CN113846264A - 一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法,属于耐蚀钢及其生产工艺技术领域。本发明在超低碳钢的基础上,通过V微合金化并结合控轧控冷工艺,形成铁素体、贝氏体、马氏体的组织,力学性能达到HRB500钢筋的要求,并通过加入Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素提高耐蚀性能,同时加入Sn,在钢筋表面形成致密的钝化膜,进一步提高钢筋耐海水腐蚀能力,钢筋的耐海水腐蚀能力是普通HRB400钢筋的5倍及以上。本发明还提供了该钢种的生产方法,包括铁水预处理脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空脱气、150方坯连铸、棒材轧机轧制等步骤,工艺简单不复杂,适合大工业生产及推广应用,随着我国对南海岛礁等开发,本发明钢筋具有良好的市场前景。
Description
技术领域
本发明属于耐蚀钢筋及其生产工艺技术领域,尤其涉及一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法。
背景技术
为指导我国海洋岛礁工程建设,国家海洋局颁布《生态岛礁工程建设指南》,提出生态岛礁建设的主题,要求加快开展生态岛礁工程建设,维护国家海洋权益,保护和修复海岛生态环境,创新海岛开发利用模式,创造优良的海岛生态、生产、生活空间与条件,打造生态健康、环境优美、人岛和谐、监管有效的生态岛礁。而海洋岛礁的建设离不开钢筋混凝土材料。由于岛礁往往处于高温、高湿、盐雾等严酷的腐蚀环境下,建筑工程普遍存在由于钢筋的锈蚀而引起混凝土开裂、建筑倒塌等严重问题,采用普通HRB400钢筋的建筑工程一般使用寿命不超过10年,严重影响我国生态岛礁工程建设的推进。因此,我国海洋岛礁建设迫切需要性能优良、成本不高的高屈服强度、高耐蚀钢筋建筑材料。
目前,提高钢筋耐蚀性能的途径主要有两种方式,一种是涂层,另一种是添加合金元素来提高基体的耐蚀性,这种添加合金元素的方式是最为经济和便捷的一种方法,其主要工艺是通过添加Cr、Ni、P、Mo等合金元素,产生致密的内锈层,阻滞腐蚀的进一步扩大。
公开号为CN107099734A的中国专利公开了“一种海洋建筑结构用耐蚀钢筋及其制造方法”,其成分按重量百分比为:C:0.12%~0.22%,Si:0.25%~0.70%,Mn:0.50%~0.80%,P:≤0.012%,S:≤0.012%,Cr:0.65%~1.20%,V:0.06%~0.12%,N:0.013%~0.017%,余量为Fe及不可避免的杂质。在添加了耐腐蚀性元素Cr的基础上,同时添加V、N等元素,通过加入合金元素使钢筋组织细化并提高其淬透性,同时通过在冶炼过程中采用电磁搅拌、轻压下等方式降低铸坯的偏析、疏松和缩孔,结合轧制及冷却工艺控制,生产出具有良好力学性能及耐腐蚀性的耐蚀钢筋,但其耐蚀性能明显不足,腐蚀速率为400~480μm/年,与碳钢的腐蚀速率基本相当。
公开号为CN108588581A的中国申请公开了“一种海洋混凝土结构用高强耐蚀铁素体/贝氏体双相钢筋及其制备方法”,采用铁素体/贝氏体双相显微组织,其中贝氏体所占比例为50%~60%,钢筋的化学成分重量百分比含量为:C:0.015%~0.020%,Si:0.45%~0.55%,Mn:1.1%~1.5%,Cr:10.5%~11.2%,Ni:1.0%~1.5%,Mo:0.8%~0.95%,V:0.03%~0.06%,该发明同样通过多元素复合合金化设计,通过添加合适的Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素,并结合钢筋成型中的控轧控冷以获得,但较多的贝氏体含量影响钢筋的延伸性能,不宜在工程中推广应用,另外较多的Ni、Mo含量也增加了生产、应用成本。
公开号为CN109666852A的中国专利公开了“一种海洋建筑结构用500MPa级带肋不锈钢筋的生产方法”,所制得的不锈钢筋的屈服强度在500MPa以上,PREN值范围分别为32~35,耐氯离子腐蚀能力强,屈强比≥1.2,其生产方法是采用含有Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素的2205钢坯,依次经过修磨—加热—轧制—在线固溶—酸洗钝化等工艺,该生产工艺复杂,国内大多钢厂不具备在线固溶—酸洗钝化等生产设备,不利于批量推广应用。
发明内容
1.发明目的
