CN104372251B

CN104372251B - 一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋及生产方法

Info

Publication number: CN104372251B
Application number: CN201410622415.2A
Authority: CN
Inventors: 张帆; 范植金; 吴杰; 徐志; 周新龙; 罗国华; 刘婳; 王媛; 龙莉
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2016-10-05
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: CN104372251A

Abstract

一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋，其组分及wt%为：C：0.10～0.19 %、Si：0.35～0.60 %、Mn：1.05～1.24 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.04～0.06 %、V：0.06～0.082 %、Ti：0.03～0.05 %、Mo：0.015～0.024 %、Cr：0.10～0.18 %、Cu：0.05～0.15 %；生产步骤：冶炼；连铸成坯后对铸坯加热；热轧；空冷至室温。本发明通过利用复合微合金化，并控制钢中氮含量在0.04~0.06%及加适量的Cu及Mo，能使钢筋的屈服强度大于500MPa，强屈比大于1.25，且具有良好的耐热性能，即在600℃下经30分钟的高温，其屈服强度超过20℃下的屈服强度的60%，生产工艺简便，性能稳定，完全满足高层建筑市场对强度和耐热安全性的要求。

Description

一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋及生产方法

技术领域

本发明涉及一种钢筋及生产方法，具体地属于一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋及生产方法。

背景技术

随着经济社会的发展，特别是我国正处于工业化和城镇化快速发展时期，大型、大跨度、高层建筑不断涌现，为提高大型混凝土建筑的安全性，此类建筑用钢筋普遍采用高强度的热轧带肋钢筋代替普通钢筋，以达到提高安全余量和施工效率，减少钢材用量的目的，同时为满足高层、大跨度混凝土建筑对防火性能的要求，钢筋耐热性能亦受到关注。

500MPa及以上高强钢筋普遍采用微合金化工艺进行生产，微合金化技术是世界各国发展高强度钢筋的主要技术路线，其中钒、铌、钛微合金化技术以其显著的技术和经济优势，成为高强钢筋研制的热点。利用钒、铌、钛在钢中形成细小的碳化物、氮化物或碳氮化物的钉扎作用，在再加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大，在再结晶控轧过程中阻止变形奥氏体的再结晶，延缓再结晶奥氏体晶粒的长大，从而显著改善钢筋综合性能，且复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。

我国攀西地区钒钛资源丰富，采用钒钛复合微合金化生产高强钢筋对于我国新型城镇化建设和节能减排具有重要意义。本发明利用价格低廉的钒钛，充分利用V-Ti复合微合金化提高钢材强度，并通过添加Cr、Mo提高钢材耐热性，开发出一种高强度、耐热性能优良、性能稳定且易于推广的500MPa级耐热高强钢筋。

经检索：中国专利CN201210215588.3公开了一种钒钛复合微合金化钢筋，其化学成分按重量计为：C：0.16～0.25％、Si：0.20～0.80％、Mn：1.20～1.50％、Ti：0.001～0.12％、V：0.001～0.10％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。存在的不足：该专利中氮含量较低，不能充分发挥钒、钛细晶强化作用，且钒、钛成分上限较高，增加了冶炼成本和难度。与此专利相比，本发明钢中氮、钒和钛含量适中，既能保证V-Ti微合金化效果，又能有效降低冶炼成本和生产难度。

中国专利CN201210340402.7《混凝土用600MPa高性能耐火抗震钢筋及其制备》中公开了一种耐火钢筋，其化学成分（按重量百分比）包括0.15～0.20% C、0.45～0.65% Si、0.80～1.05% Mn：、≤0.045% P、≤0.045% S、0.60～0.80% Cr、0.050～0.070% V、0.0008～0.0020% B，其余为Fe及不可避免的杂质，存在的不足：该专利中Cr含量较高使钢筋焊接性能较差，同时其采用低温轧制，需要新建高负荷轧制设备，现有工艺装备不能生产该类产品，加大了生产成本，并且采用低温轧制方法生产的钢筋虽然强度提高了，但低温轧制变形不均匀，易导致性能波动，塑性降低。与此专利相比，本发明焊接性能优良，且无需设备改造，因而通用性更强，生产成本更低。

