CN102154585A

CN102154585A - 高强度抗震建筑用钢筋及其制造方法

Info

Publication number: CN102154585A
Application number: CN 201110053020
Authority: CN
Inventors: 罗国华; 范植金; 尹云洋; 陈颜堂; 朱玉秀; 朱从茂; 陈玮
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-03-07
Also published as: CN102154585B

Abstract

本发明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。实践证明，按照本发明制造方法生产的高强度抗震钢筋具备高强度、低屈强比、高强塑积以及优良抗震性能的特点。

Description

高强度抗震建筑用钢筋及其制造方法

技术领域

本发明属于建筑用钢技术领域，具体是指一种高强度抗震建筑用钢筋及其制造方法。

背景技术

由于地震等自然灾害频发，建筑结构的安全性及抗震性能得到人们极大的重视，建筑用钢筋性能要求也越来越高。本发明之前，申请号为200710026499.3的中国发明专利公开了一种生产含铌HRB400MPa级钢筋的方法，采用Nb微合金与Nb、V复合微合金化，其化学成分(wt％)为C：0.18～0.24、Si：0.40～0.65、Mn：1.00～1.50、Nb：0.03～0.045、S≤0.045、P≤0.045、V：0～0.035，生产方法为连铸坯矫直温度不低于950、加热温度1100～1250、均热温度1150～1230，开轧温度1050～1100，钢筋具有高强度、抗震性和可焊性。申请号为200410065254的中国发明专利提供了一种高强度抗震热轧钢筋用钢，其化学成分(wt％)为C：0.07～0.16、Si：1.2～2.0、Mn：1.5～2.0、Cr≤0.4、V：0.02～0.14，在通用的轧钢设备上采用普通的轧制工艺生产出屈服强度R_eL(R_p0.2)550MPa、强屈比R_m/R_eL(R_p0.2)≥1.45的高强度、抗震性良好的热轧钢筋或高强度棒材。

在国外，专利号为JP9137222的日本专利公开了一种化学成分(wt％)为C：0.15～0.50、Si：0.15～1.50、Mn：0.30～2.50、Cr：0.02～2.00、V：0.01～0.40、Nb：0.005～0.40、N：0.003～0.02、Cu：0～0.50、Ni：0～0.50的抗震钢，其制造工艺包括加热到1050～1250进行热轧、以0.1～3.0℃/s速度快速冷却、中间轧制以及在500～700下1～5s内完成终轧等步骤，生产的钢筋具有高强度、低屈服比和优异抗震性能。日本的另一专利号为JP9095735的发明专利，提供了一种高强度钢筋，其化学成分(wt％)为C：0.10～0.40、Si：0.05～0.60、Mn：0.60～2.00以及Al、N、B、P、S、Ni、Mo、Ti、V或Nb等组成，生产方法为加热到950～1250℃进行粗轧、快速冷却后进行中间轧制或终轧，获得细微铁素体-贝氏体组织，钢筋的屈服强度达到345MPa以上、屈强比小于0.8、屈服平台延伸率大于1.4％，夏比冲击值不小于27J/cm²，具有较好的抗震性能和较高的屈服强度。

以上现有高强度钢筋主要采用合金化结合控制控冷工艺来实现，其钢成分复杂、合金元素含量高成本偏高，而且存在钢产品强度不高、延伸率低以及屈强比偏高的问题，另外，它们的制造工艺流程复杂，这些问题直接影响了建筑结构的建造成本及安全性。

发明内容

本发明的目的就是要提供一种高强度抗震建筑用钢筋及其制造方法。该建筑用钢筋成分简单并且具备高强度、低屈强比、高强塑积以及优良抗震性能的特点，而且其制造工艺流程简单，生产成本低廉。

为实现上述目的，本发明所设计的高强度抗震建筑用钢筋，其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。

本发明高强度抗震建筑用钢筋的制造方法，是按照常规纯净钢工艺进行生产，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，其特殊之处在于：轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段温度控制在700℃以下，加热温度为1150～1230℃，加热时间为2～4h，粗轧温度控制为1040～1150℃，而且粗轧完成时温度控制在950℃以上，并按照常规棒材热连轧工艺轧制钢坯，终轧温度为840～900℃。

进一步地，根据钢筋直径规格采用以下不同轧后控冷工艺：

棒材直径小于等于25mm时，轧后直接以50～300℃/s快速冷却至150～300℃，并在该温度下保持50～100s，然后进行热处理，热处理温度控制为350～450℃，保温时间2～4min，热处理结束后空冷；

