CN102796961A - 混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋及其制备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋及其制备，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：0.15～0.20wt%，Si：0.45～0.65wt%，Mn：0.80～1.05wt%，Cr：0.60～0.80wt%，V：0.050～0.070wt%，B：0.0008～0.0020wt%，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。

Description

混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋及其制备

 

技术领域

本发明涉及一种混凝土用600MPa级高强度耐火抗震钢筋及其制备方法，属于建筑用钢制造技术领域。

背景技术

目前，我国处于工业化和城镇化快速发展时期，建筑业发展十分迅猛，已成为我国国民经济的重要产业之一。建筑用钢作为建筑结构的主体材料，需求量较大，占钢材消费量的50％以上。当前我国的建筑基础仍然是以钢筋混凝土为主，其中的带肋钢筋在建筑用钢中的消费量最大。仅2011年一年，中国生产建筑用热轧带肋钢筋1.55亿吨，约占钢产量的20%。随着高层、大跨度、抗震、耐低温、耐火等多功能建筑结构的出现，要求热轧带肋钢筋具有更高的强度、韧性和较好的可焊性等综合性能。当前国外建筑行业普遍采用焊接性能好、强度高的热轧带肋钢筋，如欧盟各国、北美基本采用500MPa、600MPa钢筋。尤其是600MPa高强度钢筋具有强度高、安全储备量大、抗震性能好、能节省钢材用量、施工方便等优越性能，更适用于高层、大跨度和抗震建筑结构，是一种更节约、更高效的新型建筑材料。相比目前主要使用的HRB335、HRB400、HRB500级钢筋，可分别节约用钢量44%、33%和16%，节能减排效果显著；另一方面，可以解决建筑结构中“肥梁胖柱”的问题，增加建筑使用面积，使结构设计更加灵活，提高建筑使用功能。

目前中国建筑正向高层、大跨度的方向发展，开发600MPa高强度钢筋，提高钢材产品的档次、质量和稳定性，有利于推动钢铁“减量化”应用，支撑建筑业的转型升级；同时，缓解钢铁生产的资源、能源和环境制约，对我国钢铁工业实现由注重规模扩张向品质质量效益转变具有十分重要意义。

目前国内已有研发出600MPa高强度钢筋的报道，其主要采用微合金化热轧工艺，钢中加入大量的氮化钒铁、铌铁、钒氮等微合金，不仅成本高，而且钢的抗震及焊接性能差，强屈比R_m实/R_eL实<1.25，最大力总伸长率Agt偏低。例如河北钢铁股份有限公司承德分公司申请的“一种600MPa级含钒高强热钢筋及其生产”，化学成分控制V 0.08-0.12wt%、N 0.005-0.04wt%，钢的基体组织为铁素体+珠光体，R_m实/R_eL实<1.25，未列出Agt； 四川省达州钢铁集团有限责任公司申请的“一种微合金化生产HRB600高强钢的方法”，化学成分控制C≤0.30%、V≥0.20%、Nb≥0.10%、Ti≥0.09%、Ceq≤0.65%，微合金含量很高，且钢中C及碳当量Ceq不能满足钢筋混凝土用钢的GB1499.2标准，未列出工艺力学性能；首钢水城钢铁集团有限公司申请的“一种HRB600热轧带肋钢筋的方法”，化学成分控制V 0.05-0.06wt%、Nb 0.03wt%、Cr 0.05-0.06wt%，R_m实/R_eL实<1.25，未列出Agt。此外，清华大学申请的“高强度抗震钢筋及其生产方法”，化学成分控制 C 0.08-0.35wt%、Mn 1.8-3.2wt%，钢筋组织中有马氏体，不能满足钢筋混凝土用钢GB1499.2标准规定的化学成份及工艺使用性能要求。总体来看，国内尽管有600MPa或HRB600高强度钢筋研发报道，但存在钢中碳、微合金及合金含量偏高，碳当量不合格，工艺成本高，钢的抗震及焊接性能差，显微组织结构不符合GB1499.2标准要求等不足。针对上述情况，在钢筋混凝土用钢GB1499.2标准范围内，采用低成本工艺路线开发出高强度、高塑韧性以及焊接、抗震及耐火性能好的600MPa高性能钢筋就显得尤为重要和迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低，塑韧性、抗震性及耐火性优异的混凝土用用600MPa高性能耐火抗震钢筋及其制备。

