CN110144522A - 一种氧化物细晶型螺纹钢筋及其生产工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化物细晶型螺纹钢筋及其生产工艺，属于螺纹钢筋生产领域。该钢筋包括的成分按质量分数为：C 0.18～0.25％，Si 0.1～0.8％，Mn 1.2～1.6％，P 0.01～0.04％，S 0.01～0.04％，O 0.005～0.03％，N 0.003～0.015％，Ca+Mg 0.003～0.03％，余量为Fe和杂质元素。该钢筋的生产工艺包括钢水冶炼、夹杂物处理、连铸、轧制和冷却等步骤。该生产工艺对钢筋中的夹杂物类型、尺寸和数量进行特殊控制，利用钢中弥散分布的氧化物细化晶粒，提高钢筋强度，减少贵重合金元素添加，实现螺纹钢筋的低成本生产。

Description

一种氧化物细晶型螺纹钢筋及其生产工艺
技术领域
本发明涉及螺纹钢筋生产技术领域，尤其涉及一种氧化物细晶型螺纹钢筋及其生产工艺。
背景技术
螺纹钢筋广泛应用于建筑、交通、基础设施建设等领域，是产量最大、应用需求最广的钢材产品。为了进一步提高螺纹钢筋的产品质量、促进节能减排、淘汰落后产能，我国在2018年颁布了新的热轧带肋钢筋国家标准，对螺纹钢筋的生产工艺、金相组织、强度级别、使用性能等提出了新的要求。为满足标准要求，目前，各螺纹钢筋生产企业摒弃了强穿水的生产工艺，几乎全部采用合金化的方式提高钢筋强度。主要包括提高硅、锰合金元素含量，采用钒、铌、钛微合金化技术，添加铬合金元素等。采用合金化的方法一方面造成钢筋生产成本的增加，另一方面加重了贵重合金资源的消耗，不利于社会的可持续发展。在这一背景下，急需开发出新型的钢筋强化方式及其生产工艺，节约贵重合金资源的消耗，实现螺纹钢筋的低成本绿色化生产。
目前，螺纹钢筋的主要微合金化技术是采用钒氮微合金化，含钒钢筋具有生产工艺简单、产品性能稳定等优点。但是钒价格的升高大幅增加了螺纹钢生产成本，因此现有技术的发展趋势是采用低成本合金化方案代替单一的钒微合金化。专利CN102071357A公开了一种富氮铌钒微合金化500MPa、550MPa高强度抗震钢筋及冶炼方法，通过增加氮含量和降低钒、铌含量，使微合金钒、铌的强化效果得到充分发挥。专利文件CN102703813A公开了一种钒钛复合微合金化钢筋及及其生产方法，通过钛钒的复合添加并结合低温轧制，利用碳氮化钛的析出强化作用提高钢筋强度。专利CN102400044A公开了一种铌钛复合微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法，采用铌钛复合添加的方法取代钒微合金化，降低生产成本。专利CN105779866A公开的一种HRB400钢筋及其生产方法，不添加铌、钒合金元素，而通过添加0.2～0.3％的铬的方法提高钢筋强度，但是需要进行精炼和精轧。专利CN106929736A公开了一种HRB500抗震钢筋及其生产工艺，通过钢筋中含有的钙基复合颗粒物细化组织提高钢筋强度，但是所得到的针状铁素体组织与标准所要求的铁素体加珠光体组织不符合，影响了钢筋的使用性能。
通过现有技术分析，为降低钢筋的生产成本，一方面采用复合微合金化或较廉价元素微合金化替代单一的钒微合金化，但是仅通过合金元素提高钢筋强度，而钢中的夹杂物未得到有效利用。另一方面，常规的钢筋生产工艺中夹杂物未发挥有效作用，现有的利用夹杂物细化组织的技术中得到针状铁素体组织，无法满足标准要求。
发明内容
