CN112391572A

CN112391572A - 一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺

Info

Publication number: CN112391572A
Application number: CN202011223788.4A
Authority: CN
Inventors: 王光文; 唐名标; 熊科林; 李维华
Original assignee: Fujian Sanbao Steel Co Ltd
Current assignee: Fujian Sanbao Steel Co Ltd
Priority date: 2020-11-05
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-02-23

Abstract

本发明涉及一种Cu‑Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，包括以下步骤：制备Cu‑Cr合金、连铸、热轧制以及冷却来制备高强度高韧钢筋。本发明通过在组分中加入(补充)铜与铬促进形成金属间化合物，降低碳化铬在一些高自由能区域(如点蚀区，位错区或界面区)的析出机率。选择控制碳化铬生成的保温时间，防止过热，快冷，使碳来不及析出，抑制碳化铬等碳化物的生成；将钢加热到1000℃左右，也可以使存在的碳化铬组织溶解；水淬，迅速通过敏化温度区，使合金保留含Cu‑Cr的金属间化合物的组织。

Description

一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺

技术领域

本发明涉及一种钢筋的制备工艺，具体的，涉及一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺。

背景技术

钢筋是现代建筑的基础性材料，广泛用于房屋、桥梁、道路等工程建设，其性能直接影响着混凝土构件的寿命和安全性。目前，我国正处在城镇化高速发展阶段，房地产和基础设施建设蓬勃发展，钢筋的产量和消费量均居世界第一。

通过增加钢筋强度和耐蚀性能，从而减少用钢量和延长使用寿命以达到节能减排效果的技术，越来越受到冶金科技工作者和政府行业的关注。20世纪90年代以前，西欧、北美和日本就已经较多地使用高强度钢筋，采用高强度以及耐腐蚀钢筋钢筋能明显降低用钢量和人工成本并显著改善工程质量，具有良好的社会效益和经济效益。目前的混凝土建筑结构中，钢筋的锈蚀现象不断出现，钢筋锈蚀后会对混凝土的结构造成损失，因为当钢筋锈蚀后，钢筋的力学性能下降，截面积损失，且腐蚀物会使钢筋与混凝土之间的结合力下降，从而导致混凝土构件的承载能力降低。现有的钢筋的耐腐蚀性能较低，容易腐蚀生锈，产生安全隐患。对于耐蚀钢筋，一般是通过主要添加以铬为首的合金元素，形成合金钢，来达到耐蚀的作用。

如专利CN104109815A公开了一种耐海洋气候腐蚀钢筋，该钢筋的各组分及重量百分比含量为：C：0.2％-0.25％，Si：0.35％-0.55％，Mn：1.0％-1.35％，P：0.01％-0.04％，S:0.005％-0.03％，Cu：0.05％-0.3％，Ni：0.04％-0.25％，Cr：0.05％-0.3％，其余为Fe及不可避免的杂质：满足Ceq不超过0.54％。该专利通过合理控制各组分、尤其是S、P的含量，使制得的钢筋的屈服强度不低于400MPa，抗拉强度不低于540MPa，延伸率A不低于 16％，最大力下总伸长率Agt/％不低于9％，冷弯性能合格的条件下，耐海洋腐蚀性能优良、即由现在的1.00％提高到1.43％，使用中不会产生开裂问题的耐海洋气候腐蚀钢筋。

CN108193123A公开了一种耐蚀钢筋及其制备方法，该制备方法的步骤如下：对红土镍矿、铜渣和煤粉进行干燥、破碎、磨细以及筛分，混合均匀，得到原材料混合物；将消石灰熔剂和糖浆添加剂加入到上述原材料混合物中，混合均匀，得到待还原物料；对待还原物料进行压球、干燥，得到球团；将球团加入转底炉进行还原-破碎-磁选分离-压块或者还原-熔分，得到镍铜铬铁合金；通过转炉或电炉进行钢水冶炼，在钢水出钢过程中加入上述镍铜铬铁合金，经过精炼、连铸和热轧，得到耐蚀钢筋。

虽然现有技术中有不少对于耐腐蚀钢筋的研究，但是目前存在耐腐蚀效果不明显，钢筋强度不高以及钢筋内部结构存在明显腐蚀等缺点。

发明内容

本发明旨在解决的技术问题包括提高钢筋在大气以及极端环境(如海洋、酸雨环境中)的耐蚀性能，降低钢筋内部结构或成分不均匀引起的内部腐蚀等问题。

本发明技术方案不仅需要解决外部的整体环境的耐腐蚀性(均匀腐蚀)，而且关注钢筋内部的腐蚀问题。钢中合金元素的浓度差异或一些特殊元素都会引起内部腐蚀，如浓度差异过大形成一个有效的“阴阳极”发生腐蚀，例如Cr元素形成的碳化物的富集是内部腐蚀的主要因素。例如，碳化铬会集中向一些发生畸变的区域，如位借及晶粒交界处，发生富集。这种现象会加重钢材的腐蚀。

