CN110438399A - 一种铌微合金化hrb400e钢筋及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于炼钢和轧钢领域，具体涉及一种铌微合金化HRB400E钢筋及其制备方法。本发明的钢筋包括以下组分：C 0.15‑0.25％，Si 0.25‑0.35％，Mn 0.50‑1.15％，Nb 0.037‑0.055％，Cr 0.01‑0.02％，As 0.005‑0.01％，Ti 0.01‑0.015％，V 0.02‑0.035％，W 0.01‑0.02％，Hf 0.005‑0.02％和Fe等，制成的钢筋具有较好的强度和耐磨性、耐腐蚀、易焊接等性能。

Description

一种铌微合金化HRB400E钢筋及其制备方法
技术领域
本发明属于炼钢领域，具体涉及一种铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法。
背景技术
钢筋是指钢筋混凝土用和预应力钢筋混凝土用钢材，其横截面为圆形，有时为带有圆角的方形。钢筋可以承受拉力，增加机械强度，是钢筋混凝土结构中的主要材料，钢筋性能是否合格直接关系到建筑工程结构的安全。钢筋作为建筑结构材料在世界范围内得到广泛应用。钢筋的的使用出现了量大、面广的局面，而且钢筋的消费量还在逐年上升。在欧美国家，建筑用钢的国家标准中已淘汰了HRB335级钢筋，均采用HRB400以上的钢筋用于建筑结构，而且更高强度和性能的的钢筋使用比例逐步上升。钢筋种类很多，通常按化学成分、生产工艺、轧制外形、供应形式、直径大小，以及在结构中的用途进行分类，新标准中增设了有较高性能要求的HRB400E和HRB500E和HRB600E等抗震钢筋牌号。
随着建筑结构的快速发展，对建筑用钢材提出了越来越高的要求。注重高强度、高性能、大型化、功能化建筑用钢的生产开发，其中耐火、抗震是建筑用钢重点解决的两大课题。
国外高地震带国家率先研制出抗震阻尼器用钢，并对中国建筑结构市场实行产品、价格垄断。提高钢的强度既简便又便宜的方法是增加碳含量。然而，这种方法使其他所希望的性能遭到消弱，如成型性，焊接性，韧性和其他一些性能。因此，在上述几个性能都重要的情况下的几种应用，碳含量必须保持在低水平。在低碳钢中为了获得高强度并同时保持高水平的综合性能最经济的方法是应用微合金化工艺。微合金化是一个笼统的概念，通常指在原有主加合金元素的基础上再添加微量的Nb、V、Ti等碳氮物形成元素，使其对钢的力学性能有影响或对耐蚀性、耐热性起有利作用。Nb、V、Ti的添加量随微合金化的钢类及品种的不同而异，相对于主加合金元素是微量范围的。如非调质结构钢中一般加进量在0.02％0.06％；在耐热钢和不锈钢中加进量在0.5％左右；而在高温合金中加进量高达1％3％。
中国专利申请CN101007316A中公开了一种生产含铌HRB400级钢筋的方法，特点是Ceq≤0.45％，C：0.18-0.24％，Si：0.40-0.65％，Mn：1.00-1.50％，Nb：0.03-0.045％，S≤0.045％，P≤0.045％，V：00.035％，生产的含铌HRB400级钢筋具有高强度、抗震性和可焊性。但是，其中硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物(如FeS、FeO)形式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是S的存在常引起材料的热脆性。
中国专利申请CN110029281A中公开了一种铌微合金化细晶粒HRB400钢筋及其制备方法，包括如下质量百分比的化学成分：C 0.22-0.25％，Si 0.40-0.50％，Mn 1.35-1.45％，Nb 0.025-0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质，提供的铌微合金化细晶粒HRB400钢筋，虽具有一定的抗拉强度，但是其耐腐蚀性和焊接性能及耐磨性较差。
发明内容
为克服以上技术问题，本发明提供了一种铌微合金化生产新国标HRB400E钢筋，其制备方法简单，制成的HRB400E钢筋具有较好的抗拉强度，同时还增加了其耐腐蚀性、耐磨性及焊接性能。
为实现以上目的，本发明提供的技术方案如下：
一种铌微合金化HRB400E钢筋，按照重量百分比，包括以下组分：C 0.15-0.25％，Si 0.25-0.35％，Mn 0.50-1.15％，Nb 0.037-0.055％，Cr 0.01-0.02％，As 0.005-0.01％，Ti 0.01-0.015％，V 0.02-0.035％，W0.01-0.02％，Hf 0.005-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述HRB400E钢筋，按照重量百分比，包括以下组分：C 0.2-0.25％，Si0.3-0.35％，Mn 0.50-1.0％，Nb 0.04-0.05％，Cr 0.01-0.015％，As 0.007-0.01％，Ti0.01-0.012％，V 0.03-0.035％，W0.01-0.015％，Hf 0.01-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，所述HRB400E钢筋，按照重量百分比，包括以下组分：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，As 0.008％，Ti 0.012％，V 0.03％，W 0.01％，Hf0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的另一目的在于提供一种铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将废钢或生铁块中的一种或两种和砷铁矿进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)在转炉吹氧冶炼5-10min时，加入还原性铬球团与还原性锰球团的混合物；
(3)测温、取样，并确定补吹时间或出钢；出钢前，将计算好的合金加入钢包中进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后精炼进行微合金化；
(4)连铸，轧制，控冷，得HRB400E钢筋。
进一步地，所述转炉的出钢温度为1650-1700℃；
更进一步地，所述连铸的条件为：开浇第一、二炉钢水温度1605-1625℃，连浇炉钢水温度1575-1615℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
