CN104018081B - 一种耐低温专用钢筋及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种耐低温专用钢筋，其组分及wt%为：C：0.10～0.20%、Si：0.2～0.5%、Mn：1.3～1.55%、P≦0.015%、S≦0.005%、Ti：0.034～0.05%、Cu≦0.02%、V：0.03～0.05%、Ni：5～8.5%、Als：0.015～0.035%、Ca：0.001～0.007%、B：0.001～0.003%；生产步骤：常规冶炼并铸坯；对铸坯进行堆垛冷却并至室温；对钢坯加热；粗轧；精轧；自然空冷至室温并待用。本发明热轧态就能满足LNG等低温建筑工程钢筋混凝土结构耐?165℃~?196℃低温的性能要求，?196℃下最大力下总伸长率Agt≥6%，且无需进行热处理，并能避免通过穿水工艺增加强度而引起钢筋边部出现马氏体影响钢筋低温性能，还能降低生产成本。

Description

一种耐低温专用钢筋及生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢筋及其生产方法，具体属于一种耐低温专用钢筋其生产方法。

背景技术

当今世界一次能源的三大支柱是煤、石油、天然气。天然气在世界能源结构中位居第二位，所占比例超过24%。近年来随着世界经济快速发展和人口数量剧增，世界能源需求量也在日益增长，由于煤和石油所造成的环境问题日益严重和石油价格的不断上涨，能源结构逐步发生了变化。天然气作为一种优质、高效、清洁的能源被广泛应用于化工、居民生活、汽车燃料、发电、热泵、燃料电池等领域。据世界能源专家预测，大约在2020年以后，天然气在世界能源结构中的比重将赶超石油，成为世界第一大能源，21世纪将成为“天然气的世纪”。液化天然气以其运输灵活、建设投资少、见效快、安全可靠和冷能利用空间大等优点，液化天然气储罐的研究越来越得到世界各国的重视，在国际上也得到了较快的发展。

液化天然气(Liquefied Natural Gas，缩写为LNG)作为燃料与煤和石油相比，除NOx、COx含量低和几乎不含硫等特性外并具有以下优点：天然气液化后，方便可靠，便于运输节约成本；储存效率高，占地少，投资省；与燃油相比、抗爆性好、燃烧完全、排气污染少；生产使用比较安全，稍有泄漏立即挥发飞散了，不致引起自然爆炸；有利于环境保护，减少城市污染。随着全球能源资源的多样化，未来国内对LNG终端结构材料的需求量将会非常大。LNG储罐属常压低温大型储罐，通常为平底双壁圆柱形。储罐内筒一般采用含镍9%合金钢，也可为全铝、不锈钢薄膜或预应力混凝土，外壁为碳钢或预应力混凝土。LNG储罐的设计温度为-165℃，是由于设计时必须考虑到用氮气冷凝时可能出现的温度，故设计温度范围在-165~ -196℃。关于建筑工程使用耐低温钢筋的文献报道没有，因此为了配合天然气的大力发展，开发一种与之建设配套的耐低温钢筋是当务之急，非常必要，特别是一种工艺简单，成本低廉的生产工艺。

经检索：中国专利申请号为CN201310384341.9的专利文献，公开了一种超低温环境用钢筋，其化学成分按照质量百分比包括：C≤0.20%，Si≤0.8%，Mn≤1.60%，P≤0.025%，S≤0.025%，Al≤0.04%，Ni≤1.5%，Cr≤0.5%，Cu≤0.5%，以及Ti≤0.03%、V≤0.03%，其余为Fe和不可避免的杂质；且碳当量Ceq（%）≤0.65，同时并满足：Ceq（%）=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14。其存在的不足：轧后要进行热处理才能达到性能指标，同时其Cr含量均在0.3%以上，而Cr容易在凝固过程中产生的枝晶偏析，从而产生带状组织，而带状组织使钢的力学性能产生方向性，使钢的横向塑性和韧性指标降低，并且其屈服强度在常温下达不到600MPa。

