CN104178697A - 一种耐高温抗震钢筋及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种耐高温抗震钢筋，其组分及wt%为：C：0.20～0.25%、Si：0.6～1.0%、Cr：0.09～0.11%、Mn：1.2～1.6%、P≦0.03%、S≦0.02%、稀土元素0.05～0.15%、V：0.03～0.05%、Al：0.1～0.3%、Mo：0.2～0.3%、N：0.008～0.012%、Nb：0.025～0.05%；生产步骤：铁水脱硫；转炉冶炼；吹氩并喂入铝线；铸坯；自然堆垛冷却至室温；对铸坯加热；粗轧；精轧；自然空冷至室温待用。本发明在现有装备无需改动的情况下，生产出的热轧态耐高温抗震钢筋，既能满足抗震性能，又能满足钢筋耐600℃高温半小时屈服强度下降不到1/3的要求，并降低了生产成本。

Description

一种耐高温抗震钢筋及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种耐高温钢筋及其生产方法，具体属于一种耐高温抗震钢筋其生产方法。

背景技术

随着国内住宅建筑向高层发展，楼层越做越高，使钢筋的防火问题愈显突出，在火灾的高温作用下，钢材的强度和刚度会明显降低，并可能发生建筑物倒塌而酿成巨灾。一旦发生火宅，燃烧物使周围温度迅速超过300℃以上，而混凝土一般温度在300℃以下，基本变化不大，600℃抗压强度衰减一半，800℃只有原来的10%，2001年“9·11”事件中，美国纽约的世贸中心受恐怖分子驾机撞击，使大量航空燃油爆炸燃烧后引起倒塌便是一例。因此开发一种耐高温的钢筋使得建筑物能够在高温下承受足够长的时间而不会因为钢筋强度降低而倒塌是非常重要的，人们可以拥有足够自救时间，通过楼梯跑到低楼层获救。 

中国专利申请号为CN201210340402.7的专利文献，其公开了一种混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋及其制备方法，经过钢水冶炼、钢水浇涛、钢坯控轧控冷，得到具有下列质量比的化学成分的混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋：C：0.15～0.20%，Si：0.45～0.65%，Mn：0.80～1.05%，Cr：0.60～0.80%，V：0.050～0.070%，B：0.0008～0.0020%，S≤0.045wt%，P≤0.045wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。本发明具有生产成本低、工艺适用性及控制性强等特点，钢的显微组织分布均匀且形态好，铁素体细晶效果显著，高温屈服强度明显高于普通钢材，具有较好的耐火性，高强度，高塑韧性，良好的焊接及抗震性，综合性能优异。其缺点是存在过高的贝氏体组织，容易造成屈服不明显，而且过高的贝氏体易使R_m实/R_el实大于1.3，不能完全满足抗震性能；同时轧制过程中需要分段控制冷却速度，对设备要求较高。

中国专利申请号为CN201110053020.1的专利文献，公开了一种高强度抗震建筑用钢筋及其制造方法。该建筑用钢筋的化学成分按重量百分数计为：C：0.14～0.22、Si：0.50～1.50、Mn：1.00～1.60、P≤0.025、S≤0.020、Al：0.10～1.30，其余为Fe及不可避免的杂质；该建筑用钢筋的制造方法，包括铁水预脱硫、转炉冶炼、精炼处理、连铸、热连轧、轧后控冷的步骤。其缺点是生产该钢筋工艺复杂，需要热处理才能达到抗震的效果，但其R_m实/R_el实不能完全满足标准中小于1.3的要求，抗震性能不满足。同时其性能不能满足耐高温性。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种在保证普通钢筋力学性能情况下，能显著提高其耐高温和抗震性能，即在600℃高温下，其屈服值仍在常温值2/3以上的耐高温抗震高温钢筋及生产方法，同时该方法控制上无需进行设备改造升级。