更进一步地，所述轧制的条件为：均热段温度为1060-1150℃，加热段温度为1000-1120℃，预热段温度为650-800℃，炉内停留时间60-90min；开轧温度为950-1000℃，精轧入口温度为940-960℃；上冷床温度850-950℃。
更进一步地，所述开轧温度为950-960℃。
更进一步地，在转炉出钢前5-6min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；
更进一步的，所述脱氧合金化的具体过程为：加入硅铁、硅锰和无烟煤中的一种或多种进行脱氧合金化；
更进一步的，所述微合金化的具体过程为，先加入硅铁、中碳锰铁和锻烧无烟煤中一种或多种进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金。
更进一步地，步骤(3)中，还包括加入增碳剂，具体为在转炉出钢后50-80S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量及考虑其他合金带入碳含量加入增碳剂；更进一步地，增碳剂为碳粉或碳粉与碳化硅的混合物；
更进一步地，根据冶炼终点钢水中的各元素含量目标加入各元素的合金或还原性金属单质中的一种或几种的组合。
与现有技术比，本发明的技术优势在于：
(1)本发明制备的新国标HRB400E钢筋，其制备方法简单，制成的HRB400E钢筋具有较好的抗拉强度，同时还增加了其耐腐蚀性、耐磨性及焊接性能；
(2)转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化，在氧化的过程中放出大量的热量，可使炉内达到足够高的温度；
(3)在进行转炉冶炼时，装料、供氧、造渣、温度、终点控制及合金化对钢的化学成分有着较大的影响，本发明在现有炼钢工艺技术基础上通过改变原料及通过对温度和终点控制及合金化过程调整，优化了HRB400E钢筋的强度、耐腐蚀、耐磨等性能，取得了较好的力学及耐腐蚀性能等效果；
(4)加入Cr，V，As与Si共同作用，可以作为有效的还原剂和脱氧剂，能够提高抗拉强度的同时减小了其脆性；
(5)钢筋中含有的碳与铬具有很大的亲和力，形成一系列复杂化合物，这些化合物的产生，增加了刚的强度，但会影响耐腐蚀性，本发明中通过加入Nb，Ti，W，Hf等元素克服了这一缺点，有效提高了其耐腐蚀性、耐磨性及焊接性能；
(6)本发明中的含有的S、P等杂质量均小于等于0.001％，提高了HRB400E钢筋的韧性和塑性。
具体实施方式
实施例1
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，As 0.008％，Ti0.012％，V 0.03％，W 0.01％，Hf 0.015％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将废钢和砷铁矿进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)在转炉吹氧冶炼8min时，加入还原性铬球团与还原性锰球团的混合物；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅铁进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入中碳锰铁进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金进行微合金化；在转炉出钢前5min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1680℃出钢；转炉出钢后60S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量及考虑其他合金带入碳含量补充碳粉；
(4)连铸：开浇第一、二炉钢水温度1615℃，连浇炉钢水温度1595℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
轧制：均热段温度为1120℃，加热段温度为1100℃，预热段温度为750℃，炉内停留时间80min；开轧温度为960℃，精轧入口温度为950℃；控冷，上冷床温度900℃，得HRB400E钢筋。
实施例2
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.15％，Si 0.35％，Mn 0.50％，Nb 0.055％，Cr 0.01％，As 0.01％，Ti0.015％，V 0.02％，W 0.02％，Hf 0.005％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将废钢、生铁块和砷铁矿进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)在转炉吹氧冶炼10min时，加入还原性铬球团与还原性锰球团的混合物；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅铁和无烟煤进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入中碳锰铁和锻烧无烟煤进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金进行微合金化；在转炉出钢前6min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1650℃出钢；转炉出钢后80S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量补入碳粉与碳化硅的混合物；
(4)连铸：开浇第一、二炉钢水温度1605℃，连浇炉钢水温度1615℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
轧制：均热段温度为1150℃，加热段温度为1120℃，预热段温度为800℃，炉内停留时间90min；开轧温度为1000℃，精轧入口温度为960℃；控冷，上冷床温度950℃，得HRB400E钢筋。
实施例3