本发明提供的混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋，经过下列工艺步骤：

A、钢水冶炼：将铁水、废钢及生铁加入LD氧气转炉中，进行常规顶底复合吹炼，按常规量加入石灰、白云石、菱镁球造渣，控制终点碳含量≥0.04wt%，出钢温度小于1670℃；出钢前向钢包底部加入精炼渣和萤石，精炼渣的加入量为：1.6kg/t_钢，萤石的加入量为：0.4kg/t_钢；出钢时采用渣洗及全程底吹氩工艺，氩气流量控制为50～70NL/min，当钢包中的钢水量大于1/4时，依次向钢包中加入下列物质：按1.0～1.5kg/t_钢的量，加入下列质量比的硅钙钡复合脱氧剂：Si 52.5wt%，Ca 12.3wt%，Ba 11.5 wt%；按10.5～14.0kg/t_钢的量，加入Mn含量为 76.5wt%的高碳锰铁；按7.3～9.2kg/t_钢的量，加入Si 含量为73.5wt%的硅铁；按10.6～14.2kg/t_钢的量，加入Cr 含量为58.5wt%、C含量为 2.5wt%的中碳铬铁；按 0.65～0.95kg/t_钢的量，加入V 含量为78.5wt%、N含量为 14.5wt%的钒氮合金；按 0.10～0.18kg/t_钢的量，加入B含量为 17.5wt%的硼铁，并在钢包钢水量达到3/4时加完，以进行脱氧合金化；出钢完毕后，对钢水吹氩4～5分钟，以促进钢水中夹杂物的上浮并排除，改善钢水洁净度；吹氩结束后，按1.0kg/t_钢的量，向钢包内加入常规覆盖剂后，送连铸工序；

B、钢水浇铸：在中间包温度为1535～1545℃，拉速为2.8～3.0m/min，二冷比水量为2.1～2.4L/kg的条件下，将步骤A的钢水连铸成钢坯；

C、钢坯控轧控冷：将B步骤的钢坯送入均热段温度为1050～1100℃的加热炉中，加热50～70分钟，在钢坯开轧温度为930～980℃，速度为0.5～1.0m/s的轧制条件下，粗轧5～6个道次；在速度为3.0～4.0 m/s的轧制条件下，中轧5～6个道次；在冷却水量为20～40m³/h条件下控冷2～3秒；在速度为9.0～13.5m/s、精轧温度为800～850℃的条件下，精轧2～5个道次；在冷却水量为220～280m³/h条件下，对精轧钢材进行控冷，直至钢材温度为680～720℃，将钢材自然空冷至室温，即获得化学成份如下的混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋：

