CN109972035B - 一种800MPa级热轧螺纹钢筋及生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种800MPa级热轧螺纹钢筋及生产方法。高强螺纹钢筋由以下元素按重量百分比(％)组成：C 0.15～0.25％，Si+Mn 1.00～3.00％，Nb 0.01～0.04％，Ti 0.01～0.20％，Mo+Cr 0.50～1.50％，B 0.001～0.01％，Cu 0.01～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明通过添加Nb、Mo、Cr和B来降低贝氏体形成温度、促进韧性较好的粒状贝氏体的形成；采用高温加热和低温开轧相结合的工艺，使得Nb发挥有效固溶作用，并在后续的轧制及冷却过程中形成弥散的Nb(C、N)纳米级析出，析出强化效果好。采用上述成分和工艺生产的螺纹钢显微组织为铁素体+贝氏体，下屈服强度≥800MPa。

Description

一种800MPa级热轧螺纹钢筋及生产方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种800MPa级热轧螺纹钢筋及生产方法。
背景技术
中国经济的快速发展对建筑用钢筋提出越来越高的要求，高强、抗震、经济型钢筋将成为市场主流。提升螺纹钢强度可以减少螺纹钢的使用量，降低钢筋密度并且节省建筑空间，有利于能耗的降低和环境的改善。国标GB/T1499.2-2018《钢筋混凝土用钢第二部分：热轧带肋钢筋》增加了600MPa级钢筋，同时取消了335MPa级的钢筋。可以预见的，螺纹钢筋正在向着更高强度级别的趋势发展。
目前，国内批量化生产并应用的热轧螺纹钢筋为600MPa级钢筋HRB600，700MPa级热轧螺纹钢筋虽有成功试制的报道，但批量应用还在探索中。800MPa级热轧螺纹钢筋未见报道。得益于强度提升，800MPa级热轧螺纹钢筋的开发应用，可大幅减少钢筋用量，有效提升建筑结构的安全性和经济性。
发明内容
本发明旨在提供一种800MPa级热轧螺纹钢筋及生产方法，通过合理的合金成分体系设计即通过添加Nb、Mo、Cr和B促进粒状贝氏体的形成；并采用高温加热和低温开轧相结合的工艺，使得制得的钢筋的下屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥960MPa，断后伸长率≥12％，最大力总伸长率≥7.5％。
为实现上述发明，采取的技术方案是：
一种800MPa级热轧螺纹钢筋，化学组成按重量百分比(％)计包括：C 0.15～0.25％，Si+Mn 1.00～3.00％，Nb 0.01～0.04％，Ti 0.01～0.20％，Mo+Cr 0.50～1.50％，B 0.001～0.01％，Cu 0.01～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋中按重量百分比计，Si和Mn还需满足：Mn＝(1-4)×Si。
优选的，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋中按重量百分比计，Mo和Cr还需满足：Cr＝(2-5)×Mo。
优选的，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋中碳当量Ceq≤0.58，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。
优选的，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋中按重量百分比计，Ti 0.02～0.16％，0.02～0.15％。
优选的，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋中按重量百分比计，Ti 0.03～0.09％，Cu 0.03～0.10％。
上述800MPa级热轧螺纹钢筋的生产方法，包括冶炼、精炼、连铸、轧制、冷床冷却；其中：
(1)钢坯在加热炉中均热段温度控制为1150～1250℃，加热和均热总时间为60～120min；
(2)采用连续棒线轧制机进行轧制，开轧温度控制为1000～1100℃。
进一步，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋的生产方法中，在轧钢工序终轧后通过穿水器穿水冷却，上冷床温度控制为650～800℃。
进一步，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋的生产方法制得的钢筋显微组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例≥75％。