本发明目的在于提供一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋及其生产方法,该生产方法工艺简单、稳定、可靠,适合大工业生产,生产的钢筋屈服强度ReL≥500MPa,抗拉强度Rm≥630MPa,断后伸长率A≥15%,有良好的耐海水腐蚀性能,采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能,其与普通HRB400钢筋的相对腐蚀率≤20%,耐蚀性能是普通HRB400钢筋的5倍以上。
2.技术方案
为了解决上述问题,本发明所采用的技术方案如下:
本发明提供一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋,按重量百分比计算,化学成分为:C:0.02%~0.05%,Si:0.20%~0.40%,Mn:0.70%~0.90%,P:≤0.010%,S:≤0.010%,V:0.04%~0.06%,Cr:8.0%~10.0%,Ni:0.45%~0.65%,Mo:0.70%~0.90%,Sn:0.015%~0.025%,其余为Fe和不可避免的杂质元素,并且满足:
(1)500≥A=[Cr%]/[C%]≥200;采用超低C、中Cr的成分设计,一方面保证Cr的固溶量,避免形成Cr的碳化物,导致轧制后出现大量马氏体而影响钢的韧性;另一方面在钢表面内锈层和钢基体之间形成一层致密完整的氧化膜,保证耐蚀性能,因此500≥A=[Cr%]/[C%]≥200;此外Cr成分可以大幅提高钢的性价比,在保证耐蚀性能的条件下降低成本,有利于推广使用;
(2)B=1.0×(Cr%)+1.5×(Ni%+Mo%)+2.0×(Sn%)≥10.0%;添加满足(2)的适量的Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素,及适量的Sn在钢表面形成钝化膜,保证耐蚀性能。
上述钢筋力学性能达到:屈服强度ReL≥500MPa,抗拉强度Rm≥630MPa,断后伸长率A≥15%。
本发明中各合金元素的作用如下:
C:钢中廉价的强化元素,能显著提高钢的强度,但含量的增加会降低钢的耐蚀性能,本发明C含量控制在0.01%~0.05%。
Si:可在钢表面形成以硅酸盐为主的保护膜,能提高钢耐坑蚀能力,但Si含量过高会影响钢的塑性指标,本发明Si含量控制在0.20%~0.40%。
Mn:能提高钢的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,但Mn含量较高时会降低钢的耐点蚀、缝隙腐蚀性能,本发明Mn含量控制在0.70%~0.90%。
P:在Cu存在的情况下,对耐大气腐蚀有一定的好处,但在海洋环境下,P将导致氧浓差电流增大,影响钝化膜的形成和愈合,影响耐蚀性能,严格控制钢中杂质元素P的含量,减少晶界偏析,防止晶间腐蚀和晶界脆化,本发明P含量控制在≤0.010%。
S:是杂质元素,降低钢的耐蚀性能,在钢中与锰形成MnS夹杂,对产品组织和性能的均匀性有害,严格控制钢中杂质元素S的含量,减少晶界偏析,防止晶间腐蚀和晶界脆化,本发明S含量控制在≤0.010%。
V:主要形成V(C,N)化合物,起析出强化、细晶强化的作用,来弥补大幅降C带来的强度损失,同时还可以保持韧性,但V含量过高会降低材料塑性且增加成本,本发明V含量控制在0.04%~0.06%。
Cr:Cr是一种对钢耐蚀性能影响很大的元素,它可以在钢表面内锈层和钢基体之间形成一层致密完整的氧化膜,可以细化锈层中α-FeO(OH)的晶粒,能有效抑制腐蚀性阴离子、特别是Cl-离子的侵入;同时,它还可以阻止锈层在干湿交替过程中干燥时的还原,提高钢的耐候性,本发明Cr含量控制在8.0%~10.0%。
Ni:可以降低钢的自腐蚀电位,使钢的自腐蚀电位正移,增加稳定性;同时,Ni容易在锈层中积聚,可以在一定程度上抵御Cl-的侵蚀,促进保护性锈层的生成,从而降低钢的腐蚀速度,本发明Ni含量控制在0.45%~0.65%。
Mo:能降低钢表面钝化膜中的缺陷浓度,使钢表面生成致密、牢固的钝化膜,显著提高钢的耐蚀性能,尤其是耐氯离子点蚀性能,本发明Mo含量控制在0.70%~0.90%。
Sn:在钢的表面形成致密的SnO2氧化物保护膜,能有效阻止钢基体与腐蚀介质之间的相互作用,抑制钢的进一步腐蚀,本发明Sn含量控制在0.015%~0.025%。
本发明还提供了上述钢筋的生产方法,包括如下步骤:
(1)铁水预处理;(2)转炉冶炼;(3)LF炉精炼;(4)RH真空处理;(5)150方坯连铸;(6)棒材轧机轧制。
优选地,上述步骤具体操作要点如下:
(1)铁水预处理:经预处理脱硫,脱硫目标值S≤0.005%;
(2)转炉冶炼:转炉终点C≤0.03%,P≤0.005%;挡渣出钢,出钢约1/5钢水时加入精炼渣和石灰,出钢约1/3时,加入脱氧剂和合金,顺序为:脱氧剂→低碳FeMn→FeSi→脱氧剂,出钢约3/4时加完;