C： 0.15～0.20 wt%，  Si：0.45～0.65 wt%，

Mn：0.80～1.05 wt%，  Cr：0.60～0.80 wt%，

V： 0.050～0.070 wt%， B：0.0008～0.0020 wt%，

S≤0.045 wt%，   P≤0.045 wt%，           

其余为Fe及不可避免的不纯物。

所述B步骤的二冷比水量是指：连铸机二冷区单位时间内消耗的总水量与单位时间内通过二冷区铸坯质量的比值，单位为：L/kg，它是连铸二次冷却喷水强度的指标。

本发明提供的混凝土用高性能抗震钢筋的力学性能及显微组织见表1、表2。

表1    600MPa高性能抗震钢筋力学性能及显微组织 

表2    600MPa高性能抗震钢筋高温(600℃)力学性能 

工艺力学性能如下：屈服强度(R_eL)：625-660MPa，抗拉强度(R_m)：790-850MPa，断后伸长率(A)>20.0%，强屈比(R_m实/R_eL实)>1.25，屈屈比(R_eL实/R_eL标) ≤1.30，最大力下总伸长率(Agt) >11.0%，铁素体晶粒度9.5-11.0级；高温(600℃)力学性能：ReL 310～340MPa，Rm 395～440MPa，A>41%，R_m实/R_eL实>1.25；具有下列金相显微组织：铁素体(F)含量为40-45%，珠光体(P)含量为35-45%，贝氏体(B)含量10-20%，组织分布均匀且形态好。

本发明具有下列优点和效果：钢中加入钒氮等微合金并采用了轧后快速控冷工艺，使微合金碳氮化物沉淀析出的驱动力增加，在低温铁素体区基体、晶界及位错线上析出了大量细小弥散的第二相，使铁素体基体得到强化，钢的强度显著提高，同时改善了钢的焊接、时效等性能；钢中加入了强贝氏体形成元素——硼，并采用了控冷工艺，促进了硬化相贝氏体的形成，贝氏体作为一种亚稳相，其位错密度较高，位错处分布均匀细小的碳化物颗粒，可以显著提高钢的抗拉强度，改善抗震性能；钢中加入铬，使其淬透性和二次硬化作用得到明显提高，促进了钢强度的提高，同时还提高了钢的钝化耐腐蚀能力；此外，精轧前控冷和精轧后快速水冷工艺，促进了材料内部形成大量的变形带、孪晶、位错等晶体“缺陷”，这些“缺陷”大量存在，促进了后续相变中材料内部大量形核，细化了铁素体晶粒，使细晶强化效果得到充分发挥并改善了钢的塑韧性；本发明对炼钢、轧钢多项工艺集成创新，充分发挥了沉淀析出强化、相变强化及细晶强化作用，摸索出不同强化机制的偶合规律，开发出高强度、高塑韧性、焊接、抗震及耐火性能好的600MPa级高性能钢筋。

本发明工艺具有生产成本低、工艺适用性及控制性强等特点，在满足钢筋混凝土用钢GB1499.2标准的前提下，和目前所报道工业性生产的600MPa、HRB600高强钢筋相比，生产成本降低50元/t钢以上，经济效益显著；钢的显微组织为铁素体+珠光体+贝氏体多相复合组织，贝氏体含量10-20%，组织分布均匀且形态好，强度、塑韧性匹配较好；抗震性能指标较好，R_m实/R_eL实>1.25，Agt≥11.0；铁素体晶粒细小，晶粒度达9.5-11.0级，细晶效果显著；高温(600℃)屈服强度ReL是室温状态的0.48倍以上，明显高于普通钢材，具有较好的耐火性能。上述特征使本发明生产的600MPa钢筋具有高强度、高塑韧性、焊接、抗震及耐火性能好等特点，综合性能优于目前工业性生产的600MPa、HRB600高强度钢筋。

 

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

A、钢水冶炼：将铁水、废钢及生铁加入50吨LD氧气转炉后，进行常规顶底复合吹炼，再按常规量加入市购的活性石灰、轻烧白云石、菱镁球进行造渣；控制终点碳含量为0.04wt%，出钢温度为1668℃；出钢前向钢包底部加入精炼渣和萤石，精炼渣的加入量为：1.6kg/t_钢，萤石的加入量为：0.4kg/t_钢；出钢时采用常规的渣洗及全程底吹氩工艺，氩气流量控制为50NL/min，当钢包中的钢水量大于1/4时，依次向钢包中加入下列物质：按1.0kg/t_钢的量，加入下列质量比的硅钙钡复合脱氧剂：Si 52.5wt%，Ca 12.3wt%，Ba 11.5 wt%；按10.5kg/t_钢的量，加入Mn含量为 76.5wt%的高碳锰铁；按7.3kg/t_钢的量，加入Si 含量为73.5wt%的硅铁；按10.6kg/t_钢的量，加入Cr 含量为58.5wt%、C含量为 2.5wt%的中碳铬铁；按 0.65kg/t_钢的量，加入V 含量为78.5wt%、N含量为 14.5wt%的钒氮合金；按 0.10kg/t_钢的量，加入B含量为 17.5wt%的硼铁，并在钢包钢水量达到3/4时加完，以进行脱氧合金化；出钢完毕后，对钢水吹氩4分钟，以促进钢水中夹杂物的上浮并排除，改善钢水洁净度；吹氩结束后，按1.0kg/t_钢的量，向钢包内加入钢包覆盖剂后，送连铸工序；