更进一步，所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋的生产方法制得的钢筋的下屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥960MPa，断后伸长率≥12％，最大力总伸长率≥7.5％。
以下对本发明中化学组成和生产工艺的设计进行说明：
本发明中各种元素的主要作用：
C：碳是一种有效提升钢筋强度的元素，通过固溶强化作用可以显著提升抗拉性能，但过高的碳含量会降低钢的韧性和塑性，同时恶化焊接性能，为保证钢筋性能并且节约成本，碳含量合理范围为0.15～0.25％。
Si、Mn：硅和锰起固溶强化作用，增加钢的淬透性，推迟过冷奥氏体的共析转变，增加弹性极限和屈服极限，提高钢的强度。当Si+Mn含量低于1％时，合金含量过低，固溶强化效果较弱，难以保证钢筋强度；而当Si+Mn含量高于3.00％时，会导致贝氏体组织过于粗大，影响钢筋塑性，因此Si+Mn范围为1.00-3.00％。考虑到两者对强度提升的差异，且过高含量的Mn会增加碳当量，影响钢筋焊接性能，所以限定Mn＝(1-4)×Si。
Nb：铌作为微合金化元素之一，具有较好的析出强化和细晶强化作用，抑制形变奥氏体的再结晶，降低奥氏体—铁素体的相变点，促进韧性较好的粒状贝氏体的形成。当Nb含量低于0.01％时，析出强化效果不明显；而当Nb含量大于0.04％时，会增加钢坯角部裂纹敏感性，易于发生轧制开裂。因此Nb范围为0.01～0.04％。
Ti：钛同样是微合金化元素之一，易与N、C形成稳定化合物，提升钢的强度同时优化钢的焊接性能。但钛含量过高冶炼难以控制，并且会形成粗大的TiN颗粒影响性能，钛含量合理范围为0.01～0.20％。
当其含量在0.02～0.16％之间时，效果更好；
当其含量在0.03～0.09％之间时，效果最好。
Mo、Cr：钼和铬作为碳化物形成元素，有效增强淬透性，推迟先共析铁素体转变，增大钢的过冷能力并且降低贝氏体形成温度，利于粒状贝氏体的形成。
当Mo+Cr含量低于0.50％时，无法形成足够比例的贝氏体，影响强度；而当Mo+Cr含量高于1.50％时，贝氏体比例过高并且尺寸粗大，影响钢筋延伸率，所以Mo+Cr合理范围为0.50～1.50％。由于Cr增强淬透性的效果优于Mo，考虑到碳当量，所以限定Cr＝(2-5)Mo。
B：硼元素同样能够增强淬透性，少量添加可以强化轧后穿水效果，提升强度，但含量过高会影响钢筋塑性。所以B元素合理范围为0.001～0.01％。
Cu：铜可以稳定奥氏体，促进合金碳化物的析出，细化晶粒并间接发挥析出强化效果，过量添加则会使钢发生热脆，铜含量合理范围为0.01～0.2％。
其含量在0.02～0.15％之间时效果更好；
其含量在0.03～0.10％之间时效果更好。
以上述成分设计方案为基础，本发明的生产工艺涉及考虑如下：
钢坯均热段温度控制为1150～1250℃，加热和均热总时间为60～120min，充分发挥Nb的固溶强化作用；开轧温度控制为1000～1100℃，有效发挥Nb(C、N)粒子的析出强化作用。
与现有技术相比较，本发明的有益效果至少在于：
1)首次设计了800MPa螺纹钢的合金成分体系，通过添加Nb、Mo、Cr和B来降低贝氏体形成温度、促进韧性较好的粒状贝氏体的形成；
对于800MPa级钢筋而言，仅仅依靠提高碳、硅、锰含量来提升强度，塑性减弱的同时会导致焊接性能变差，严重影响钢筋的大规模应用。发明一方面通过引入Mo、Cr、B等碳化物形成元素，增强淬透性，推迟先共析铁素体转变，增大钢的过冷能力并且降低贝氏体形成温度；另一方面利用Nb微合金化的工艺特点，抑制形变奥氏体的再结晶，降低奥氏体—铁素体的相变点，促进韧性较好的粒状贝氏体的形成。研发出一种低碳高强螺纹钢筋，组织以铁素体和贝氏体为主并具有高强度、高塑性、易焊接的特点。
2)采用高温加热和低温开轧相结合的工艺，使得Nb发挥有效固溶作用，并在后续的轧制及冷却过程中形成弥散的Nb(C、N)纳米级析出，析出强化效果好。
具体实施方式
以下对本发明中800MPa级热轧螺纹钢筋及生产方法进行进一步说明。
本发明中一种800MPa级热轧螺纹钢筋，化学组成按重量百分比(％)计包括：C0.15～0.25％，Si+Mn 1.00～3.00％，Nb 0.01～0.04％，Ti 0.01～0.20％，Mo+Cr 0.50～1.50％，B 0.001～0.01％，Cu 0.01～0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。Mn＝(1-4)×Si，Cr＝(2-5)×Mo，碳当量Ceq≤0.58，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。
当Ti 0.02～0.16％，0.02～0.15％时，钢筋具有更好的性能；
