％珠光体。

表5化学成分

表6力学性能

实施例4

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1137℃，保温2h，钢坯的出炉温度为1085℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表7；

(2)对加热后的钢坯进行12道次孔型轧制，开轧温度为1034℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为70℃/s，冷至810℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度800℃，得到Φ24mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为45℃/s，终冷温度为750℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为120℃/s，瞬间钢筋表面冷至710℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ24mm低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为65％铁素体+35％珠光体。

表7化学成分

表8力学性能

实施例5

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1150℃，保温1.8h，钢坯的出炉温度为1100℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表9；

(2)对加热后的钢坯进行10道次孔型轧制，开轧温度为1008℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为50℃/s，冷至785℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度775℃，得到Φ26mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为33℃/s，终冷温度为727℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为131℃/s，瞬间钢筋表面冷至653℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ26mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为66.2％铁素体+33.8％珠光体。

表9化学成分

表10力学性能

实施例6

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1110℃，保温1.5h，钢坯的出炉温度为1060℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表11；

(2)对加热后的钢坯进行10道次孔型轧制，开轧温度为1050℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为80℃/s，冷至807℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度797℃，得到Φ28mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为42℃/s，终冷温度为733℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为107℃/s，瞬间钢筋表面冷至658℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ28mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为64.3％铁素体+35.7％珠光体。

表11化学成分

表12力学性能

实施例7

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1133℃，保温1.6h，钢坯的出炉温度为1087℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表13；

(2)对加热后的钢坯进行10道次孔型轧制，开轧温度为1011℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为65℃/s，冷至800℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度790℃，得到Φ30mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为50℃/s，终冷温度为740℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为113℃/s，瞬间钢筋表面冷至656℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ30mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为63％铁素体+37％珠光体。

表13化学成分

表14力学性能

实施例8

本实施例的低成本的400MPa级螺纹钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)将160mm×160mm小方钢坯加热至1123℃，保温1.9h，钢坯的出炉温度为1072℃，得到加热后的钢坯；其中，钢坯的化学成分见表15；

(2)对加热后的钢坯进行10道次孔型轧制，开轧温度为1024℃，得到圆型中间坯；

(3)对圆型中间坯进行冷却，冷却速度为67℃/s，冷至785℃，得到冷却后中间坯；

(4)对冷却后中间坯进行4道次孔型轧制，开轧温度775℃，得到Φ32mm的钢筋；

(5)对钢筋进行两段冷却，第一段冷却速度为37℃/s，终冷温度为719℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为134℃/s，瞬间钢筋表面冷至659℃，最后上冷床冷却，得到低成本的400MPa级螺纹钢筋。

制备的Φ32mm的低成本的400MPa级螺纹钢筋的显微组织为64.2％铁素体+35.8％珠光体。

表15化学成分

表16力学性能

对比例1

一种螺纹钢筋，其成分同实施例1，不同之处在于：Si含量为0.4％，则钢筋表面产生了一层红色氧化铁皮，严重影响了钢筋的质量。

对比例2

一种螺纹钢筋，其成分同实施例1，不同之处在于：Mn含量为1.45％，钢筋的屈服强度及抗拉强度略微增加，但增加幅度不大，同时因为Mn含量的增加，钢筋的生产成本大幅增加。

对比例3

一种螺纹钢筋，其制备方法同实施例1，不同之处在于：无步骤(3)，则钢筋中的铁素体含量大幅增加，珠光体含量减少，使得钢筋的屈服强度及抗拉强度大幅降低，不满足400MPa级螺纹钢筋的要求。

对比例4

一种螺纹钢筋，其制备方法同实施例1，不同之处在于：在步骤(5)中，进行一段冷却后，得到的钢筋上冷床冷却，得到螺纹钢筋，则钢筋的组织均匀性差，晶粒尺寸都变得粗大，且水耗与能耗大幅增加。

对比例5

一种螺纹钢筋，其制备方法同实施例1，不同之处在于：在步骤(5)中，第一段冷却速度为100℃/s，终冷温度为710℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为100℃/s，瞬间钢筋表面冷至650℃，最后上冷床冷却，实验钢的组织由铁素体及珠光体组成，其中铁素体含量为55％，显著低于实施例1，实验钢的屈服强度为460MPa，抗拉强度为645MPa，断后伸长率及最大力延伸率有所降低，断后伸长率为19％，最大力延伸率为9.9％。

对比例6

一种螺纹钢筋，其制备方法同实施例1，不同之处在于：在步骤(5)中，第一段冷却速度为35℃/s，终冷温度为710℃，钢筋返温之后进行第二段冷却，冷却速度为35℃/s，瞬间钢筋表面冷至650℃，最后上冷床冷却，实验钢的组织为铁素体+珠光体，晶粒度高于实施例1，实验钢的强度降低，屈服强度为395MPa，抗拉强度为580MPa。