CN110343951A - 一种600MPa级抗大变形钢筋及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种600MPa级抗大变形钢筋及其生产方法，钢筋的化学成分按重量百分比计包括：C 0.18～0.24％，Mn+Cr+Mo+Ni 1.4～2.2％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.02～0.06％，Nb+V 0.3～0.6％，Alt≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，且钢筋成分同时满足：V＝(3～7)N+0.15；Nb+V＝(10～17)N‑0.05；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.54。本发明通过控制炼钢过程中增氮剂加入及软搅拌参数将钢中氮含量控制在0.03～0.06％之间，使得添加的钒80％以上以碳氮化物析出来强化基体，制得的超高强抗大变形钢筋屈服强度≥685MPa，屈强比≤0.78，最大力延伸率≥15％。

Description

一种600MPa级抗大变形钢筋及其生产方法

技术领域

本发明属于高强钢筋生产领域，具体涉及一种600MPa级抗大变形钢筋及其生产方法。

背景技术

近年来，我国钢筋年产量超2亿吨，约占世界钢筋总产量75％；但我国钢筋强度等级与国外相比普遍低1～2级别。我国钢筋产品中，335～400MPa级别占比超过70％，而欧洲发达国家建筑钢筋以500MPa级为主，屈服强度685MPa的超高强度抗震钢筋已在日本的高层建筑建造中得到应用。一方面，低级别钢筋的增加钢材的消耗量，加大资源和能源消耗，加剧环境负担；另一方面，现有强度和抗震指标等已不能完全满足重大工程高安全等级的要求。相比于国标中对抗震钢筋的强屈比≥1.25和最大力总伸长率≥9％的要求，而抗大变形钢筋低屈强比(≤0.78)、高最大力延伸率(≥12％)和无明显屈服平台，具有突出的的连续、均匀变形能力，因此更加适用于重大防护工程等建筑结构以提高应对自然灾害、外部破坏的安全等级，同时可降低钢筋消耗量，优化结构设计。

目前，600MPa级以上高强钢筋的成分体系包括：1)中高碳成分设计，代表钢种日本USD685B，屈服强度≥685MPa，屈强比≤0.85，断后伸长率≥10％，但其碳含量≤0.50％，远超GB 1499.2-2018新国标要求的≤0.28％，焊接工艺性差，韧塑性易出现问题，不利于推广应用；2)中碳微合金成分设计，代表钢种SD600和俄罗斯A600c，屈服强度≥600MPa，抗拉强度≥710MPa，断后伸长率≥10％，但未对屈强比作出明确要求，不利于抗震设计；3)中碳合金钢成分设计+精轧螺纹钢筋，如PSB785，屈服强度≥785MPa，抗拉强度≥980MPa，断后伸长率≥7％，最大力总伸长率≥3.5％，强度较高，塑性较差，成本高，不易焊接，使用时采用锚具连接，施工成本增加，应用领域有限。

专利CN 106967928 A中提出一种650MPa级高强度抗震钢筋用钢及其制备方法，但其平均值碳当量高达0.75，不利于钢筋的实际焊接，从焊接工艺性能上限制了钢筋的大范围推广；专利CN 103893408 A中提出一种700MPa级螺纹钢筋及其生产方法，但其屈强比为0.82，最大力总伸长≥9％，钢筋不具备突出的连续、均匀变形能力，不能有效抵御自然灾害，抵抗外部破坏；专利CN 102732787 A和CN 102732787 A均提出了一种600MPa级别钢筋的生产方法，但一方面其碳含量及碳当量设计处于较高水平，另一方面其在屈服强度的余量方面偏小，在该强度级别中缺乏市场竞争力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种600MPa级抗大变形钢筋及其生产方法，采用增N型Nb、V、N微合金化成分设计，结合VN合金化、加入增氮剂，精炼时间和软搅拌参数控制，使钢中形成大量、细小的Nb和V的碳氮化物析出来强化基体，得到屈服强度≥685MPa，屈强比≤0.78，最大力延伸率≥15％的钢筋。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

1.一种600MPa级抗大变形钢筋，其特征在于，化学组分按重量百分比计包括，C0.18～0.24％，Mn+Cr+Mo+Ni 1.4～2.2％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.02～0.06％，Nb+V 0.3～0.6％，Alt≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，且钢筋成分同时满足：V＝(3～7)N+0.15；Nb+V＝(10～17)N-0.05；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.54。