当Ti 0.03～0.09％，Cu 0.03～0.10％时，钢筋具有最好的性能。
结合上述成分设计，本发明采用如下生产方法，包括：高炉铁水预脱硫后添加废钢进入氧气转炉，进行顶底复合吹炼，吹炼过程中加入造渣剂石灰、白云石、菱镁球，控制出钢温度范围1650～1690℃；出钢1/4～3/4时，按顺序加入硅锰合金、铌铁、氮化硅铁、铬铁、钛铁和普通增碳剂，然后进行脱氧合金化；随后进入LF炉精炼，吹氩加入石灰进行电极化渣，精炼结束后加入硼铁；出钢至连铸之间全程采用惰性气体底吹搅拌，控制中间包过热度25～50℃，连铸获得小方坯。钢坯在加热炉中均热段温度控制为1150～1250℃，加热和均热总时间为60～120min。采用连续棒线轧制机进行轧制，开轧温度控制为1000～1100℃。终轧后通过穿水器穿水冷却，上冷床温度控制为650～800℃。后空冷至室温，经剪切定尺、打捆堆放。制得的钢筋显微组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例≥75％。钢筋的下屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥960MPa，断后伸长率≥12％，最大力总伸长率≥7.5％。
以下结合具体实施例对本发明进行进一步说明：
实施例1
本实例800MPa级热轧螺纹钢筋化学成分为：C 0.18wt％，Si 0.85wt％，Mn1.30wt％，Nb 0.02wt％，Ti 0.05wt％，Mo 0.12wt％，Cr 0.59wt％，B 0.009wt％，Cu0.03wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.54。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯；钢坯在加热炉中均热段温度为1150-1200℃，加热总时间70min；后采用连续棒线轧制机进行轧制，轧制规格Ф22mm，开轧温度1020-1050℃，上冷床温度680-730℃，自然冷却至室温即获得800MPa级螺纹钢筋。制得的钢筋组织为贝氏体和铁素体，贝氏体组织比例为81％。
表1为钢筋的力学性能，屈服强度＞800MPa，抗拉强度＞960MPa，断后伸长率＞12，最大力总伸长率＞7.5。
表1 Φ22mm800MPa钢筋力学性能
Figure BDA0002010598330000051
实施例2
本实例800MPa级热轧螺纹钢筋化学成分为：C 0.17wt％，Si 1.17wt％，Mn1.71wt％，Nb 0.03wt％，Ti 0.02wt％，Mo 0.11wt％，Cr 0.41wt％，B 0.003wt％，Cu0.05wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.56。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯；钢坯在加热炉中均热段温度为1200-1250℃，加热总时间80min；后采用连续棒线轧制机进行轧制，轧制规格Φ22mm，开轧温度1050-1080℃，上冷床温度750-780℃，自然冷却至室温即获得800MPa级螺纹钢筋。制得的钢筋组织为贝氏体和铁素体，贝氏体组织比例为85％。
表2为钢筋的力学性能，屈服强度＞800MPa，抗拉强度＞960MPa，断后伸长率＞12，最大力总伸长率＞7.5。
表2 Φ22mm800MPa钢筋力学性能
Figure BDA0002010598330000052
Figure BDA0002010598330000061
实施例3
本实例800MPa级热轧螺纹钢筋化学成分为：C 0.16wt％，Si 0.32wt％，Mn1.01wt％，Nb 0.01wt％，Ti 0.12wt％，Mo 0.31wt％，Cr 0.87wt％，B 0.002wt％，Cu0.07wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.57。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯；钢坯在加热炉中均热段温度为1180-1230℃，加热总时间70min；后采用连续棒线轧制机进行轧制，轧制规格Φ22mm，开轧温度1060-1090℃，上冷床温度720-750℃，自然冷却至室温即获得800MPa级螺纹钢筋。制得的钢筋组织为贝氏体和铁素体，贝氏体组织比例为83％。
表3为钢筋的力学性能，屈服强度＞800MPa，抗拉强度＞960MPa，断后伸长率＞12，最大力总伸长率＞7.5。
表3 Φ22mm800MPa钢筋力学性能
Figure BDA0002010598330000062
实施例4