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.25％，Si 0.25％，Mn 1.15％，Nb 0.037％，Cr 0.02％，As 0.005％，Ti0.01％，V 0.035％，W 0.01％，Hf 0.02％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将废钢和砷铁矿进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)在转炉吹氧冶炼5min时，加入还原性铬球团与还原性锰球团的混合物；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅锰进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入锻烧无烟煤进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金进行微合金化；在转炉出钢前5min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1650℃出钢；转炉出钢后50S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量补入碳粉；
(4)连铸：开浇第一、二炉钢水温度1605℃，连浇炉钢水温度1575℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
轧制：均热段温度为1060℃，加热段温度为1000℃，预热段温度为650℃，炉内停留时间60min；开轧温度为950℃，精轧入口温度为940℃；上冷床温度850℃，控冷，得HRB400E钢筋。
实施例4
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 1.0％，Nb 0.045％，Cr 0.015％，As 0.01％，Ti0.012％，V 0.03％，W0.015％，Hf 0.01％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将生铁块和砷铁矿进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)在转炉吹氧冶炼10min时，加入还原性铬球团与还原性锰球团的混合物；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅铁和硅锰进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入硅铁进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金进行微合金化；在转炉出钢前6min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1700℃出钢；转炉出钢后80S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量补入碳粉；
(4)连铸：开浇第一、二炉钢水温度1625℃，连浇炉钢水温度1615℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
轧制：均热段温度为1150℃，加热段温度为1120℃，预热段温度为800℃，炉内停留时间90min；开轧温度为1000℃，精轧入口温度为960℃；上冷床温度950℃，控冷，得HRB400E钢筋。
对比例1
与实施例1相比，不含有Hf。
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，As 0.008％，Ti0.012％，V 0.03％，W 0.01％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)-(2)同实施例1的步骤(1)-(2)；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅铁进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入中碳锰铁进行成分微调；之后再加入铌合金、钨铁合金、钛合金进行微合金化；在转炉出钢前5min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1680℃出钢；转炉出钢后60S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量及考虑其他合金带入碳含量补充碳粉；
(4)同实施例1的步骤(4)。
对比例2
与实施例1相比，不含有As。
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，Ti 0.012％，V 0.03％，W 0.01％，Hf 0.015％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将废钢进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)-(4)同实施例1的步骤(2)-(4)。
对比例3
与实施例1相比，不含有Ti。
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，As 0.008％，V 0.03％，W 0.01％，Hf 0.015％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)-(2)同实施例1的步骤(1)-(2)；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅铁进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入中碳锰铁进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、进行微合金化；在转炉出钢前5min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1680℃出钢；转炉出钢后60S内，根据冶炼终点钢水中的碳含量及考虑其他合金带入碳含量补充碳粉；
(4)同实施例1的步骤(4)。
对比例4
与实施例1相比，工艺条件不同。
本实施例的HRB400E钢筋中各组分同实施例1的组成。
按照HRB400E钢筋中各组分的比例准备原料，本实施例中，HRB400E钢筋中各组分的比例为：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，As 0.008％，Ti0.012％，V 0.03％，W 0.01％，Hf 0.015％，其余为Fe；