本发明中，在组分中加入(补充)铜与铬促进形成金属间化合物，降低碳化铬在一些高自由能区域(如点蚀区，位错区或界面区)的析出机率。在工艺上，选择控制碳化铬生成的保温时间，防止过热，快冷，使碳来不及析出，抑制碳化铬等碳化物的生成；将钢加热到1000℃左右，也可以使存在的碳化铬组织溶解；水淬，迅速通过敏化温度区，使合金保留含Cu-Cr的金属间化合物的组织。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，包括以下步骤：

S1：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，950～1000℃熔融得到铜铬合金添加物，控制两者的质量比为1.5<Cr/Cu<4以及相对钢水的质量分数Cu≤0.50wt％，Cr≤0.80wt％；

S2：控制温度始终保持在1100-1200℃，以熔炼完毕的钢水为原料，加入铜铬合金添加物，通过钢液罐底部吹氩气搅拌，氩气流量按出气点钢液表面裸露面直径≤100mm为准控制，搅拌时间3-4min，吹氩1-2min；

S3：浇铸、连铸得到铸坯；所述连铸包括，在棒材轧制线上在1100℃～1150℃区间加热均匀，在轧制前通过高压水喷淋去除钢坯表面的氧化铁皮；

S4：轧制铸坯得到钢筋，冷却得到成品；其中，轧制的具体工艺为：对铸坯加热至1050～1200℃进行加热而轧制成钢筋，获得热轧钢筋成品后，通过水冷快速冷却，控制返红温度在1000～1050℃以及冷却速度不低于20℃/秒；当成品温度度低于600℃时，可在空气中自然冷却。

上述一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，优选的，所述钢水的熔炼过程包括：采用经转炉或电炉冶炼又经真空处理后的低碳低铬洁净钢为原料，在真空处理向钢液罐喂入FeOx 包芯线以增氧，控制钢液中的增氧量为8～20ppm，弱吹氩搅拌2～5min。

上述一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，优选的，所述钢水在进行喂FeOx包芯线增氧处理前，所采用的原料的钢液的成分以重量比例计，为C≤0.03％，[O]≤20PPm，P≤0.008％， Nb≤0.02％，Cu≤0.30％，Ni≤0.20％，Mo≤0.01％，V≤0.03％，S≤0.003％，B≤0.0008％， Cr≤0.20％，Al≤0.007％，Mn≤1.0％，Si≤0.30％，Ti≤0.02％，Mg≤5PPm，Ca≤5PPm， N≤60ppm，其余为Fe及钢中不可避免的杂质元素。

上述一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，优选的，控制钢中[H]≤2PPm。

上述一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，优选的，所述步骤S4中，控制钢筋在返红温度区间的停留时间不超过30秒。

本发明取得的技术效果包括：

得到的钢筋的机械性能突出，屈服强度、抗拉强度都超过600MPa，断裂伸长率达到15％，同时模拟极端环境下的盐雾测试下，5天周期的平均腐蚀速率低于4.0g/m²·h，平均腐蚀深度低于35μm。控制Cr/Cu特定的比例，促进铜铬金属间化合物的生成及均匀分布；严格控制Cu含量溢出，避免Cu会与钢中的杂质元素，例如S和P元素生成硫化物和磷化物夹杂物，影响钢性能。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明可采用以下方案来实施：

投入铜铬添加物之前的钢水熔炼过程：采用大吨位(100T)转炉-LF炉精炼-RH炉真空处理- 250mm断面铸机的生产模式进行钢坯冶炼。转炉冶炼入炉铁水要求P≤0.110％，S≤0.010％，铁水温度≥1300℃，冶炼后出钢过程以弱氧化物形成元素脱氧，出钢加料顺序为：活性石灰—锰系合金-硅系合金。活性石灰加入量350-450kg，出钢时加30kg电石。出钢开始至出钢3/4保持氩气全开，然后转入小流量，出钢后小流量开启200L/min×3-5分钟。炉后温度≥1540℃。LF炉处理过程中，要求白渣保持时间≥15min，并调整成分至目标成分。加热时，保持埋弧操作，并保证炉内微正压状态和还原气氛，可加入铝粒进行脱氧，但需多次逐渐添加，并控制钢中总Al含量不超过 0.007％，精炼结束后炉渣FeO+MnO≤1.5％。LF出站后进行Ti合金化处理，调整钛至目标范围。 RH处理真空保压(≤60Pa)时间≥20min，破空后对合金成分进行微调，保证喂FeOx包芯线增氧前，成分符合要求。原钢水RH出站后喂入FeOx包芯线280-340米，增氧量分别为8-19PPm，喂线增氧后弱吹氩搅拌2～5min，使所增氧在钢中分布均匀。