本发明针对上述技术问题，提供一种氧化物细晶型螺纹钢筋及其制备工艺，解决了目前钢筋生产中采用微合金化技术生产成本高、显微组织不满足标准要求等问题，通过钢筋中夹杂物类型、尺寸和数量的优化控制，利用弥散分布的氧化物细化显微组织，提高钢筋的强度，降低生产成本。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种氧化物细晶型螺纹钢筋，包含以下质量分数的化学成分：C：0.18～0.25％，Si：0.1～0.8％，Mn：1.2～1.6％，P：0.01～0.04％，S：0.01～0.04％，O：0.005～0.03％，N：0.003～0.015％，Ca+Mg：0.003～0.03％，余量为Fe和杂质元素；其中，钢筋中含有直径为0.02～5μm的MgO或/和CaO夹杂物的数量为1000～5000个/mm2，含有直径为5μm以上的MgO或/和CaO夹杂物的数量为1～10个/mm2。
优选地，钢筋中含有直径为0.02～5μm的MgO或/和CaO夹杂物的数量为1500～4500个/mm2。
优选地，钢筋中含有直径为5μm以上的MgO或/和CaO夹杂物的数量为2～6个/mm2。
优选地，上述的钢筋中的含有MgO或/和CaO的夹杂物的平均间距为5～50μm。
优选地，所述的钢筋中的含有MgO或/和CaO的夹杂物按数量计50％以上为MgO或/和CaO与MnS形成的复合氧硫化物夹杂物。
优选地，所述的钢筋还包含以下质量分数的化学成分：Nb：0.01～0.05％、Ti：0.01～0.05％、V：0.01～0.1％、Cr：0.1～0.3％、B：0.001～0.003％中的一种或一种以上。
优选地，所述的钢筋的显微组织为铁素体加珠光体组织，铁素体晶粒度＞10级，钢筋具有拉伸屈服平台。
本发明还提供了上述的氧化物细晶型螺纹钢筋的生产工艺，包括以下工艺步骤：
步骤1、钢水冶炼：
将铁水和/或废钢料进行冶炼，当钢水温度达到1620～1690℃、碳质量分数为0.06～0.18％、氧质量分数为0.02～0.08％、硫质量分数为0.01～0.04％时、磷质量分数为0.01～0.04％时出钢，在出钢量1/3～3/4过程中加入硅和锰，出钢后根据所述的钢筋成分的质量分数进一步调整钢水碳、硅、锰元素含量；
步骤2、钢水处理和连铸：
调整钢水的温度和氧含量分别达到温度1550～1650℃、溶解氧质量分数0.001～0.01％、全氧质量分数0.005～0.05％，向钢水中喂入含有Mg或/和Ca添加剂的包芯线，包芯线直径为8～16mm，喂入速度100～200m/min，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，处理后的钢水中化学成分和夹杂物含量达到钢筋所述成分要求后，钢水进行连铸得到连铸坯；Mg或/和Ca添加剂为含有Mg或/和Ca的金属粉、硅基合金、氧化物、碳酸盐中的一种或几种混合后制成的粉末，其中含有任意比例的Mg和Ca；
步骤3、连铸坯轧制：
对连铸坯进行连续轧制，开轧温度1100～1250℃，终轧温度950～1150℃，轧制后得到螺纹钢筋，钢筋冷却后，得到氧化物细晶型螺纹钢筋。
优选地，所述步骤1中，出钢后钢水进行LF炉精炼，精炼时间5～30min。
优选地，所述步骤2中，在喂入包芯线之后进行钢包底吹氩气或氮气1～5min。
优选地，所述步骤3中，连铸坯直接进行轧制或者再加热后轧制，当连铸坯采用再加热轧制时，加热温度为1100～1260℃，加热时间20～200min。
优选地，所述步骤3中，轧制后的钢筋以水冷、风冷或气雾冷却方式快冷至800～1000℃之后在空气中自然冷却。
本发明的技术原理如下：
螺纹钢筋的轧制生产过程中，从铸坯到成品变形量大，轧制速度快，较难实现低温控制轧制，通常在奥氏体高温再结晶区完成变形，因此难以得到细化的奥氏体组织。铌、钒、钛微合金化元素在高温奥氏体中大部分发生溶解，对奥氏体的细化作用不明显，主要通过冷却过程碳氮化物的析出发挥强化作用。而氧化物具有高的热稳定性，主要在钢液中反应生成，在加热和轧制过程中不发生溶解，因此可以作为钉扎细化奥氏体晶粒的质点，如果进一步在钢筋冷却过程中发挥促进铁素体形核的作用，将显著细化钢筋的显微组织，达到细晶强化的效果。