B、钢水浇铸：吹氩结束后，钢水吊至连铸平台，在R9m 5机5流小方坯铸机上采用全程保护浇铸成断面150mm×150mm小方坯，中间包温度控制为1540℃，采用典型拉速浇铸，拉速控制为2.9m/min，二冷比水量控制为2.3L/kg。

C、钢坯控轧控冷：将B步骤的小方坯送入均热段温度为1100℃的加热炉中，加热50分钟，钢坯开轧温度为980℃，在速度为1.0m/s的轧制条件下粗轧6个道次，之后在速度为4.0m/s的轧制条件下中轧6个道次，之后进入水冷装置进行精轧前控冷，冷却水量为20m³/h，控冷时间3秒；最后在速度为13.5m/s的轧制条件下精轧5个道次，精轧温度控制为850℃；将精轧钢材通过长度10米的快速水冷段装置进行控冷，冷却水量控制为220m³/h，直至钢材温度为720℃，送冷床自然空冷至室温，即获得600MPa高性能耐火抗震钢筋，该钢的化学成份为：

C： 0.15wt％，Si：0.45wt％，Mn：0.80wt％，Cr：0.60wt%，

V： 0.050wt％，B：0.0008wt%，S 0.035 wt%， P 0.028 wt%，           

其余为Fe及不可避免的不纯物。

实施例1 所得600MPa高性能耐火抗震钢筋工艺力学性能及显微组织见表3、表4所示。

      表3   600MPa高性能抗震钢力学性能及显微组织

 表4    600MPa高性能抗震钢高温(600℃)力学性能 

实施例2

A、钢水冶炼：将铁水、废钢及生铁加入50吨LD氧气转炉后，进行常规顶底复合吹炼，再按常规加入活性石灰、轻烧白云石、菱镁球进行造渣；控制终点碳为0.06wt%，出钢温度为1665℃；出钢前向钢包底部加入精炼渣和萤石，精炼渣的加入量为：1.6kg/t_钢，萤石的加入量为：0.4kg/t_钢；出钢时采用渣洗及全程底吹氩工艺，氩气流量控制为63NL/min，当钢包中的钢水量大于1/4时，依次向钢包中加入下列物质：按1.3kg/t_钢的量，加入下列质量比的硅钙钡复合脱氧剂：Si 52.5wt%，Ca 12.3wt%，Ba 11.5 wt%；按12.8kg/t_钢的量，加入Mn含量为 76.5wt%的高碳锰铁；按8.5kg/t_钢的量，加入Si 含量为73.5wt%的硅铁；按12.8kg/t_钢的量，加入Cr 含量为58.5wt%、C含量为 2.5wt%的中碳铬铁；按0.80kg/t_钢的量，加入V 含量为78.5wt%、N含量为 14.5wt%的钒氮合金；按 0.14kg/t_钢的量，加入B含量为 17.5wt%的硼铁，并在钢包钢水量达到3/4时加完，以进行脱氧合金化；出钢完毕后，对钢水吹氩5.2分钟，以促进钢水中夹杂物的上浮并排除，改善钢水洁净度；吹氩结束后，按1.0kg/t_钢的量，向钢包内加入钢包覆盖剂后，送连铸工序；