本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的的起影响或者关键作用的合金元素及工艺进行了深入的研究其结果，为了即使在保证（基本）性能的前提下，还能实现（本申请所述的目的），因此提出了采用在成分方面主要是采用了提高V、Nb 元素含量，使添加铌、钒可以与钢中的碳、氮原子形成细小的碳化物和碳氮化物，这些碳化物和碳氮化物在奥氏体转化为铁素体和珠光体的过程中和转变后逐渐析出，起到细化钢的室温组织的作用，并阻碍晶格中的位错运动，产生沉淀强化的作用，最终达到改进钢的强韧性，V、Nb叠加细化组织和沉淀强化的作用使强化效果更显著；其次还添加了耐高温的元素钼、铬和稀土，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀，改善热塑性；成分的优化，还需要匹配的工艺才行，因此，本申请经研究，工艺方面主要是采取了低温轧制工艺，开轧温度在1000～1100℃范围， 精轧终轧温度在778～865℃的范围，目的是终轧温度更接近相变温度，钢坯的原始奥氏体晶粒较小，通过轧制变形使相应的轧制终了的奥氏体晶粒也较小，因而使晶粒得到细化，综合性能得到改善，同时也有利于钒的析出物析出更加细小和弥散，所以终轧温度在778～865℃。

实现上述目的的措施：

一种耐高温抗震钢筋，其组分及重量百分比含量为：C：0.20～0.25%、Si：0.6～1.0%、Cr：0.09～0.11%、Mn：1.2～1.6%、P≦0.03%、S≦0.02%、稀土元素0.05～0.15%、V：0.03～0.05%、Al：0.1～0.3%、Mo：0.2～0.3%、N：0.008～0.012%、Nb：0.025～0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；同时满足： V+ Nb不低于0.06%。

优选地：Si重量百分比含量为：0.66～0.93%。

优选地：N重量百分比含量为：0.009～0.0115%。

生产一种耐高温抗震钢筋的方法，其步骤：

1)对铁水进行脱硫，并采用喷镁粉脱硫，控制脱硫后出站铁水中的S≦0.01%，且不留渣操作；

2)进行转炉冶炼：采用顶底复合吹炼，控制废钢加入量占炉内总装入量的10～15%；点吹不超过二次；终渣碱度控制在2.8~3.8；终点C不低于0.08%；控制出钢温度在1660～1690℃；钢包渣层厚度控制在不超过100mm；

   出钢到1/4时，先向钢水中加入硅锰铁及碳化硅合金原料，其中：硅锰铁按照18~22Kg/吨钢加入，碳化硅按照1.3~1.7Kg/吨钢加入；当出钢到3/4时，按照0.9～1.4kg/吨钢加入钒铁，按照2～2.3kg/吨钢加入铬铁，按照0.6～1.2kg/吨钢加入铌铁，按照1.5～2kg/吨钢加入氮化硅锰，按照1～5kg/吨钢加入稀土，按照0.7～1kg/吨钢加入钼铁，按照 0.1～0.3kg/吨钢加入碳粉，一次性加完；

3)在氩站吹氩，在成分进行微调后开始吹氩，吹氩时间不低于5 min，并在吹氩的同时按照5～10米/吨钢喂入铝线； 

4) 进行铸坯：采用大罐长水口及结晶器浸入式水口进行保护浇注，控制水口的插入深度在100~150mm；且中间包保护渣采用碱性的，结晶器保护渣采用中碳的，常规速度拉坯；

5) 自然堆垛冷却至室温；

6) 对铸坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，加热时间在100～120min；

7) 进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

8)进行精轧，控制其终轧温度778~865℃；

9) 自然空冷至室温待用。

本发明中各元素及主要工序的作用

C：C是扩大和稳定奥氏体元素，提高钢材强度最有效的元素，也能提高耐热钢的高温强度，但是当其含量低于0.20%时，会导致力学性能不足而增加合金添加量从而增加了生产成本，当其含量高0.25%，会产生塑性和韧性下降，使得焊接性能以及抗震性能不合格，因此，本发明C选择在0.18~0.25%。

Si：是一种廉价的置换强化元素，可以显著提高钢的强度，但是Si含量过高会影响钢的焊接性能，以及恶化热塑性，所以选择Si的范围在0.6～1.0%。优选地：Si重量百分比含量为：0.66～0.93%。

Mn：显著降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，综合提高钢的综合性能，Mn低于1.2%时，提高综合性能不明显，但Mn高于1.6%时，会导致可焊性和焊接热影响区热性恶化，而且会损害耐热钢的抗氧化性能，所以选择Mn的范围在1.2～1.6%；

P、S：作为有害元素，其含量越低越好。S含量过高，会形成大量的MnS夹杂，降低钢材的机械性能，因此含量越低越好，所以选择S的范围在≦0.02%；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.03%。