螺纹钢筋的生产过程中不进行钢水深度脱氧脱硫处理，因此在钢筋中残留大量氧硫化物夹杂，一般为较大尺寸的硅铝酸盐和硫化锰夹杂，在通常情况下对钢筋的组织细化和强化不起作用，并且对钢材的质量具有不利影响。本发明通过研究发现，钢中微细弥散分布的MgO或/和CaO氧化物能够显著细化奥氏体晶粒，并且在与MnS形成复合氧硫化物后能够有效促进铁素体相变形核，在适当的合金成分下促进细晶粒的铁素体珠光体组织生成。由于钢液中生成的氧化物容易发生聚集长大和上浮排除，对组织细化效果具有不利影响，因此需要对添加剂的类型和加入方法进行合理控制，使钢中获得大量微细弥散均匀分布的氧化物。
本发明方案中通过对合金成分、冶炼工艺、轧制工艺的合理控制，能获得有益的夹杂物分布，并发挥组织细化作用，获得满足标准要求的细晶粒铁素体珠光体组织，并且具有拉伸屈服平台，满足使用性能要求。在本方案的晶粒细化技术的基础上，当生产更高强度的钢筋时，可适当选择添加铌、钒、钛、铬、硼等元素，与常规工艺生产的同等强度级别的钢筋相比，可减少合金元素的添加量。
与现有技术相比，本发明的技术效果：
1、本发明采用的晶粒细化手段不同于常规的采用添加合金元素的方式，而充分利用钢筋中的夹杂物，使通常情况下无用的氧硫化物转变为有益的细晶质点，非常适合具有较高夹杂物含量特点的螺纹钢筋的生产；
2、本发明采用的MgO或/和CaO添加剂，成本低廉、来源丰富、制备简单，适合螺纹钢筋大批量的生产，减少了贵重合金资源的消耗，降低了生产成本，有利于推广应用；
3、本发明中氧化物具有高的热稳定性，能够在高温轧制和简单的冷却条件下起到组织细化作用，因此降低了钢筋轧制和冷却工艺要求，有利于降低生产难度，提高生产效率；
4、本发明中氧化物微细弥散分布，对钢筋显微组织和性能改善作用明显，所获得的组织类型为铁素体珠光体组织，满足标准要求，具有拉伸屈服平台，有利于实际应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1钢筋的金相组织。
图2为本发明实施例1钢筋的拉伸应力应变曲线。
图3为本发明实施例1钢筋的夹杂物分布扫描电镜组织。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细介绍，但本发明的保护范围不局限于实施例。
实施例1
一种氧化物细晶型螺纹钢筋的化学成分按质量分数为：C 0.24％，Si0.48％，Mn1.56％，P 0.03％，S 0.02％，O 0.017％，N 0.006％，Ca+Mg 0.012％，余量为Fe和杂质元素；钢筋中直径为0.02～5μm的含有MgO或/和CaO的夹杂物的数量为2436个/mm2，直径为5μm以上的夹杂物的数量为3个/mm2。生产工艺为：将铁水在转炉中熔炼成钢水，出钢温度1658℃、碳质量分数0.10％、氧质量分数0.045％、硫质量分数0.03％、磷质量分数0.03％，出钢1/3～3/4过程中加入硅锰，出钢后调整钢水成分；钢水达到1550～1650℃、溶解氧质量分数0.003％、全氧质量分数0.03％后，喂入含有硅镁合金和硅钙合金粉末的包芯线，其中硅镁合金与硅钙合金的重量比为2：1，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，钢水成分和夹杂物含量达到本实施例钢筋成分要求后进行连铸；连铸坯冷却后再加热到1180℃，加热时间120min，进行连续轧制，开轧温度1150℃，终轧温度1080℃，钢筋直径16mm，轧后钢筋在空气中冷却，得到实施例1螺纹钢筋。