B、钢水浇铸：吹氩结束钢水吊至连铸平台在R9m 5机5流小方坯铸机上采用全程保护浇铸成断面150mm×150mm小方坯，中间包温度控制为1545℃，采用典型拉速浇铸，拉速控制为3.0m/min，二冷比水量控制为2.1L/kg。

C、钢坯控轧控冷：将B步骤的小方坯送入均热段温度为1080℃的加热炉中，加热65分钟，钢坯开轧温度为965℃，在速度为0.8m/s的轧制条件下粗轧6个道次，之后在速度为3.6m/s的轧制条件下中轧5个道次，之后进入水冷装置进行精轧前控冷，冷却水量30m³/h，控冷时间2秒；最后在速度为11.5m/s的轧制条件下精轧3个道次，精轧温度控制为830℃；将精轧钢材通过长度10米的快速水冷段装置进行控冷，冷却水量控制为260 m³/h，直至钢材温度为705℃，送冷床自然空冷至室温，即获得600MPa高性能耐火抗震钢筋，该钢的化学成份为：

C： 0.18wt％，Si：0.54wt％，Mn：0.94 wt％，Cr：0.72 wt%，

V： 0.062wt％，B：0.0014 wt%，S 0.028 wt%， P 0.024 wt%，           

其余为Fe及不可避免的不纯物。

实施例2 所得600MPa高性能耐火抗震钢筋工艺力学性能及显微组织见表5、表6所示。

   

 表5    600MPa高性能抗震钢力学性能及显微组织 

表6   600MPa高性能抗震钢高温(600℃)力学性能 

实施例3

A、钢水冶炼：将铁水、废钢及生铁加入50吨LD氧气转炉后，进行常规顶底复合吹炼，再按常规加入活性石灰、轻烧白云石、菱镁球进行造渣；控制终点碳为0.07wt%，出钢温度为1662℃；出钢前向钢包底部加入精炼渣和萤石，精炼渣的加入量为：1.6kg/t_钢，萤石的加入量为：0.4kg/t_钢；出钢时采用渣洗及全程底吹氩工艺，氩气流量控制为70NL/min，当钢包中的钢水量大于1/4时，依次向钢包中加入下列物质：按1.5kg/t_钢的量，加入下列质量比的硅钙钡复合脱氧剂：Si 52.5wt%，Ca 12.3wt%，Ba 11.5 wt%；按14.0kg/t_钢的量，加入Mn含量为 76.5wt%的高碳锰铁；按9.2kg/t_钢的量，加入Si 含量为73.5wt%的硅铁；按14.2kg/t_钢的量，加入Cr 含量为58.5wt%、C含量为 2.5wt%的中碳铬铁；按 0.95kg/t_钢的量，加入V 含量为78.5wt%、N含量为 14.5wt%的钒氮合金；按 0.18kg/t_钢的量，加入B含量为 17.5wt%的硼铁，并在钢包钢水量达到3/4时加完，以进行脱氧合金化；出钢完毕后，对钢水吹氩4.8分钟，以促进钢水中夹杂物的上浮并排除，改善钢水洁净度；吹氩结束后，按1.0kg/t_钢的量，向钢包内加入钢包覆盖剂后，送连铸工序；

B、钢水浇铸：吹氩结束钢水吊至连铸平台，在R9m 5机5流小方坯铸机上，采用全程保护浇铸成断面150mm×150mm小方坯，中间包温度控制为1535℃，采用典型拉速浇铸，拉速控制为2.8m/min，二冷比水量控制为2.4L/kg。