本实例800MPa级热轧螺纹钢筋化学成分为：C 0.24wt％，Si 0.91wt％，Mn1.11wt％，Nb 0.02wt％，Ti 0.15wt％，Mo 0.16wt％，Cr 0.52wt％，B 0.007wt％，Cu0.18wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.57。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯；钢坯在加热炉中均热段温度为1170-1220℃，加热总时间75min；后采用连续棒线轧制机进行轧制，轧制规格Φ22mm，开轧温度1070-1100℃，上冷床温度700-730℃，自然冷却至室温即获得800MPa级螺纹钢筋。制得的钢筋组织为贝氏体和铁素体，贝氏体组织比例为79％。
表4为钢筋的力学性能，屈服强度＞800MPa，抗拉强度＞960MPa，断后伸长率＞12，最大力总伸长率＞7.5。
表4 Φ22mm800MPa钢筋力学性能
Figure BDA0002010598330000071
实施例5
本实例800MPa级热轧螺纹钢筋化学成分为：C 0.17wt％，Si 0.48wt％，Mn0.75wt％，Nb 0.03wt％，Ti 0.09wt％，Mo 0.41wt％，Cr 0.97wt％，B 0.003wt％，Cu0.12wt％，其余为Fe和不可避免的杂质Ceq＝0.58。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯；钢坯在加热炉中均热段温度为1190-1240℃，加热总时间80min；后采用连续棒线轧制机进行轧制，轧制规格Φ22mm，开轧温度1000-1030℃，上冷床温度730-760℃，自然冷却至室温即获得800MPa级螺纹钢筋。制得的钢筋组织为贝氏体和铁素体，贝氏体组织比例为88％。
表5为钢筋的力学性能，屈服强度＞800MPa，抗拉强度＞960MPa，断后伸长率＞12，最大力总伸长率＞7.5。
表5 Φ22mm800MPa钢筋力学性能
Figure BDA0002010598330000072
实施例6
本实例800MPa级热轧螺纹钢筋化学成分为：C 0.21wt％，Si 0.55wt％，Mn1.02wt％，Nb 0.02wt％，Ti 0.05wt％，Mo 0.21wt％，Cr 0.65wt％，B 0.004wt％，Cu0.06wt％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.56。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯；钢坯在加热炉中均热段温度为1180-1230℃，加热总时间85min；后采用连续棒线轧制机进行轧制，轧制规格Φ22mm，开轧温度1010-1040℃，上冷床温度750-780℃，自然冷却至室温即获得800MPa级螺纹钢筋。制得的钢筋组织为贝氏体和铁素体，贝氏体组织比例为84％。
表6为钢筋的力学性能，屈服强度＞800MPa，抗拉强度＞960MPa，断后伸长率＞12，最大力总伸长率＞7.5。
表6 Φ22mm800MPa钢筋力学性能
Figure BDA0002010598330000081
最后说明的是，以上实施例和对比实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种800MPa级热轧螺纹钢筋，其特征在于，化学组成按重量百分比(％)计包括：C0.15～0.25％，Si+Mn 1.00～3.00％，Nb 0.01～0.04％，Ti 0.03～0.09％，Mo+Cr 0.50～1.50％，B 0.001～0.01％，Cu 0.06～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质；所述Si和Mn还需满足：Mn＝(1-4)×Si，Mo和Cr还需满足：Cr＝(2-5)×Mo，碳当量Ceq≤0.58，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15；
所述的一种800MPa级热轧螺纹钢筋的生产方法，包括冶炼、精炼、连铸、轧制、冷床冷却；其中：
(1)钢坯在加热炉中均热段温度控制为1150～1250℃，加热总时间为60～120min；
(2)采用连续棒线轧制机进行轧制，开轧温度控制为1000～1100℃，终轧后通过穿水器穿水冷却，上冷床温度控制为650～800℃；
制得的钢筋显微组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例≥75％，钢筋的下屈服强度≥800MPa，抗拉强度≥960MPa，断后伸长率≥12％，最大力总伸长率≥7.5％。
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