所制备的螺纹钢筋的金相组织如图1所示，组织类型为铁素体加珠光体组织，晶粒尺寸显著细化，铁素体晶粒度＞10级，起到细晶强化作用。钢筋的拉伸应力应变曲线如图2所示，屈服强度为473MPa，抗拉强度为667MPa，具有明显的屈服平台，可满足使用性能要求。钢筋中夹杂物分布的扫描电镜组织如图3所示，可见微细的夹杂物弥散分布在钢筋基体中，夹杂物的平均间距为5～50μm起到组织细化作用。
实施例2
一种氧化物细晶型螺纹钢筋的化学成分按质量分数为：C 0.22％，Si0.56％，Mn1.43％，P 0.03％，S 0.03％，O 0.024％，N 0.012％，Ca+Mg 0.028％，余量为Fe和杂质元素；钢筋中直径为0.02～5μm的含有MgO或/和CaO的夹杂物的数量为4357个/mm2，直径为5μm以上的夹杂物的数量为6个/mm2。生产工艺为：将铁水和废钢按质量比5：1在转炉中熔炼成钢水，出钢温度1675℃、碳质量分数0.07％、氧质量分数0.07％、硫质量分数0.03％、磷质量分数0.03％，出钢1/3～3/4过程中加入硅锰，出钢后调整钢水成分；钢水达到1550～1650℃、溶解氧质量分数0.002％、全氧质量分数0.02％后，喂入含有氧化镁和金属钙粉末的包芯线，其中氧化镁与金属钙的重量比为1：3，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，钢水成分和夹杂物含量达到本实施例钢筋成分要求后进行连铸；连铸坯直接进行连续轧制，开轧温度1160℃，终轧温度1100℃，钢筋直径12mm，轧后钢筋在空气中冷却，得到实施例2螺纹钢筋。
实施例3
一种氧化物细晶型螺纹钢筋的化学成分按质量分数为：C 0.23％，Si0.15％，Mn1.28％，P 0.02％，S 0.04％，O 0.012％，N 0.007％，Ca+Mg 0.008％，余量为Fe和杂质元素；钢筋中直径为0.02～5μm的含有MgO或/和CaO的夹杂物的数量为1720个/mm2，直径为5μm以上的夹杂物的数量为2个/mm2。生产工艺为：将铁水和废钢按质量比1：2在电炉中熔炼成钢水，出钢温度1660℃、碳质量分数0.07％、氧质量分数0.06％、硫质量分数0.04％、磷质量分数0.02％，出钢1/3～3/4过程中加入硅锰，出钢后调整钢水成分；钢水达到1550～1650℃、溶解氧质量分数0.003％、全氧质量分数0.02％后，喂入含有碳酸镁和碳酸钙粉末的包芯线，其中碳酸镁与碳酸钙的摩尔比为1：1，喂线后钢包底吹氮气2min，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，钢水成分和夹杂物含量达到本实施例钢筋成分要求后进行连铸；铸坯加热到1150℃，加热时间90min，进行连续轧制，开轧温度1130℃，终轧温度1080℃，钢筋直径32mm，轧后钢筋在空气中冷却，得到实施例3螺纹钢筋。
实施例4
一种氧化物细晶型螺纹钢筋的化学成分按质量分数为：C 0.24％，Si0.65％，Mn1.55％，P 0.01％，S 0.02％，O 0.006％，N 0.013％，Ca+Mg 0.005％，V 0.03％，余量为Fe和杂质元素；钢筋中直径为0.02～5μm的含有MgO或/和CaO的夹杂物的数量为1543个/mm2，直径为5μm以上的夹杂物的数量为3个/mm2。