CN108374126A - 一种高强度细晶粒钢筋及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种高强度细晶粒钢筋，其化学成分按质量分数为：C：0.15～0.45％，Si：0.5～1％，Mn：1～2％，P：0.005～0.025％，S：0.005～0.025％，Cr：0～1％，V：0～0.1％，Mo：0～0.5％，Ti：0.005～0.025％，Ca：0.001～0.006％，O：0.002～0.006％，余量为Fe和杂质元素；制备方法：1)将铁水和/或废钢料熔炼成钢水并进行脱氧合金化；然后进行LF精炼；全保护浇铸，得到铸坯；2)加热保温；3)铸坯进行粗轧和精轧；4)冷却后得到高强度细晶粒钢筋；本发明通过冶炼技术和轧制工艺的协同改进，充分利用廉价合金元素和钢中氧硫化物夹杂物，细化晶粒尺寸，提高强度，实现高强度钢筋低成本、高效率生产。

Description

一种高强度细晶粒钢筋及其制备方法
技术领域
本发明属于钢筋生产技术领域，特别涉及一种高强度细晶粒钢筋及其制备方法。
背景技术
伴随着我国工业化和城镇化的快速推进，建筑业和相关工程建设领域得到快速发展，对建筑用钢材的需求量显著增加。我国的建筑多数是以钢筋混凝土建筑为主，热轧带肋钢筋作为最主要的建筑用钢铁产品，其强度等级的升级与质量水平的提高直接影响到我国经济的可持续发展。目前我国热轧带肋钢筋以HRB400和HRB500级别为主，仍与工业发达国家存在很大差距。为实现高强度钢筋的生产和应用，人们在成分体系、生产工艺方面进行了大量探索和研究。
专利文件CN102899558A公开了一种500MPa级建筑用抗震钢筋，采用钒氮微合金化，同时提高强度和韧性，满足建筑抗震设计对钢筋性能的要求，热轧态交货，避免了由于采用余热淬火工艺产生的马氏体组织。但要求钒含量达到0.07～0.12％，对于具有巨大潜在需求量的500MPa级钢筋而言，钒合金资源消耗和生产成本显著增加。
专利文件CN102383033A公开了一种600MPa级含钒热轧钢筋及其生产方法，在冶炼过程中采取增钒、增氮和固氮工艺，轧制过程采取降低开轧温度和精轧温度来保证低温大压下实现细晶、固溶和沉淀析出强化。但是低温轧制备成轧机负荷增加，给生产带来困难，并且高的钒合金化也增加了合金成本。
专利文件CN106521349A公开了一种经济型高强度精轧螺纹钢筋及生产方法，采用常规冶炼、连铸方法，进行Cr、Mo、B以及Nb、V或Ti的微合金化，采用低温控制轧制和轧后热处理，得到直径＞50mm的高强度精轧螺纹钢筋，具有良好的综合力学性能。由于要求较大的精轧累积变形量和低的终轧温度，给轧制生产带来困难。
专利文件CN103695783A公开了一种超低碳贝氏体高强钢筋及其生产方法，采用超低碳设计和Nb、B、Cu等微合金化，采用低温轧制和轧后缓冷，获得贝氏体组织，促进Cu析出强化，提高钢筋强度，屈服强度≥685MPa。但该工艺增加了Nb、Cu的添加量，需进行低温轧制和缓冷析出，并且采用超低碳冶炼，工艺控制要求较高，成本增加。
专利文件CN104862604A公开了一种HRB700MPa级抗震耐腐蚀钢筋，利用廉价的红土镍矿资源替代部分铁矿石资源进行冶炼，其中镍、铬、钛等成分代替常规的部分锰元素来细化晶粒，改善抗震耐蚀性。但由于采用超低碳的成分设计，廉价碳的强化作用未得到充分利用。
专利文件CN104294162A公开了一种785MPa级高强度预应力结构用螺纹钢筋及其制备方法，采用V、Cr、B微合金化，结合控制轧制、冷却技术，提高钢材强度，提高精轧螺纹钢筋的性能稳定性。但该工艺采用了低温控制轧制，影响了生产效率，增加了技术难度。
从上述现有技术来看，提高热轧钢筋力学性能的主要手段包括：V、Nb微合金化以及Cr、Mo、B等元素的添加；采用低温控制轧制细化晶粒；采用余热处理或热处理提高强度。这些技术手段带来合金成本或生产工艺难度的增加，不利于高性能钢筋的推广应用。因此，需进一步进行低成本减量化高强度钢筋的研发，以促进建筑用钢的产品结构升级和可持续发展。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高强度细晶粒钢筋及其制备方法，解决了高强度热轧钢筋合金成本高、低温轧制生产难度大等问题，在降低合金成本、简化轧制工艺的条件下实现热轧钢筋晶粒的细化和强度的显著提高。