中国专利申请号为CN201310145400.7的专利文献，公开了一种钒微合金化低温钢筋用钢及其轧制工艺，该低温钢筋用钢，按重量百分比计，化学成分配比为：C：0.05-0.15%，Si：0.15-0.40%，Mn：1.40-1.60%，P≤0.010%，S≤0.010%，Ni：0.50-2.00%，Cu：0.10-0.80%，V：0.020-0.080%，其余为Fe和不可避免的杂质；该低温钢筋用钢的轧制工艺，轧制工艺参数为：钢坯加热至1100~1250℃，开轧温度为900~1060℃，终轧温度为900~1100℃，轧后穿水冷却，上冷床温度为500~650℃。该低温热轧带肋钢筋用钢及其轧制工艺，通过采用多元少量的合金化原则及控制轧制工艺，在合理降低镍含量的情况下，虽然能满足LNG等低温建筑工程钢筋混凝土结构耐-165℃低温的使用需求，但由于是通过穿水提高强度的，边部容易产生马氏体组织，对钢筋的焊接以及低温冲击性能不利，同时其常温屈服强度达不到要求。

现有技术中最大力下总伸长率Agt均不能满足-180℃以下更低温度的要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种保证常温下屈服强度大于600MPa、-196℃下最大力下总伸长率Agt≥6%、无需进行热处理的在热轧态就能满足低温专用钢的性能指标，边部无马氏体组织的一种耐低温专用钢筋及生产方法。

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：为能实现本申请所述的目的，因此提出了采用在成分方面添加了耐低温的元素硼和镍，以低钢的低温脆化转变温度，改善低温冲击韧性；其次还采用了提高Ti元素含量，使钛与钢中的碳、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，起到细化钢筋的室温组织的作用，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；成分的优化，还需要匹配的工艺才行。因此，本申请工艺方面主要是采取了使粗轧温度在：1000～1100℃， 精轧终轧温度在800～880℃，目的是终轧温度更接近相变温度；使晶粒得到细化，综合性能得到改善，同时也有利于钒和钛的析出物析出更加细小和弥散，所以终轧温度在800～880℃。

实现上述目的的措施：

一种耐低温专用钢筋，其组分及重量百分比含量为：C：0.10～0.20%、Si：0.2～0.5%、Mn：1.3～1.55%、P≦0.015%、S≦0.005%、Ti：0.034～0.05%、Cu≦0.02%、V：0.03～0.05%、Ni：5～8.5%、Als：0.015～0.035%、Ca：0.001～0.007%、B：0.001～0.003%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。

优选地：C的重量百分比含量在0.11～0.14%。

优选地：V的重量百分比含量在0.035～0.048%。

优选地：Als的重量百分比含量在0.023～0.035%。

生产一种耐低温专用钢筋的方法，其步骤：

1）常规冶炼并铸坯，控制出钢温度在1660～1690℃；铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行自然堆垛冷却并至室温；

3）对钢坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，加热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

5）进行精轧，控制其终轧温度在800~880℃范围；

6）自然空冷至室温并待用。

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0.10%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0.20%，会产生塑性和韧性下降，尤其是冲击韧性明显下降，因此，本发明C选择在0.10~0.20%。优选地：C的重量百分比含量在0.11～0.14%。

Si：是一种廉价的置换强化元素，可以显著提高钢的强度，屈服强度，但是Si会严重损害钢的低温韧性，所以不宜太高，选择Si的范围在0.2～0.5%

Mn：主要是固溶于铁素体中提高材料的强度，其又是良好的脱氧剂和脱硫剂，含有一定量的锰可以消除或减弱因硫引起的脆性，从而改善钢的加工性能，但锰含量过高时会使晶粒粗化的倾向，连铸和轧后控冷不当时容易产生白点，所以选择Mn的范围在1.3～1.55%；

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≦0.005%；P易在晶界偏析，增加钢筋的脆性，使低温冲击性能大幅下降，因此含量越低越好，所以选择P的范围在≦0.015%。

B：钢中加入极少量的硼可以显著影响材料的性能，其抑制P、S偏析和沿晶断裂，提高冲击性能，改善夹杂物的形态和分布，硼溶入固溶体中使晶体点阵发生畸变，晶界上的硼又能阻止夹杂物进一步长大，使夹杂物变得细小，圆整，均匀分布于晶界，强化了晶界，使材料的韧性提高。当硼的含量大于0.003%时，其对钢的效果不再随含量的增加而增加，反而增加了成本，故硼的含量控制在 0.001～0.003%范围。