中国专利CN104032234公开了一种耐火钢筋及其生产工艺，其化学成分按重量计为：C：0.20～0.25％、Si：0.30～0.55％、Mn：1.25～1.50％、P：0.008～0.025%、S：0.005～0.015%、V：0.01～0.20%、Cr：0.15～0.30%、Ni：0.04～0.25%、Nb：0.009～0.015%、Ti：0.005～0.007%、Mo：0.0

08～0.011%、B：0.0008～0.0010%，其余为Fe和不可避免的杂质。存在的不足：该专利合金种类繁多，工艺复杂，因而生产成本较高且磷含量较高，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

与上述文献相比，本发明采用V、Ti复合微合金化提高钢材强度，并通过合理的化学成分设计，使钢筋通过常规的热轧工艺即可达到耐火强度的要求，具有较强的市场竞争力。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种利用微合金化，并控制钢中氮含量及加适量的Cu，使钢筋的屈服强度大于500MPa，强屈比大于1.25，且具有良好的耐热性能，生产工艺简便，性能稳定，完全满足高层建筑市场对强度和耐热安全性要求的钢筋及生产方法。

实现上述目的的措施：

一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋，其组分及重量百分比含量为：C：0.10～0.19 %、Si：0.35～0.60 %、Mn：1.05～1.24 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.04～0.06 %、V：0.06～0.082 %、Ti：0.03～0.05 %、Mo：0.015～0.024 %、Cr：0.10～0.18 %、Cu：0.05～0.15 %，其余为Fe及不可避免的杂质。

优选地：C的重量百分比含量为0.11～0.14 %。

优选地：V的重量百分比含量为0.06～0.077%。

优选地：Cu的重量百分比含量为0.05～0.082 %。

优选地：Cr的重量百分比含量为0.11～0.14 %。

生产一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋的方法，其步骤：

1）冶炼，其中在氮合金化阶段，增氮剂的粒度为15~25mm，增氮剂的组分及重量百分比为：N：12～15%，C：2～3%，Mn：40～45%，Si：15～25%，P≤0.05%，S≤0.05%，余量为Fe；

2）连铸成坯后对铸坯加热，加热温度控制在1080～1180℃，并在此温度下保温120~160min；

3）进行热轧，其中，控制粗轧开轧温度在1020～1120℃，精轧终轧温度在820～860℃；

4）空冷至室温。

其在于：当采用转炉冶炼时，原料为铁水加废钢；当采用电炉冶炼时，仅加入废钢。

本发明中各元素及主要工序的作用

C：高强度钢筋需保持一定的强度和硬度，过高的碳含量会使钢中珠光体比例增加，韧性降低；过低的碳含量会导致钢中铁素体比例增加，钢材强度降低，韧性增加，钢偏软。因此，本发明碳含量设计为0.10～0.19 %；优选地为0.11～0.14%。

Si：主要以固溶强化形式提高钢的强度，但过高的硅含量会恶化钢的冷变形能力，且会显著恶化钢材焊接性能，因此本发明硅含量设计为0.35～0.60 wt %。

Mn：在铁素体中，Mn的固溶强化作用仅次于P和Si，可以提高钢材强度，并且不会显著恶化钢的变形能力，但含量低于0.80%时，其强化效果不明显；Mn还能与S反应生成MnS防止导致热脆性的低熔点FeS在晶界析出。因此，本发明锰含量设计为1.05～1.24 %。

P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。理论上要求其含量越低越好，才能保证本发明钢的性能。因此，本发明磷含量设计为0.015%以下。

S：使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹，且硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。因此，本发明硫含量设计为0.015%以下。

N：氮是本发明中重要的合金元素，通过碳氮化物的析出实现细晶强化达到提高钢材强度的目的，但若N含量过多，会恶化钢材力学性能并降低钢材成材率。因此，本发明氮含量设计为0.04～0.06 %。

V：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钒在奥氏体中固溶温度较低，但扩散速度快，在加热和均热阶段，沉淀物发生溶解，在热加工期间保持溶解状态，而随后冷却时弥散沉淀析出使钢的强度增加，但过多的钒会增加冶炼成本且对钢的进一步强化效果不明显。因此，本发明钒含量设计为0.06～0.082 %，优选地为0.06～0.077 %。