C、钢坯控轧控冷：将步骤B的小方坯送入均热段温度为1050℃的加热炉中，加热70分钟，钢坯开轧温度为930℃，在速度为0.5m/s的轧制条件下粗轧6个道次，之后在速度为3.0m/s的轧制条件下中轧6个道次，之后进入水冷装置进行精轧前控冷，冷却水量为40m³/h，控冷时间2.5秒；最后在速度为9.0m/s的轧制条件下精轧2个道次，精轧温度控制为800℃；将精轧钢材通过长度10米的快速水冷段装置进行控冷，冷却水量控制为280m³/h，直至钢材温度为680℃，送冷床自然空冷至室温，即获得600MPa高性能耐火抗震钢筋，该钢的化学成份为：

C：0.20 wt%，Si：0.65 wt%，Mn：1.05 wt%，Cr：0.80 wt%，

V：0.070 wt%，B：0.0020 wt%，S 0.026 wt%，P 0.033 wt%，           

其余为Fe及不可避免的不纯物。

实施例3 所得600MPa高性能耐火抗震钢筋工艺力学性能及显微组织见表7、表8所示。

         表7    600MPa高性能抗震钢力学性能及显微组织 

表8    600MPa高性能抗震钢高温(600℃)力学性能 

Claims (1)

1.一种混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋的制备方法，其特征在于经过下列工艺步骤：

A、钢水冶炼：将铁水、废钢及生铁加入LD氧气转炉中，进行常规顶底复合吹炼，按常规量加入石灰、白云石、菱镁球造渣，控制终点碳含量≥0.04wt%，出钢温度小于1670℃；出钢前向钢包底部加入精炼渣和萤石，精炼渣的加入量为：1.6kg/t_钢，萤石的加入量为：0.4kg/t_钢；出钢时采用渣洗及全程底吹氩工艺，氩气流量控制为50～70NL/min，当钢包中的钢水量大于1/4时，依次向钢包中加入下列物质：按1.0～1.5kg/t_钢的量，加入下列质量比的硅钙钡复合脱氧剂：Si 52.5wt%，Ca 12.3wt%，Ba 11.5 wt%；按10.5～14.0kg/t_钢的量，加入Mn含量为 76.5wt%的高碳锰铁；按7.3～9.2kg/t_钢的量，加入Si 含量为73.5wt%的硅铁；按10.6～14.2kg/t_钢的量，加入Cr 含量为58.5wt%、C含量为 2.5wt%的中碳铬铁；按 0.65～0.95kg/t_钢的量，加入V 含量为78.5wt%、N含量为 14.5wt%的钒氮合金；按 0.10～0.18kg/t_钢的量，加入B含量为 17.5wt%的硼铁，并在钢包钢水量达到3/4时加完，以进行脱氧合金化；出钢完毕后，对钢水吹氩4～5分钟，以促进钢水中夹杂物的上浮并排除，改善钢水洁净度；吹氩结束后，按1.0kg/t_钢的量，向钢包内加入常规覆盖剂后，送连铸工序；

B、钢水浇铸：在中间包温度为1535～1545℃，拉速为2.8～3.0m/min，二冷比水量为2.1～2.4L/kg的条件下，将步骤A的钢水连铸成钢坯；

C、钢坯控轧控冷：将B步骤的钢坯送入均热段温度为1050～1100℃的加热炉中，加热50～70分钟，在钢坯开轧温度为930～980℃，速度为0.5～1.0m/s的轧制条件下，粗轧5～6个道次；在速度为3.0～4.0 m/s的轧制条件下，中轧5～6个道次；在冷却水量为20～40m³/h条件下控冷2～3秒；在速度为9.0～13.5m/s、精轧温度为800～850℃的条件下，精轧2～5个道次；在冷却水量为220～280m³/h条件下，对精轧钢材进行控冷，直至钢材温度为680～720℃，将钢材自然空冷至室温，即获得化学成份如下的混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋：

C： 0.15～0.20 wt%，  Si：0.45～0.65 wt%，

Mn：0.80～1.05 wt%，  Cr：0.60～0.80 wt%，

V： 0.050～0.070 wt%， B：0.0008～0.0020 wt%，

S≤0.045 wt%，   P≤0.045 wt%，           

其余为Fe及不可避免的不纯物。