首先，本发明的核心技术在于采用增N型Nb、V、N微合金化成分设计，通过VN合金化、加入增氮剂，控制精炼时间和软搅拌参数等措施将钢中氮含量控制在N 0.02％～0.06％之间，一方面，实现Nb的细晶强化和析出强化，另一方面使添加的钒80％以上以碳氮化物析出来强化基体，细晶强化和第二相强化共同发挥作用，可将强化效果从现有水平的200～300MPa提高到350～380MPa，同时同时保持良好的塑性，并且析出的V阻止铁素体晶粒长大，具有明显的析出沉淀强化的效果，提高强度的同时可有效阻止焊接热影响区奥氏体晶粒的长大，提高韧性，但上述元素添加会增加裂纹敏感性，并造成合金浪费，综合考虑，Nb和V总量控制在0.3～0.6％，并且为保证Nb、V合金的析出作用，Nb、V和N的关系应符合V＝(3～7)N+0.15％及Nb+V＝(10～17)N-0.05％。

其次，从降低C当量提高焊接性的角度来说，C含量越低越好，但C含量的降低会导致钢强度的大幅度降低，尤其是当C＜0.18％时，钢筋的强度会大幅度降低，而高于0.28％时，则会提高碳当量，大幅度的破坏焊接性与低温韧性。因此，钢中的C含量应控制在0.18～0.28％之间。

再次，Mn、Cr、Mo、Ni：是钢铁材料中重要的固溶强化元素，可以提高钢的淬透性，同时Mn也起到炼钢过程中脱氧作用，而当以上元素总和含量偏高时，对钢筋的低温韧性不利，综合考虑将其含量总和控制在1.3～3.0％

此外，为保证钢筋具有较好的焊接工艺性，将Ceq设计为≤0.54％。

2.根据权利要求1所述的600MPa级抗大变形钢筋，其特征在于，所述的钢筋规格为14～18mm时，钢筋的化学成分按重量百分比计包括：C 0.18～0.22％，Mn+Cr+Mo+Ni 1.4～1.9％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.02％～0.04％，Nb+V 0.3～0.4％，Alt≤0.01％，且Ceq 0.43～0.52％，余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，钢筋屈服强度≥685MPa，最大力延伸率≥16.3％。

3.根据权利要求1所述的600MPa级抗大变形钢筋，其特征在于，所述的钢筋规格为20～28mm时，钢筋的化学成分按重量百分比计包括：C 0.18～0.24％、Mn+Cr+Mo+Ni 1.9～2.2％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.40％～0.60％，Nb+V 0.4～0.6％，Alt≤0.01％，且Ceq 0.52～0.54％、余量为Fe及不可避免的杂质。

优选的，钢筋屈服强度≥710MPa，最大力延伸率≥15.0％。

4.一种600MPa级抗大变形钢筋的生产方法，其特征在于：包括冶炼、连铸、轧钢、冷床冷却，按照以下工艺流程生产：

(1)在冶炼、连铸工序中，按照钢筋的成分范围以及元素比例关系进行冶炼，采用VN合金加入，转炉出钢时加入0.3～0.5kg/t增氮剂，转炉出钢后采用0.4～0.6MPa压力的氩气底吹来软搅拌钢液，时间5分钟以上；后进行浇注；

(2)轧制及冷床冷却中，小方坯加热温度为1210～1290℃，开轧温度1090～1170℃，上冷床温度1090～1150℃，在冷床上自然冷却。

采用VN合金加入并且转炉出钢时加入0.3～0.5kg/t增氮剂，使得钢水中的V元素和N元素充分结合，控制采用0.4～0.6MPa的压力软搅拌5min及以上，可以提高钢水中合金元素的均匀性，轧制时，加热温度高于1290℃，会有原奥氏体晶粒尺寸偏大的风险，而加热温度低于1210℃，则不利于合金元素的均匀化，不利于铌元素的溶解和析出强化，保证开轧温度在1090～1170℃，上冷床温度若低于1090℃，则容易出现较多的贝氏体组织，对延伸率和冲击韧性不利，若高于1170℃，则晶粒组织中铁素体比例会过多，对于适当提升强度不利。

5.根据权利要求4所述的600MPa级抗大变形钢筋的生产方法，其特征在于，所述增氮剂的化学成分按重量百分比计包括：Si₃N₄35～65％、Ti 8～15％、Si 5～10％、Al 1～6％、Ca 1～5％、Mn 0.5～1.5％、Mg 0.1～2.0％，其余为Fe及不可避免的杂质。