N: 作为VN析出必需的元素，为了保证一定的析出量，因此，其含量有最小的含量，但是N含量过高会影响钢中内部质量，所以选择N的范围在0.008～0.012%。优选地：N重量百分比含量为：0.009～0.0115%。

Nb：是强碳化物型材元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒长大，细化组织，提高钢的综合力学性能，Nb低于0.025%时，效果不明显，不能够满足力学性能要求，但Nb含量高于0.05%易使析出相粗大而弱化析出强化效果，而且会显著增加成本。选择范围Nb在 0.025～0.05%。

V：是微合金化钢最常用也是最有效的强化元素之一。钒的作用是通过形成VN、V (CN)来影响钢的组织和性能，它主要是在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，细化铁素体晶粒，提高钢的高温强度。V低于0.03%时，析出强化效果不能够满足力学性能要求，V高于0.05%时，析出强化使强度太高而导致韧性变差，所以选择V的范围在0.03～0.05%。

Cr：铬能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，但同时会降低塑性和韧性；同时铬是提高钢的抗氧化性和抗高温气体腐蚀的主要元素，是耐热钢的重要合金元素，在高温下能促使金属表面生成致密的氧化膜，防止继续氧化，提高钢的耐高温性能。Cr含量低于0.09%时，氧化膜太薄而不能阻止高温继续氧化，同时其提高的强度不够而不满足钢筋性能，若Cr含量高于0.11%时，氧化膜太厚反而不利于阻止氧化，同时其提高的强度过高而使韧性降得过多而不能满足性能要求，所以选择Cr的范围在0.09～0.11%。

Mo: 是强碳化元素。细化钢的晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时能够保持足够的强度和抗蠕变能力，也能提高钢的红硬性，如含量低于0.2%时，效果不明显，高于0.3%时，会在焊接时形成马氏体也导致焊接接头脆性增加，所以选择Mo的范围在Mo0.2～0.3%。

Al：是作为炼钢时的脱氧定氮剂，Al与钢中的N形成细小难溶AlN质点，起到阻抑作用，进而细化铁素体晶粒，Al含量低于0.1%，细化作用不明显，Al含量高于0.3%，降低了钢液的流动性，形成大量的Al₂O₃会在水口结瘤，从而堵住水口以及恶化热塑性，所以选择Al的范围在0.1～0.3%，

稀土元素：对夹杂物和净化钢质有很大的作用，变形后的夹杂物在高温时不会成为裂纹源，从而不会降低钢的高温强度，能够提高钢的抗氧化性，改善热塑性，稀土含量超过一定值才有作用，但含量高于0.15%时反而增加了钢中第二相数量，而对力学性能有不利影响，所以选择范围在0.05～0.15%。

关于对V+ Nb不低于0.06%的限定问题：在本发明的试验中发现，如果不对其两元素之和限定在此范围内，则，当其之和低于该范围，会导致屈服强度不够，富余量偏小，时效后性能达不到相应级别要求；当其之和高于该范围，会导致强度过高，而使塑性变差，最大拉力下伸长率Agt不合，达不到抗震要求。

之所以采用了开轧温度在：1000～1100℃， 精轧终轧温度在778～865℃的范围，目的是终轧温度更接近相变温度，钢坯的原始奥氏体晶粒较小，通过轧制变形使相应的轧制终了的奥氏体晶粒也较小，因而使晶粒得到细化，综合性能得到改善，同时也有利于钒的析出物析出更加细小和弥散。

本发明与现有技术相比，该钢筋在现有装备无需改动的情况下，生产出的热轧态耐高温抗震钢筋，既能满足抗震性能，又能满足钢筋耐600℃高温半小时屈服强度下降不到1/3的要求，并降低了生产成本。

附图说明

附图为本发明的金相组织图；

本发明附图中的铁素体晶粒度为10-10.5级，说明V、Nb的析出强化起到很好的细化晶粒作用。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能监测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1)对铁水进行脱硫，并采用喷镁粉脱硫，控制脱硫后出站铁水中的S≦0.01%，且不留渣操作；

2)进行转炉冶炼：采用顶底复合吹炼，控制非钢加入量占炉内总装入量的10～15%；点出不超过二次；终渣碱度控制在2.8~3.8；终点C不低于0.08%；控制出钢温度在1660～1690℃；钢包渣层厚度控制在不超过100mm；