生产工艺为：将铁水在转炉中熔炼成钢水，出钢温度1665℃、碳质量分数0.08％、氧质量分数0.05％、硫质量分数0.02％、磷质量分数0.01％，出钢1/3～3/4过程中加入硅锰，出钢后调整钢水成分；钢水达到1550～1650℃、溶解氧质量分数0.003％、全氧质量分数0.015％后，喂入含有硅镁合金和硅钙合金粉末的包芯线，其中硅镁合金与硅钙合金的重量比为1：1，喂线后钢包底吹氩气3min，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，钢水成分和夹杂物含量达到本实施例钢筋成分要求后进行连铸；连铸坯加热到1120℃，加热时间50min，进行连续轧制，开轧温度1100℃，终轧温度1000℃，钢筋直径12mm，轧后钢筋在空气中冷却，得到实施例4螺纹钢筋。
实施例5
一种氧化物细晶型螺纹钢筋的化学成分按质量分数为：C 0.18％，Si0.64％，Mn1.46％，P 0.02％，S 0.01％，O 0.007％，N 0.008％，Ca+Mg 0.015％，Nb 0.02％，Ti 0.02，余量为Fe和杂质元素；钢筋中直径为0.02～5μm的含有MgO或/和CaO的夹杂物的数量为2895个/mm2，直径为5μm以上的夹杂物的数量为5个/mm2。生产工艺为：将铁水在转炉中熔炼成钢水，出钢温度1645℃、碳质量分数0.15％、氧质量分数0.03％、硫质量分数0.02％、磷质量分数0.02％，出钢1/3～3/4过程中加入硅锰，出钢后调整钢水成分；钢水达到1550～1650℃、溶解氧质量分数0.002％、全氧质量分数0.012％后，喂入含有氧化镁和碳酸钙粉末的包芯线，其中氧化镁与碳酸钙的重量比为1：4，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，钢水成分和夹杂物含量达到本实施例钢筋成分要求后进行连铸；连铸坯直接进行连续轧制，开轧温度1100℃，终轧温度970℃，钢筋直径16mm，轧后钢筋水冷至900℃之后在空气中冷却，得到实施例5螺纹钢筋。
实施例6
一种氧化物细晶型螺纹钢筋的化学成分按质量分数为：C 0.22％，Si0.64％，Mn1.46％，P 0.02％，S 0.01％，O 0.007％，N 0.004％，Ca+Mg 0.024％，Cr 0.22％，B0.001％，余量为Fe和杂质元素；钢筋中直径为0.02～5μm的含有MgO或/和CaO的夹杂物的数量为3910个/mm2，直径为5μm以上的夹杂物的数量为4个/mm2。生产工艺为：将废钢在电炉中熔炼成钢水，出钢温度1670℃、碳质量分数0.1％、氧质量分数0.05％、硫质量分数0.03％、磷质量分数0.04％，出钢1/3～3/4过程中加入硅锰，出钢后调整钢水成分；钢水进行LF精炼20min；钢水达到1550～1650℃、溶解氧质量分数0.002％、全氧质量分数0.025％后，喂入含有碳酸钙粉末的包芯线，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，钢水成分和夹杂物含量达到本实施例钢筋成分要求后进行连铸；连铸坯热装炉加热到1150℃，加热时间60min，进行连续轧制，开轧温度1120℃，终轧温度1100℃，钢筋直径40mm，轧后钢筋在空气中冷却，得到实施例6螺纹钢筋。
各实施例螺纹钢筋的力学性能如表1所示。
表1各实施例螺纹钢筋的力学性能
实施例 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后伸长率/％ 强屈比 屈服平台
1 473 667 28 1.41 有
2 465 628 27 1.35 有
3 458 637 29 1.39 有
4 550 743 25 1.35 有
5 570 758 23 1.33 有
6 565 740 24 1.31 有