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)-(3)同实施例1的步骤(1)-(3)；
(4)连铸：开浇第一、二炉钢水温度1615℃，连浇炉钢水温度1595℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
轧制：均热段温度为1120℃，加热段温度为1100℃，预热段温度为750℃，炉内停留时间40min；开轧温度为930℃，精轧入口温度为950℃；控冷，上冷床温度800℃，得HRB400E钢筋。
对比例5
与实施例1相比，工艺条件不同。
本实施例的HRB400E钢筋中各组分同实施例1的组成。
铌微合金化HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)-(2)同实施例1的步骤(1)-(2)；
(3)测温、取样，并确定补吹时间；出钢前，将计算好的合金加入钢包中，加入硅铁进行脱氧合金化；进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后先加入中碳锰铁进行成分微调；之后再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金进行微合金化；在转炉出钢前5min内，加入还原性钒球团和还原性铌球团；在1750℃出钢；
(4)连铸：开浇第一、二炉钢水温度1635℃，连浇炉钢水温度1595℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接；
轧制：均热段温度为1120℃，加热段温度为1100℃，预热段温度为750℃，炉内停留时间80min；开轧温度为960℃，精轧入口温度为950℃；控冷，上冷床温度900℃，得HRB400E钢筋。
效果例
1.力学性能效果
参照《GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用钢第二部分热轧带肋钢筋》进行测定钢筋的屈服强度(Rel)、抗拉强度(Rm)及断后伸长率(A)，钢筋规格：直径28mm，结果数见下表1。
表1力学性能效果数据
由此可知，本发明制备的铌微合金化HRB400E钢筋具有较好的力学性能，且各元素如Hf、Ti、AS等以及工艺参数对HRB400E钢筋的力学性能具有较大的影响。
2.耐腐蚀性能测试
盐雾腐蚀试验：参照《GB/T 10125-2012人造气氛腐蚀试验盐雾试验》
试样为3mm×15mm×40mm的样片，乙酸盐雾试验，pH值为3.1-3.3；试验周期480h，结果见表2。
表2耐腐蚀性能效果
试验组 腐蚀速率(g/m<sup>2</sup>·h)
实施例1 0.195
实施例2 0.203
实施例3 0.198
实施例4 0.201
对比例1 0.512
对比例2 0.409
对比例3 0.431
对比例4 0.374
由此可知，本发明制备的铌微合金化HRB400E钢筋具有较好的耐腐蚀性能，且各元素如Hf、Ti、AS等以及工艺参数对HRB400E钢筋的耐腐蚀性能具有较大的影响。
上述详细说明是针对本发明其中之一可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种铌微合金化HRB400E钢筋，按照重量百分比，包括以下组分：C 0.15-0.25％，Si0.25-0.35％，Mn 0.50-1.15％，Nb 0.037-0.055％，Cr 0.01-0.02％，As 0.005-0.01％，Ti
0.01-0.015％，V 0.02-0.035％，W0.01-0.02％，Hf 0.005-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的HRB400E钢筋，其特征在于，按照重量百分比，包括以下组分：C0.2-0.25％，Si 0.3-0.35％，Mn 0.50-1.0％，Nb 0.04-0.05％，Cr 0.01-0.015％，As0.007-0.01％，Ti 0.01-0.012％，V 0.03-0.035％，W0.01-0.015％，Hf 0.01-0.02％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的HRB400E钢筋，其特征在于，所述HRB400E钢筋，按照重量百分比，包括以下组分：C 0.2％，Si 0.3％，Mn 0.7％，Nb 0.045％，Cr 0.012％，As 0.008％，Ti0.012％，V 0.03％，W 0.01％，Hf 0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求1-3任一所述的HRB400E钢筋的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：将废钢或生铁块中的一种或两种和砷铁矿进行脱硫处理后，制出的铁水中硫含量≤0.001％；加入到转炉内吹氧熔炼；
(2)在转炉吹氧冶炼5-10min时，加入还原性铬球团与还原性锰球团的混合物；
(3)测温、取样，并确定补吹时间或出钢；出钢前，将计算好的合金加入钢包中进行脱氧合金化，在钢水脱氧合金化后精炼进行微合金化；
(4)连铸，轧制，控冷，得HRB400E钢筋。
5.如权利要求4所述的HRB400E钢筋的制备方法，其特征在于，所述连铸的条件为：开浇第一、二炉钢水温度1605-1625℃，连浇炉钢水温度1575-1615℃，浇注过程中稳定控制拉速，保证钢水衔接。
6.如权利要求4所述的HRB400E钢筋的制备方法，其特征在于，所述轧制的条件为：均热段温度为1060-1150℃，加热段温度为1000-1120℃，预热段温度为650-800℃，炉内停留时间60-90min；开轧温度为950-1000℃，精轧入口温度为940-960℃，上冷床温度850-950℃。
7.如权利要求4所述的HRB400E钢筋的制备方法，其特征在于，在转炉出钢前5-6min内，加入还原性氧化钒球团和还原性氧化铌球团。
8.如权利要求4所述的HRB400E钢筋的制备方法，其特征在于，步骤(3)中还含包括加入增碳剂，所述增碳剂为碳粉与碳化硅的混合物。
9.如权利要求4所述的HRB400E钢筋的制备方法，其特征在于，所述脱氧合金化的具体过程为：加入硅铁、硅锰和无烟煤中的一种或多种进行脱氧合金化。
10.如权利要求4所述的HRB400E钢筋的制备方法，其特征在于，所述微合金化的具体过程为，先加入硅铁、中碳锰铁和锻烧无烟煤中一种或多种进行成分微调；再加入铌合金、铪铁合金、钨铁合金、钛合金。
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