增氧后，添加本发明形成碳化物的合金元素前本发明实施例得到的钢水原料的成分组成，如表1：

表1

其余为Fe及钢中不可避免之杂质元素。

然后按照本发明的制备方法进行，制备Cu-Cr合金、连铸、热轧制以及冷却来制备高强度高韧钢筋，工艺流程为：

1)制备Cu-Cr合金：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，950～1000℃熔融得到铜铬合金添加物，其中控制两者的质量比为1.5<Cr/Cu<4以及相对钢水的质量分数Cu≤0.50％，Cr≤0.80％。

2)控制温度始终保持在1100-1200℃，以熔炼完毕的钢水为原料，加入铜铬合金添加物，通过钢液罐底部吹氩气搅拌，氩气流量按出气点钢液表面裸露面直径≤100mm为准控制，搅拌时间3- 4min，吹氩1-2min。

3)浇铸、连铸得到铸坯；所述连铸包括，在棒材轧制线上在1100℃～1150℃区间加热均匀，在轧制前通过高压水喷淋去除钢坯表面的氧化铁皮。

4)轧制铸坯得到钢筋，冷却得到成品；其中，轧制的具体工艺为：对铸坯加热至1050～1200℃进行加热而轧制成钢筋，获得热轧钢筋成品后，通过水冷快速冷却，控制返红温度在 1000～1050℃以及冷却速度不低于20℃/秒；当成品温度度低于600℃时，可在空气中自然冷却。优选控制钢筋在返红温度区间的停留时间不超过30秒。

实施例1

1)制备Cu-Cr合金：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，1000℃熔融得到铜铬合金添加物，相对钢水的质量分数Cu 0.34％，Cr 0.72％。

2)控制温度始终保持在1200℃，以熔炼完毕的钢水为原料，加入铜铬合金添加物，通过钢液罐底部吹氩气搅拌，氩气流量按出气点钢液表面裸露面直径80mm为准控制，搅拌时间3-4min，吹氩1-2min。

3)浇铸、连铸得到铸坯；所述连铸包括，在棒材轧制线上在1150℃区间加热均匀，在轧制前通过高压水喷淋去除钢坯表面的氧化铁皮。

4)轧制铸坯得到钢筋，冷却得到成品；其中，轧制的具体工艺为：对铸坯加热至1150℃进行加热而轧制成钢筋，获得热轧钢筋成品后，通过水冷快速冷却，控制返红温度在1000℃以及冷却速度25℃/秒；当成品温度度低于600℃时，可在空气中自然冷却。

实施例2

1)制备Cu-Cr合金：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，980℃熔融得到铜铬合金添加物，相对钢水的质量分数Cu 0.25％，Cr 0.63％。

2)控制温度始终保持在1100℃，以熔炼完毕的钢水为原料，加入铜铬合金添加物，通过钢液罐底部吹氩气搅拌，氩气流量按出气点钢液表面裸露面直径90mm为准控制，搅拌时间3-4min，吹氩1-2min。

3)浇铸、连铸得到铸坯；所述连铸包括，在棒材轧制线上在1100℃区间加热均匀，在轧制前通过高压水喷淋去除钢坯表面的氧化铁皮。

实施例3

2)控制温度始终保持在1150℃，以熔炼完毕的钢水为原料，加入铜铬合金添加物，通过钢液罐底部吹氩气搅拌，氩气流量按出气点钢液表面裸露面直径80mm为准控制，搅拌时间3-4min，吹氩1-2min。

4)轧制铸坯得到钢筋，冷却得到成品；其中，轧制的具体工艺为：对铸坯加热至1050℃进行加热而轧制成钢筋，获得热轧钢筋成品后，通过水冷快速冷却，控制返红温度在1000℃以及冷却速度20℃/秒；当成品温度度低于600℃时，可在空气中自然冷却。

实施例4

1)制备Cu-Cr合金：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，990℃熔融得到铜铬合金添加物，相对钢水的质量分数Cu 0.56％，Cr 0.98％。

2)控制温度始终保持在1100℃，以熔炼完毕的钢水为原料，加入铜铬合金添加物，通过钢液罐底部吹氩气搅拌，氩气流量按出气点钢液表面裸露面直径80mm为准控制，搅拌时间3-4min，吹氩1-2min。