棒材直径大于25mm时，轧后直接以50～300℃/s，快速冷却至200～300℃，采用余热处理直接空冷。

以下就本发明高强度抗震建筑用钢筋的化学成分及其制造方法进行分析说明：

C是钢中的主要强化元素，钢中必须存在一定的C含量以确保钢的强度。此外，在热处理或余热处理时，能确保有足够的C原子从马氏体扩散到残余奥氏体中，增加残余奥氏体的化学稳定性，从而在塑性变形时，产生相变诱导塑性，使钢具有较好的强度和塑性。但碳含量过高，钢的焊接性较差，因此，本发明将碳重量百分含量需控制在0.14～0.22％。

Si是一种固溶强化元素，可提高钢的强度。同时Si还是一种较强的非碳化物形成元素，可显著抑制热处理或余热处理时渗碳体的析出，提高残余奥氏体的稳定性。Si含量不宜过高，以免降低钢的韧性及影响钢的焊接性能。

钢中Mn可以提高钢的强度，并可增加残余奥氏体的稳定性，提高组织中残余奥氏体的体积分数。此外，Mn能降低渗碳体的开始析出温度，降低C在铁素体和奥氏体中的活度系数，增大C在铁素体中的溶解。除此以外，Mn还能使Bs、Ms点降低，1％的Mn可降低Ms点约30℃。过高的Mn含量降低钢的韧性及塑性，并降低钢的焊接性能，因此，Mn的重量百分含量控制在1.00～1.60％。

本发明钢的P、S限定在P≤0.025％、S≤0.020％的较低水平，因为钢中P、S都是有害元素，理论上要求其含量越低越好，按照生产纯净钢工艺冶炼，才能保证本发明钢的性能。

在本发明钢中Al的作用与Si相似，也是一种固溶强化元素，但效果比Si略差。Al也阻碍热处理或余热处理时渗碳体的析出，提高残余奥氏体的稳定性。

本发明的制造方法采用按照常规纯净钢工艺进行生产，铁水经预脱硫、转炉冶炼、精炼处理后，可降低钢中的P、S等杂质元素的含量，同时将有害气体，如O、N、H等气体控制在较低水平，实现纯净钢质的功能。为了消除部分铸坯缺陷，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段温度控制在700℃以下，可避免过大温差使钢坯内部产生超负荷的内应力。Al是缩小奥氏体相区的元素，当铝含量较高时，钢坯组织要完全奥氏体化的加热温度较高，为了保证钢坯奥氏体化而且组织均匀，加热温度控制在1150～1230℃，同时，高温加热时间不能过长，控制在2～4h，避免产生脱碳等表面缺陷。粗轧开轧温度控制为1040～1150℃，且粗轧完成温度控制在950℃以上，有利于保证钢坯在粗轧过程中有较好的塑性，同时确保在轧制过程，奥氏体发生反复再结晶，从而细化奥氏体晶粒。终轧温度控制在840～900℃，因为在此区间轧制，奥氏体很难发生动态再结晶，因而在轧制过程中所产生的大量缺陷，如位错、形变带等，将在随后的快冷中被保留下来，从而细化马氏体组织及提高钢的力学性能。进一步地，在冷却步骤中，根据钢筋直径规格采用以下不同轧后控冷工艺：棒材直径小于等于25mm时，轧后直接以50～300℃/s快速冷却至150～300℃并保持50～100s，这主要是轧制后可以让奥氏体发生马氏体相变，并保留一定含量的残余奥氏体。轧制后在350～450℃保温时间2～4min，主要是让马氏体中过饱和的C原子扩散到残余奥氏体中，增加残余奥氏体的稳定性。钢塑性变形时因此会产生相变诱导塑性效应，使钢具有较高的强度和较好的塑性。棒材直径大于25mm时，轧后直接以50～300℃/s，快速冷却至200～300℃，在冷却过程中，棒材表层的组织，如奥氏体会发生部分马氏体相变。钢材心部因棒材直径较大，冷却速率因此较小，温度较高，很难发生马氏体相变。在存放过程中，钢材心部的热量通过传导传送到钢材表面，从而让马氏体中过饱和的C原子扩散到残余奥氏体中，增加残余奥氏体的稳定性。

本发明的建筑用钢筋采用低碳硅锰铝钢经过特殊制造工艺生产后，产品的显微组织为马氏体+残余奥氏体+少量铁素体或者马氏体+铁素体+残余奥氏体，制造时，通过采用轧制控冷工艺来调整钢中各种显微组织合理比例，使钢筋具备高强度、低屈强比、高强塑积以及优良抗震性能等特点，从而实现节约建筑结构钢筋的使用量，降低建筑成本社会效益。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的高强度抗震建筑用钢筋及其制造方法作进一步详细描述。

表1列出了本发明实施例1～8建筑用钢筋的化学成分重量百分比含量(余量为Fe及不可避免的杂质)。

表1

编号	C	Si	Mn	P	S	Al
							实施例1	0.185	1.49	1.60	0.015	0.015	0.15
实施例2	0.212	0.50	1.55	0.018	0.016	1.25
							实施例3	0.172	1.43	1.12	0.012	0.010	0.20
实施例4	0.189	0.80	1.45	0.012	0.011	1.30
							实施例5	0.148	1.12	1.36	0.013	0.009	0.45
实施例6	0.140	1.00	1.25	0.016	0.020	0.10
							实施例7	0.206	1.50	1.00	0.020	0.008	0.80
实施例8	0.200	1.22	1.60	0.021	0.013	1.00