本发明的一种高强度细晶粒钢筋，包含化学成分按质量分数为：C：0.15～0.45％，Si：0.5～1％，Mn：1～2％，P：0.005～0.025％，S：0.005～0.025％，Cr：0～1％，V：0～0.1％，Mo：0～0.5％，Ti：0.005～0.025％，Ca：0.001～0.006％，O：0.002～0.006％，余量为Fe和杂质元素；
所述的高强度细晶粒钢筋，钢中尺寸在0.2～5μm的含有Ti-Ca的氧化物的数量为500～3000个/mm2，与Ti-Ca的氧化物复合析出的MnS夹杂物的数量占全部MnS数量的10％以上，存在于单个或多个铁素体晶粒根部的Ti-Ca氧化物占全部Ti-Ca氧化物数量的10％以上。
所述的高强度细晶粒钢筋，其组织类型为晶内转变的铁素体或贝氏体型组织，平均晶粒尺寸为1～10μm，原始奥氏体晶粒尺寸为50～200μm。
一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：冶炼：
将铁水和/或废钢料熔炼成钢水，出钢量在1/3～3/4时加入Si和Mn进行脱氧合金化，并根据产品强度级别加入相应量的Cr、V、Mo合金；对脱氧后钢水进行LF精炼，LF精炼过程中喂入Ti-Ca-O包芯线，吹惰性气体搅拌后软吹惰性气体或氮气10～20min；精炼结束后，根据高强度细晶粒钢筋成分进行合金微调，钢水达到设计成分和出炉温度后进行全保护浇铸，得到铸坯；
步骤2，加热：
铸坯采用热送热装或冷坯再加热，加热温度为1230～1280℃，加热时间30～200min；
步骤3，轧制：
对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧开轧温度1150～1250℃，精轧终轧出口温度1100～1200℃，得到钢筋；
步骤4，冷却，进行(1)或(2)：
(1)轧制后钢筋采用自然冷却或加速冷却，终冷温度600～700℃，得到高强度细晶粒钢筋；
(2)钢筋轧制后以5～15℃/s的速度冷却至350～450℃之后缓冷，得到高强度细晶粒钢筋。
上述高强度细晶粒钢筋的制备方法，其中：
所述步骤1中，当原料为废钢时，采用电炉冶炼，当原料为铁水时，采用转炉冶炼，当原料为和废钢的混合物时，采用电炉或转炉冶炼。
所述步骤1中，废钢为非合金或低合金废钢，废钢中Pb、As、Sb、Bi、Sn含量总和＜0.2wt.％，Cu、Ni、Cr、Mo含量分别＜0.5wt.％。
所述步骤1中，LF到站钢水溶解氧＜20ppm。
所述步骤1中，冶炼过程中喂入的Ti-Ca-O包芯线由钛铁合金粉、硅钙合金粉和氧化铁粉混匀填充制成，其中钛铁合金占20～30wt.％、硅钙合金占35～45wt.％、氧化铁占30～40wt.％，喂入速度150～200m/min。
所述步骤1中，LF终点钢水溶解氧为1～10ppm，总氧为20～60ppm，钢中尺寸在0.2～5μm的Ti-Ca氧化物的数量为500～3000个/mm2。
所述步骤1中，搅拌时间为2～3min。
所述步骤1中，出炉温度为1530～1580℃。
所述步骤3中，采用升温轧制工艺，轧机机架间不进行水冷。
所述步骤4中，加速冷却方式为风冷或气雾冷却或穿水冷却。
所述步骤4(2)中，将冷却后的钢筋，加热至500～600℃，保温10～60min，进行快速加热回火处理。
上述的高强度细晶粒钢筋的制备方法，技术方案的设计思想为：
本发明从热轧钢筋的生产工艺特点和组织性能改善的难点出发，通过冶炼技术和轧制工艺的协同改进，充分利用廉价合金元素和钢中氧硫化物夹杂物，细化晶粒尺寸，提高强度，实现高强度钢筋低成本、高效率生产。
本方案主要采用较廉价的C、Si、Mn元素强化基体强度，对更高强度级别或根据钢筋的耐蚀性、耐火性等要求可适量添加Cr、V、Mo元素；利用尺寸在0.2～5μm的Ti-Ca氧化物及其与MnS的复合析出物促进晶内铁素体或晶内贝氏体转变，在粗化的热轧奥氏体晶粒尺寸下获得微细相变组织；在Ti、Ca、O元素含量以及Ti-Ca氧化物和MnS的分布条件满足本方案所述要求时，可实现热轧钢筋组织性能的显著改善。