3)浇铸、连铸得到铸坯；所述连铸包括，在棒材轧制线上在1050℃区间加热均匀，在轧制前通过高压水喷淋去除钢坯表面的氧化铁皮。

4)轧制铸坯得到钢筋，冷却得到成品；其中，轧制的具体工艺为：对铸坯加热至1150℃进行加热而轧制成钢筋，获得热轧钢筋成品后，通过水冷快速冷却，控制返红温度在1050℃以及冷却速度25℃/秒；当成品温度度低于600℃时，可在空气中自然冷却。

实施例5

1)制备Cu-Cr合金：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，950℃熔融得到铜铬合金添加物，相对钢水的质量分数Cu 0.54％，Cr 0.89％。

对比例1

不添加Cu/Cr合金，直接以熔炼的钢水为原料，进行浇铸，连铸，轧制得钢筋，其采用工艺参数及步骤与实施例1相同。

性能测试

样品钢筋的机械性能测试方法如下：将实施例以及对比例的钢筋样品进行通过热轧制成直径为 5mm的钢筋线材，在规定的温度下，进行机械性能的测试。

使用冷却后的线材，对钢筋进行拉伸强度试验。关于韧性测试实验，将实施例和对比例的钢筋截取标准长度为5m，安装在轴向拉伸强度测试机器上，进行每1道次的断面收缩率为16％～20％的单头式拉丝。然后，求出断裂后的极限的真应变的平均值，反应钢筋的韧性指标。

本发明性能测试采用TB/T2375-93铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法、HB5194-1981周期浸润腐蚀试验方法。各实施例试样的尺寸为L 5m*Φ20mm试验前必须进行试样表面的清理。清洗时先使用汽油或石油醚，再用无水乙醇，最后用丙酮。清洗后用热风吹干。测量并记录各个试样的原始和试样尺寸。采用将试样悬挂于周浸腐蚀试验机的试验架上，并且保持各试样的悬挂高度一致，并记录各个试样的位置。向周浸腐蚀试验机的液槽中注入配制的试验盐溶液，其总量为10L。进行设定的盐浸实验循环周期后，取下试样，用清水洗净表面，吹干。试验后的试样根据 GB/T16545-1996的要求进行除锈处理。

配置氯化钠溶液提供所需的氯离子环境，在质量分数2.00％±0.05％浓度下，通过周浸试验机进行干湿交替，选定溶液温度450℃±2℃，箱内湿度70％RH±10％RH，循环周期60min±5min。

本发明实施例的盐碱浸周期为5天，性能指标采取从平均的腐蚀失重、腐蚀深度和腐蚀速率等方面对试验结果进行评价。性能评价如表2。

表2

本发明制备的耐腐蚀钢筋，屈服强度与抗拉强度都高于600MPa，伸长率高达15％，也保证了足够的韧性。更为重要的是，钢筋在盐雾实验中的耐腐蚀性能得到了改善：样品在5天周期下的平均腐蚀速率以及腐蚀深度都低于现有技术的平均值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，包括以下步骤：

S1：在反应容器中，加入铬粉以及铜线，950℃～1000℃熔融得到铜铬合金添加物，控制两者的质量比为1.5<Cr/Cu<4以及相对钢水的质量分数Cu≤0.50wt％，Cr≤0.80wt％；

2.如权利要求1所述的一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，其特征在于，所述钢水的熔炼过程包括：采用经转炉或电炉冶炼又经真空处理后的低碳低铬洁净钢为原料，在真空处理向钢液罐喂入FeOx包芯线以增氧，控制钢液中的增氧量为8～20ppm，弱吹氩搅拌2～5min。

3.如权利要求1所述的一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，其特征在于，所述钢水在进行喂FeOx包芯线增氧处理前，所采用的原料的钢液的成分以重量比例计，为C≤0.03％，[O]≤20PPm，P≤0.008％，Nb≤0.02％，Cu≤0.30％，Ni≤0.20％，Mo≤0.01％，V≤0.03％，S≤0.003％，B≤0.0008％，Cr≤0.20％，Al≤0.007％，Mn≤1.0％，Si≤0.30％，Ti≤0.02％，Mg≤5PPm，Ca≤5PPm，N≤60ppm，其余为Fe及钢中不可避免的杂质元素。

4.如权利要求1所述的一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，其特征在于，控制钢水中[H]≤2PPm。

5.如权利要求1所述的一种Cu-Cr系耐腐蚀钢筋的制备工艺，其特征在于，所述步骤S4中，控制钢筋在返红温度区间的停留时间不超过30秒。