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，从而提高材料的强度和低温韧性。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；优选地：V的重量百分比含量在0.035～0.048%。

Ti：是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，易形成细小的TiC和TiN等粒子，TiC和TiN非常稳定，能够有效的钉扎晶界，细化晶粒，并具有稳定再次加热的组织的作用。如其含量低于0.034%，达不到效果， 如含量高于0.05%，会形成粗大的碳氮化物，反而对钢的冲击性能不好，故Ti的范围在0.034～0.05%。

Ni: 与铁无限固溶，镍扩大铁的奥氏体区，是形成稳定奥氏体的主要元素。镍强化铁素体并细化和增多珠光体，提高钢的强度和抗疲劳性，降低钢的低温脆化转变温度，如含量低于5%，对提高钢的低温冲击性能不明显；高于8.5%，则提高钢的低温冲击性能会降低，使会提高成本和资源的浪费，所以选择Ni的范围在5～8.5%。

Cu：是一种面心立方晶体稳定元素，回火期间析出的第二相起到沉淀强化的作用，少量的Cu可以提高钢材的低温韧性、抗疲劳裂纹扩展能力，当含量较高时，会由于析出的第二相量大且不可控直接导致钢材的韧性下降，而且也会导致铸坯铸造及热轧期间变脆

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含量过低，细化作用不明显，Al含量过高，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，所以选择Al的范围在0.015～0.035%；优选地：Als的重量百分比含量在0.023～0.035%。

Ca：可以净化钢液，提高钢的纯净度，使钢的MnS球化，发挥材料的潜能，其含量过高时，易形成粗大的非金属夹杂物，所以选择范围在0.001～0.007%。

之所以采用了开轧温度在：1000～1100℃， 精轧终轧温度在800～880℃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，热轧态就能满足LNG等低温建筑工程钢筋混凝土结构耐-165℃~-196℃低温的性能要求，-196℃下最大力下总伸长率Agt≥6%，且无需进行热处理，并能避免通过穿水工艺增加强度而引起钢筋边部出现马氏体影响钢筋低温性能，还能降低生产成本。

附图说明

附图为本发明的金相组织图；

附图中铁素体晶粒度为10-10.5级，说明B、Ti、V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：

说明：对实施例3的铸坯尺寸为200×230mm外，其余均采用200×200mm的方坯

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检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

1）常规冶炼并铸坯，控制出钢温度在1660～1690℃；铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行自然堆垛冷却并至室温；

3）对钢坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，加热时间在100~120min，；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1100℃；

5），进行精轧，控制其终轧温度在800~880℃范围；

6）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的主要工艺参数列表

注：本发明钢种的参考液相温度为1495℃

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，但晶粒更加细小，同时在-196℃下，Agt指标大大优于普通对比钢筋,，完全能够满足LNG等低温建筑工程钢筋混凝土结构耐-196℃低温的使用需求。

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 (1)

1.一种耐低温专用钢筋，其组分及重量百分比含量为：C：0.10～0.20%、Si：0.2%或Si：0.25～0.5%、Mn：1.3～1.55%、P≤0.015%、S≤0.005%、Ti：0.034～0.038%或Ti：0.047~0.05%、Cu≤0.02%、V：0.031～0.041%或V：0.05%、Ni：5～6.6%或Ni：7.5~8.5%、Als：0.015～0.026%、Ca：0.001～0.003%、B：0.0021～0.003%，其余为Fe和不可避免的杂质元素；

生产方法

1）常规冶炼并铸坯，控制出钢温度在1660～1690℃；铸坯拉速不高于1.8m/min；

2）对铸坯进行自然堆垛冷却并至室温；

3）对钢坯加热，控制均热段温度为：1100～1200℃，加热时间在100~120min；

4）进行粗轧，并控制其开轧温度在：1000～1040℃；

5）进行精轧，控制其终轧温度在800~841℃范围；

6）自然空冷至室温并待用。