Ti：作为提高钢材强度的微合金化元素加入，钛的碳氮化物弥散沉淀析出能细化晶粒，使钢的强度增加，但过多的钛会增加冶炼难度。因此，本发明钛含量设计为0.03～0.05 wt %。

Cu：铜可以提高钢的强度、韧性和耐大气腐蚀性能，但过高的铜含量，会恶化钢材塑性和加热性能，综合考虑生产成本和性能要求，本发明铜含量设计为0.05～0.15 %，优选地为0.05～0.082%。

Mo：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)，能提高机械性能，还可以抑制合金钢由于高温而引起的脆性。通过实验发现，当钢中Mo含量低于0.015%时钢材强度较低，难以满足高强度的要求且耐热性能不佳；当Mo含量高于0.024%时，钢材强度富裕量较高且成本难以控制。因此综合考虑本发明钢中钼含量设计为0.015～0.024%。

Cr：铬主要存在于渗碳体(Fe₃C)中，溶于渗碳体中的铬提高了碳化物的分解温度，阻止了石墨化现象的发生，进而提高了钢材的耐热性，并能提高钢材耐蚀性能。通过实验发现，当钢中Cr含量处于0.10%到0.18%时，钢材耐热和耐蚀性能俱佳，且能很好满足使用要求。因此，本发明铬含量设计为0.10～0.18%，优选地Cr为0.11～0.14%。

在本发明中，在冶炼的氮合金化阶段，之所以要求增氮剂的粒度为15~25mm，且其组分及重量百分比为：N：12～15%，C：2～3%，Mn：40～45%，Si：15～25%，P≤0.05%，S≤0.05%，余量为Fe，是由于氮合金化过程受氮分压的影响，氮的收得率波动较大，若氮合金中氮含量较高，则从钢液溢出的氮气增加，导致钢中氮收得率降低；若氮合金中氮含量太低，则合金加入量增大，工艺控制复杂且成本增加，同时合适的粒度对合金的熔化和钢液增氮有显著影响，因而综合考虑对冶炼的氮合金化所用合金的成分和粒度作上述限定。

本发明与现有技术相比，通过利用复合微合金化，并控制钢中氮含量在0.04~0.06%及加适量的Cu及Mo，不仅能使直径大于28mm以上钢筋的屈服强度大于500MPa，强屈比大于1.25，且具有良好的耐热性能，即经试验，在600℃下经30分钟的高温，其屈服强度超过20℃下的屈服强度的60%，生产工艺简便，性能稳定，完全满足高层建筑市场对强度和耐热安全性的要求。

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检测情况列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

4）空冷至室温。

表1本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表（wt%）

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

注：表1与表2并非一一对应关系，仅为举例。

表3 本发明各实施例及对比例的性能检测结果列表

耐热性能试验条件：试验温度600℃，维持时间30分钟，其屈服强度与在20℃下的屈服强度之比。

从表3可以看出，本发明钢筋室温状态下的屈服强度均大于500MPa，强屈比超过1.25，而且经在600℃下30分钟的高温考验，其屈服强度大于20℃下的屈服强度的60%即耐热性能优良，性能稳定等优点，无需设备改造便可在现有设备上大规模工业化生产，对我国推广耐热高强钢筋有重要意义。

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

1.一种屈服强度≥500MPa的钢筋，其组分及重量百分比含量为：C：0.10～0.145 %、Si：0.35～0.60 %、Mn：1.05～1.24 %、P≤0.015 %、S≤0.015 %、N：0.042～0.06 %、V：0.06～0.082 %、Ti：0.03～0.05 %、Mo：0.015～0.024 %、Cr：0.10～0.18 %、Cu：0.05～0.15 %，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.生产权利要求1所述的一种屈服强度≥500MPa的耐热钢筋的方法，其步骤：

3）进行热轧，其中，控制粗轧开轧温度在1020～1120℃，精轧终轧温度在820～845℃；

4）空冷至室温。

3.如权利要求2所述的一种屈服强度≥500MPa耐热钢筋的生产方法，其特征在于：当采用转炉冶炼时，原料为铁水加废钢；当采用电炉冶炼时，仅加入废钢。