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种氧化物细晶型螺纹钢筋，其特征在于，包含以下质量分数的化学成分：C：0.18～0.25％，Si：0.1～0.8％，Mn：1.2～1.6％，P：0.01～0.04％，S：0.01～0.04％，O：0.005～0.03％，N：0.003～0.015％，Ca+Mg：0.003～0.03％，余量为Fe和杂质元素；其中，钢筋中含有直径为0.02～5μm的MgO或/和CaO的夹杂物的数量为1000～5000个/mm2，钢筋含有直径为5μm以上的MgO或/和CaO的夹杂物的数量为1～10个/mm2。
2.根据权利要求1所述的氧化物细晶型螺纹钢筋，其特征在于，所述的钢筋中的含有MgO或/和CaO的夹杂物的平均间距为5～50μm。
3.根据权利要求1所述的氧化物细晶型螺纹钢筋，其特征在于，所述的钢筋中的含有MgO或/和CaO的夹杂物按数量计50％以上为MgO或/和CaO与MnS形成的复合氧硫化物夹杂物。
4.根据权利要求1所述的氧化物细晶型螺纹钢筋，其特征在于，所述的钢筋还包含以下质量分数的化学成分：Nb：0.01～0.05％、Ti：0.01～0.05％、V：0.01～0.1％、Cr：0.1～0.3％、B：0.001～0.003％中的一种或一种以上。
5.根据权利要求1所述的氧化物细晶型螺纹钢筋，其特征在于，所述的钢筋的显微组织为铁素体加珠光体组织，铁素体晶粒度＞10级，钢筋具有拉伸屈服平台。
6.根据权利要求1所述的氧化物细晶型螺纹钢筋的生产工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：
步骤1、钢水冶炼：
将铁水和/或废钢料进行冶炼，当钢水温度达到1620～1690℃、碳质量分数为0.06～0.18％、氧质量分数为0.02～0.08％、硫质量分数为0.01～0.04％时、磷质量分数为0.01～0.04％时出钢，在出钢量1/3～3/4过程中加入硅和锰，出钢后根据所述的钢筋成分的质量分数进一步调整钢水碳、硅、锰元素含量；
步骤2、钢水处理和连铸：
调整钢水的温度和氧含量分别达到温度1550～1650℃、溶解氧质量分数0.001～0.01％、全氧质量分数0.005～0.05％，向钢水中喂入含有Mg或/和Ca添加剂的包芯线，包芯线直径为8～16mm，喂入速度100～200m/min，使钢水中Ca和Mg质量分数之和为0.003～0.03％、全氧质量分数0.005～0.03％，处理后的钢水中化学成分和夹杂物含量达到钢筋所述成分要求后，钢水进行连铸得到连铸坯；Mg或/和Ca添加剂为含有Mg或/和Ca的金属粉、硅基合金、氧化物、碳酸盐中的一种或几种混合后制成的粉末，其中含有任意比例的Mg和Ca；
步骤3、连铸坯轧制：
对连铸坯进行连续轧制，开轧温度1100～1250℃，终轧温度950～1150℃，轧制后得到螺纹钢筋，钢筋冷却后，得到氧化物细晶型螺纹钢筋。
7.根据权利要求6所述的氧化物细晶型螺纹钢筋的生产工艺，其特征在于，所述步骤1中，出钢后钢水进行LF炉精炼，精炼时间5～30min。
8.根据权利要求6所述的氧化物细晶型螺纹钢筋的生产工艺，其特征在于，所述步骤2中，在喂入包芯线之后进行钢包底吹氩气或氮气1～5min。
9.根据权利要求6所述的氧化物细晶型螺纹钢筋的生产工艺，其特征在于，所述步骤3中，连铸坯直接进行轧制或者再加热后轧制，当连铸坯采用再加热轧制时，加热温度为1100～1260℃，加热时间20～200min。
10.根据权利要求6所述的氧化物细晶型螺纹钢筋的生产工艺，其特征在于，所述步骤3中，轧制后的钢筋以水冷、风冷或气雾冷却方式快冷至800～1000℃之后在空气中自然冷却。
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