为获得上述有效的氧硫化物分布，本方案对常规的冶炼工艺进行了改进，在转炉出钢过程中进行脱氧合金化，并将溶解氧脱至较低水平以利于精炼处理操作；然后采用喂Ti-Ca-O包芯线的方法，使钢中生成所需的氧化物类型，并且可使氧化物分布均匀，数量合理，最大程度发挥组织细化效果。在轧制阶段，与常规采用低温轧制细化晶粒的思路相反，本方案中不进行铸坯的预冷以及机架间的水冷，而使轧件自然降温或升温，充分发挥轧机生产能力，在高温轧制条件下得到粗化的奥氏体晶粒。进一步结合本方案所述冷却方法，可显著促进晶内组织转变，获得微细晶内铁素体或贝氏体型组织，提高钢筋强度。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明主要采用C、Si、Mn较廉价元素强化基体，可减少Nb、V等细晶强化和析出强化元素的添加，降低合金成本，节约资源消耗。
2、本发明不采用低温控制轧制，简化了钢筋轧制工艺，降低了生产操作难度，可提高生产效率，并降低对设备能力的要求。
3、本发明中氧硫化物对晶粒细化作用效果显著，氧化物控制方法稳定可靠，克服了常规技术中方法复杂、不易控制的缺点，有利于工业化稳定生产。
附图说明
图1本发明实施例6制备的高强度钢筋典型显微组织。
具体实施方式
下面通过实施例详细介绍本发明方案的具体实施方式。
一种高强度细晶粒钢筋，包含化学成分按质量分数为：C：0.15～0.45％，Si：0.5～1％，Mn：1～2％，P：0.005～0.025％，S：0.005～0.025％，Cr：0～1％，V：0～0.1％，Mo：0～0.5％，Ti：0.005～0.025％，Ca：0.001～0.006％，O：0.002～0.006％，余量为Fe和杂质元素，各实施例的钢筋成分如表1所示。
一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，包括以下工艺步骤：
步骤1：冶炼：
将废钢料通过转炉熔炼成钢水，出钢量在1/3～3/4时加入Si和Mn进行脱氧合金化，并根据产品强度级别加入相应量的Cr、V、Mo合金；对脱氧后钢水进行LF精炼，LF精炼过程中喂入Ti-Ca-O包芯线，吹氩搅拌2min后软吹氩；使各实施例钢筋中氧硫化物分布如表2所示；精炼结束后，根据高强度细晶粒钢筋成分进行合金微调，钢水达到设计成分后进行全保护浇铸，得到铸坯；
步骤2，加热：
将铸坯加热，加热温度、加热时间如表3所示；
步骤3，轧制：
对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，得到钢筋，轧制参数如表3所示；
步骤4，冷却，进行(1)或(2)：
(1)轧制后钢筋采用自然冷却或加速冷却，终冷温度如表3所示，得到高强度细晶粒钢筋；
(2)钢筋轧制后以5～15℃/s的速度冷却之后缓冷，缓冷温度如表3所示，得到高强度细晶粒钢筋。
实施例制备的高强度细晶粒钢筋的屈服强度如表4所示，可满足建筑结构对不同等级高强度钢筋的要求。
表1各实施例钢筋的化学成分(wt.％)
实施例 C Si Mn P S Ti Ca O 其它
1 0.25 0.5 1.25 0.01 0.015 0.02 0.005 0.003 -
2 0.45 0.6 1.62 0.012 0.02 0.015 0.003 0.005 -
3 0.5 1.0 1.35 0.02 0.017 0.017 0.003 0.003 -
4 0.15 0.65 1.50 0.015 0.014 0.01 0.005 0.002 0.2Cr
5 0.35 0.7 1.57 0.018 0.012 0.023 0.001 0.006 0.05V
6 0.25 0.8 1.83 0.015 0.008 0.008 0.002 0.005 0.1Mo
表2各实施例钢筋中氧硫化物分布
表3各实施例的轧制工艺参数和屈服强度