   出钢到1/4时，先向钢水中加入硅锰铁及碳化硅合金原料，其中：硅锰铁按照18~22Kg/吨钢加入，碳化硅按照1.3~1.7Kg/吨钢加入；当出钢到3/4时，按照0.9～1.4kg/吨钢加入钒铁，按照2～2.3kg/吨钢加入铬铁，按照0.6～1.2kg/吨钢加入铌铁，按照1.5～2kg/吨钢加入氮化硅锰，按照1～5kg/吨钢加入稀土，按照0.7～1kg/吨钢加入钼铁，按照 0.1～0.3kg/吨钢加入碳粉一次性加完；

3)在氩站吹氩，在成分进行微调后开始吹氩，吹氩时间不低于5 min，并在吹氩的同时按照5～10米/吨钢喂入铝线； 

4) 进行铸坯：采用大罐长水口及结晶器浸入式水口进行保护浇注，控制水口的插入深度在100~150mm；且中间包保护渣采用碱性的，结晶器保护渣采用中碳的，常规速度拉坯

5) 自然堆垛冷却至室温；

6) 对铸坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，加热时间在于100～120min；

7) 进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

8)进行精轧，控制其终轧温度778~865℃；

9) 自然空冷至室温待用。

表1    本发明实施例与比较例的化学成分列表（wt%）

表2  本发明各实施例及对比例工艺主要参数控制列表（一)

表2  本发明各实施例及对比例控轧工艺主要参数控制（二)

表3   本发明各实施例及对比例的力学性能对比列表

从表3可以看出，在常温下，本发明的力学性能与目前生产的钢筋性能相当，但在600℃下，本发明的钢仍然具在原屈服值2/3以上，而目前普通的钢筋只有原屈服值的一半左右。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims (4)

1.一种耐高温抗震钢筋，其组分及重量百分比含量为：C：0.20～0.25%、Si：0.6～1.0%、Cr：0.09～0.11%、Mn：1.2～1.6%、P≦0.03%、S≦0.02%、稀土元素0.05～0.15%、V：0.03～0.05%、Al：0.1～0.3%、Mo：0.2～0.3%、N：0.008～0.012%、Nb：0.025～0.05%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；同时满足： V+ Nb不低于0.06%。

2.如权利要求1所述的一种耐高温抗震钢筋，其特征在于：Si重量百分比含量为：0.66～0.93%。

3.如权利要求1所述的一种耐高温抗震钢筋，其特征在于：N重量百分比含量为：0.009～0.0115%。

4.生产权利要求1所述的一种耐高温抗震钢筋的方法，其步骤：

1)对铁水进行脱硫，并采用喷镁粉脱硫，控制脱硫后出站铁水中的S≦0.01%，且不留渣操作；

2)进行转炉冶炼：采用顶底复合吹炼，控制废钢加入量占炉内总装入量的10～15%；点吹不超过二次；终渣碱度控制在2.8~3.8；终点C不低于0.08%；控制出钢温度在1660～1690℃；钢包渣层厚度控制在不超过100mm；

   出钢到1/4时，先向钢水中加入硅锰铁及碳化硅合金原料，其中：硅锰铁按照18~22Kg/吨钢加入，碳化硅按照1.3~1.7Kg/吨钢加入；当出钢到3/4时，按照0.9～1.4kg/吨钢加入钒铁，按照2～2.3kg/吨钢加入铬铁，按照0.6～1.2kg/吨钢加入铌铁，按照1.5～2kg/吨钢加入氮化硅锰，按照1～5kg/吨钢加入稀土，按照0.7～1kg/吨钢加入钼铁，按照 0.1～0.3kg/吨钢加入碳粉，一次性加完；

3)在氩站吹氩，在成分进行微调后开始吹氩，吹氩时间不低于5 min，并在吹氩的同时按照5～10米/吨钢喂入铝线； 

4) 进行铸坯：采用大罐长水口及结晶器浸入式水口进行保护浇注，控制水口的插入深度在100~150mm；且中间包保护渣采用碱性的，结晶器保护渣采用中碳的，常规速度拉坯；

5) 自然堆垛冷却至室温；

6) 对铸坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，加热时间在100～120min；

7) 进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

8)进行精轧，控制其终轧温度778~865℃；

9) 自然空冷至室温待用。