对上述实施例建筑用钢筋，按照常规纯净钢工艺进行生产，经过铁水预脱硫、转炉冶炼、精炼处理、连铸、热连轧、轧后控冷的步骤，并且针对实施例1～8不同组分的钢筋，其制造工艺略有不同，具体方案如下：

制造上述实施例1组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为700℃，将钢坯加热至1200℃，炉内加热时间3h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1080℃，粗轧完成温度950℃，终轧温度为860℃；钢筋直径为Φ22mm，轧后以50℃/s快速冷却至250℃，并在该温度下保持60s，然后直接回火处理，处理工艺为：加热温度400℃，保温时间2min，空冷。

制造上述实施例2组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为680℃，将钢坯加热至1150℃，炉内加热时间4h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1150℃，轧制完成温度1030℃，终轧温度为880℃；钢筋直径为Φ20mm，轧后以70℃/s快速冷却至150℃，并在该温度下保持80s，然后直接回火处理，处理工艺为：加热温度450℃，保温时间3min，空冷。

制造上述实施例3组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为690℃，将钢坯加热至1230℃，炉内加热时间4h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1100℃，粗轧完成温度980℃，终轧温度为880℃；钢筋直径为Φ18mm，轧后以100℃/s快速冷却至280℃，并在该温度下保持100s，然后直接回火处理，处理工艺为：加热温度380℃，保温时间4min，空冷。

制造上述实施例4组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为700℃，将钢坯加热至1180℃，炉内加热时间2h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1040℃，粗轧完成温度960℃，终轧温度为840℃；钢筋直径为Φ24mm，轧后以280℃/s快速冷却至300℃，并在该温度下保持50s，然后直接回火处理，处理工艺为：加热温度350℃，保温时间4min，空冷。

制造上述实施例5组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为690℃，将钢坯加热至1210℃，炉内加热时间2h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1150℃，粗轧完成温度1050℃，终轧温度为880℃；钢筋直径为Φ28mm，轧后以50℃/s快速冷却至250℃，直接上冷床空冷。

制造上述实施例6组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为700℃，将钢坯加热至1200℃，炉内加热时间3h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1060℃，粗轧完成温度980℃，终轧温度为860℃；钢筋直径为Φ30mm，轧后以250℃/s快速冷却至300℃，直接上冷床空冷。

制造上述实施例7组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为680℃，将钢坯加热至1230℃，炉内加热时间2h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1100℃，粗轧完成温度1110℃，终轧温度为850℃；钢筋直径为Φ32mm，轧后以280℃/s快速冷却至200℃，直接上冷床空冷。

制造上述实施例8组分钢筋时，轧制时钢坯冷装入加热炉，入炉预热段最高温度为700℃，将钢坯加热至1200℃，炉内加热时间4h，出炉高压水除鳞，粗轧温度1080℃，粗轧完成温度1000℃，终轧温度为900℃；钢筋直径为Φ30mm，轧后以300℃/s快速冷却至2800℃，直接上冷床空冷。

然后对上述实施例钢筋进行了力学性能测试，各实施例所对应的数据见下表2。

表2

表2显示，本发明的高强度抗震建筑用钢筋的屈服强度R_eL(R_p0.2)≥550MPa，抗拉强度R_m≥850MPa，延伸率A≥18％，屈强比R_eL(R_p0.2)/R_m≤0.75，强塑积在22000MPa％以上，最大总伸长率A_gt％≥8％，断面收缩率Z％≥55％。由此可见，按照本发明制造方法生产的高强度抗震钢筋具备高强度、低屈强比、高强塑积以及优良抗震性能的特点。

Claims

1.一种高强度抗震建筑用钢筋，其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。

2.一种权利要求1所述高强度抗震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，其特征在于：

热连轧时钢坯入炉预热段温度控制在700℃以下，加热温度为1150～1230，加热时间为2～4h，粗轧温度控制为1040～1150，粗轧完成温度控制在950以上，终轧温度为840～900。

3.根据权利要求2所述高强度抗震建筑用钢筋的制造方法，其特征在于：根据钢筋直径规格不同，采用以下不同轧后控冷工艺：

棒材直径小于等于25mm时，轧后直接以50～300℃/s快速冷却至150～300，并在该温度下保持50～100s，然后进行热处理，热处理温度控制为350～450，保温时间2～4min，热处理结束后空冷；

棒材直径大于25mm时，轧后直接以50～300℃/s，快速冷却至200～300，后直接空冷。