如图1所示，实施例6制备的钢筋显微组织为晶内转变的铁素体和贝氏体型组织，在粗大原奥氏体晶粒尺寸条件下获得细晶相变组织，利于强塑性的显著提高。

Claims (10)

1.一种高强度细晶粒钢筋，其特征在于，所述的钢筋包含化学成分按质量分数为：C：0.15～0.45％，Si：0.5～1％，Mn：1～2％，P：0.005～0.025％，S：0.005～0.025％，Cr：0～1％，V：0～0.1％，Mo：0～0.5％，Ti：0.005～0.025％，Ca：0.001～0.006％，O：0.002～0.006％，余量为Fe和杂质元素；
所述的高强度细晶粒钢筋，钢中尺寸在0.2～5μm的含有Ti-Ca的氧化物的数量为500～3000个/mm2，与Ti-Ca的氧化物复合析出的MnS夹杂物的数量占全部MnS数量的10％以上，存在于单个或多个铁素体晶粒根部的Ti-Ca氧化物占全部Ti-Ca氧化物数量的10％以上。
2.根据权利要求1所述的一种高强度细晶粒钢筋，其特征在于，所述的钢筋的组织类型为晶内转变的铁素体或贝氏体型组织，平均晶粒尺寸为1～10μm，原始奥氏体晶粒尺寸为50～200μm。
3.权利要求1所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
步骤1：冶炼：
将铁水和/或废钢料熔炼成钢水，出钢量在1/3～3/4时加入Si和Mn进行脱氧合金化，并根据产品强度级别加入相应量的Cr、V、Mo合金；对脱氧后钢水进行LF精炼，LF精炼过程中喂入Ti-Ca-O包芯线，吹惰性气体搅拌后软吹惰性气体或氮气10～20min；精炼结束后，根据高强度细晶粒钢筋成分进行合金微调，钢水达到设计成分和出炉温度后进行全保护浇铸，得到铸坯；
步骤2，加热：
铸坯采用热送热装或冷坯再加热，加热温度为1230～1280℃，加热时间30～200min；
步骤3，轧制：
对加热后的连铸坯进行粗轧和精轧，粗轧开轧温度1150～1250℃，精轧终轧出口温度1100～1200℃，得到钢筋；
步骤4，冷却，进行(1)或(2)：
(1)轧制后钢筋采用自然冷却或加速冷却，终冷温度600～700℃，得到高强度细晶粒钢筋；
(2)钢筋轧制后以5～15℃/s的速度冷却至350～450℃之后缓冷，得到高强度细晶粒钢筋。
4.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，废钢为非合金或低合金废钢，废钢中Pb、As、Sb、Bi、Sn含量总和＜0.2wt.％，Cu、Ni、Cr、Mo含量分别＜0.5wt.％。
5.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，LF到站钢水溶解氧＜20ppm。
6.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，冶炼过程中喂入的Ti-Ca-O包芯线由钛铁合金粉、硅钙合金粉和氧化铁粉混匀填充制成，其中钛铁合金占20～30wt.％、硅钙合金占35～45wt.％、氧化铁占30～40wt.％，喂入速度150～200m/min。
7.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，LF终点钢水溶解氧为1～10ppm，总氧为20～60ppm，钢中尺寸在0.2～5μm的Ti-Ca氧化物的数量为500～3000个/mm2。
8.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，出炉温度为1530～1580℃。
9.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，采用升温轧制工艺，轧机机架间不进行水冷。
10.根据权利要求3所述的一种高强度细晶粒钢筋的制备方法，其特征在于，所述步骤4(2)中，将冷却后的钢筋，加热至500～600℃，保温10～60min，进行快速加热回火处理。
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