上述增氮剂有利于稳定钢水中氮含量，保证析出强化、沉淀强化效果。

同现有技术相比，本发明的有益效果至少在于：

1、利用增N型Nb、V、N微合金化成分设计，可将强化效果从现有水平的200～300MPa提高到350～380MPa，钢筋屈服强度≥685MPa；

2、针对超高强抗大变形钢筋屈强比≤0.78，最大力延伸率≥15％，强度余量充足且具有突出的连续变形能力；

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1～10以及比较例11～15的化学成分见表1。

实施例1～10采用转炉冶炼+小方坯连铸+冷床冷却的短流程生产工艺，按照以下工艺流程生产：

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照钢筋的成分范围以及元素比例关系进行冶炼，采用VN合金加入，转炉出钢时加入0.3～0.5kg/t增氮剂，转炉出钢后采用0.4～0.6MPa压力的氩气底吹来软搅拌钢液，时间5分钟以上；浇注成横截面140mm×140mm小方坯；所用增氮剂成分按重量百分比计包括：Si₃N₄35～65％、Ti 8～15％、Si 5～10％、Al 1～6％、Ca 1～5％、Mn 0.5～1.5％、Mg 0.1～2.0％，其余为Fe及不可避免的杂质。

(2)轧钢及加热工序中，轧制及冷床冷却中，小方坯加热温度为1210～1290℃，开轧温度1090～1170℃，上冷床温度1090～1150℃，在冷床上自然冷却。

对比例11～15采用转炉冶炼+小方坯连铸+冷床冷却的短流程生产工艺，按照以下工艺流程生产：

(1)在冶炼、浇铸工序中，按照钢筋的成分范围以及元素比例关系进行冶炼，采用钒铁合金化，浇注成横截面140mm×140mm小方坯；

(2)轧钢及加热工序中，小方坯加热温度为1120～1200℃，开轧温度≤1080℃，上冷床温度≤1080℃。

表1实施例及对比例中钢筋的化学成分(wt％)

对实施例1～10以及比较例11～15制得的钢筋进行析出相分析和力学性能检测，检测结果如表2所示。

表2实施例及对比例中V(C,N)析出相比例(％)及钢筋的力学性能

由表2可见，与对比例相比，在采用本发明技术方案的实施例中，产品采用增N型Nb、V、N微合金化成分设计，V(C，N)析出相比例在80％及以上，远优于对比例。与对比例相比，在采用本发明技术方案的实施例中，产品屈服强度在685MPa以上，钢筋屈强比≤0.78，最大力延伸率≥15％，强度余量充足且具有突出的连续变形能力，远优于对比例。

最后说明的是，以上优选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 (6)

1.一种600MPa级抗大变形钢筋，其特征在于，化学组分按重量百分比计包括，C 0.18～0.24％，Mn+Cr+Mo+Ni 1.4～2.2％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.02～0.06％，Nb+V 0.3～0.6％，Alt≤0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质，且钢筋成分同时满足：V＝(3～7)N+0.15；Nb+V＝(10～17)N-0.05；Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15≤0.54。

2.根据权利要求1所述的600MPa级抗大变形钢筋，其特征在于，所述的钢筋规格为14～18mm时，钢筋的化学成分按重量百分比计包括：C 0.18～0.22％，Mn+Cr+Mo+Ni 1.4～1.9％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.02％～0.04％，Nb+V 0.3～0.4％，Alt≤0.01％，且Ceq0.43～0.52％，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的600MPa级抗大变形钢筋，其特征在于，所述的钢筋规格为20～28mm时，钢筋的化学成分按重量百分比计包括：C 0.18～0.24％、Mn+Cr+Mo+Ni 1.9～2.2％且至少含有Mn、Ni两种元素，N 0.04％～0.06％，Nb+V 0.4～0.6％，Alt≤0.01％，且Ceq0.52～0.54％、余量为Fe及不可避免的杂质。

4.一种600MPa级抗大变形钢筋的生产方法，其特征在于：包括冶炼、连铸、轧钢、冷床冷却，按照以下工艺流程生产：

(1)在冶炼、连铸工序中，按照钢筋的成分范围以及元素比例关系进行冶炼，采用VN合金加入，转炉出钢时加入0.3～0.5kg/t增氮剂，转炉出钢后采用0.4～0.6MPa压力的氩气底吹来软搅拌钢液，时间5分钟以上，然后进行浇注；

(2)轧制及冷床冷却中，小方坯加热温度为1210～1290℃，开轧温度1090～1170℃，上冷床温度1090～1150℃，在冷床上自然冷却。

5.根据权利要求4所述的600MPa级抗大变形钢筋的生产方法，其特征在于，所述增氮剂的化学成分按重量百分比计包括：Si₃N₄ 35～65％、Ti 8～15％、Si 5～10％、Al 1～6％、Ca1～5％、Mn 0.5～1.5％、Mg 0.1～2.0％，其余为Fe及不可避免的杂质。

6.根据权利要求6所述的600MPa级抗大变形钢筋的生产方法，其特征在于，所述的生产方法生产的钢筋屈服强度≥685MPa，屈强比≤0.78，最大力延伸率≥15％。