(3)LF炉精炼:钢包全程底吹氩,氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准;加入预熔型精炼渣、石灰造渣,碱度R3-7,白渣时间≥15分钟,根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Sn、V含量;
(4)RH真空脱气:真空前期,如真空度≤100帕,则真空保持时间≥10分钟,如真空度≤200帕,则真空保持时间≥15分钟,如真空度>200帕,则停止生产;真空后期保持时间≥10分钟;根据真空前期成分分析结果,如果需要在中期进行成分调整,则调整后必须保证15分钟以上的真空保持时间;与现有先RH精炼再LF炉处理不同,先采用LF炉精炼,后再RH真空处理,能实现脱碳保铬的目的,如LF炉精炼在后,因为合金中含碳,铬将氧化损失;
(5)150方坯连铸:采用全程保护浇铸,一次冷却水流量100~130m3/h,二次冷却比水量1.0~1.4l/kg,获得无缺陷铸坯;
(6)棒材轧机轧制:加热温度控制在1050~1150℃,开轧温度控制在950~1050℃,上冷床温度控制在850~900℃。
优选地,步骤(6)中,轧后采用较慢的冷却速度,避免产生大量的马氏体组织,保证钢的强韧性能。更进一步地,冷却速度为1~5℃/min。
3.有益效果
本发明与现有技术相比,其有益效果在于:
(1)本发明提供的高屈服强度和高耐蚀钢筋,在超低碳钢的基础上通过添加V微合金化并结合控轧控冷工艺,形成铁素体、贝氏体、马氏体的组织,其力学性能为屈服强度ReL≥500MPa,抗拉强度Rm≥630MPa,断后伸长率A≥15%,达到GB/T 1499.2中HRB500钢筋的要求;同时通过加入Cr、Ni、Mo等耐蚀合金元素提高耐蚀性能,同时通过加入Sn,在钢筋表面形成致密的SnO2钝化膜,进一步提高钢筋耐海水腐蚀能力,钢筋的耐海水腐蚀能力是普通HRB400钢筋的5倍及以上。
(2)本发明提供的的高屈服强度和高耐蚀钢筋,,其中500≥A=[Cr%]/[C%]≥200,一方面保证Cr的固溶量,避免形成Cr的碳化物,导致轧制后出现大量马氏体而影响钢的韧性;另一方面在钢表面内锈层和钢基体之间形成一层致密完整的氧化膜,保证耐蚀性能;此外Cr成分可以大幅提高钢的性价比,在保证耐蚀性能的条件下降低成本,有利于推广使用。
(3)本发明的高耐蚀钢筋生产方法,包括铁水预处理脱硫、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空脱气、150方坯连铸、棒材轧机轧制,与现有先RH精炼再LF炉处理不同,先采用LF炉精炼,后再RH真空处理,能实现脱碳保铬的目的,如LF炉精炼在后,因为合金中含碳,铬将氧化损失。此外,本方法对设备要求低、生产工艺简单,适合大工业生产及推广应用,随着我国对南海岛礁等开发,本发明钢筋具有良好的市场前景。
(4)本发明的高耐蚀钢筋及其生产方法,将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合,在获得高强韧性能的同时,获得优异的耐海水腐蚀性能。
附图说明
图1是实施例1中编号5的高耐蚀钢筋放大500倍的金相组织,其中:白色是铁素体,灰色是马氏体,黑色是贝氏体。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
实施例1
本实施例提供含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋,共有六种,其具体化学成分见表1。
本发明实施例的熔炼化学成分见表1。
表1含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋化学成分(%)
根据A=[Cr%]/[C%];B=1.0×(Cr%)+1.5×(Ni%+Mo%)+2.0×(Sn%)计算可知,
编号1:A=323;B=12.0%;
编号2:A=283;B=10.7%;
编号3:A=500;B=12.1%;
编号4:A=230;B=11.0%;
编号5:A=200;B=12.2%;
编号6:A=400;B=10.0%。
实施例2
本实施例提供实施例1中高耐蚀钢筋及普通HRB400钢筋的耐蚀性能测试,采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能,具体方法为:
周浸腐蚀试验的试验溶液为3.5%的NaCl溶液,溶液温度为35±2℃,干燥温度为45±2℃,湿度为30±2℃。每一循环周期为60±5min,其中浸润12±2℃,暴露48±2℃。试验周期2、3、6、9、12天;每个周期内取平行试样3组,结果见表2。
表2实施例1中高耐蚀钢筋的耐蚀性能
由表5可知,耐蚀钢筋的相对腐蚀率为14.16%~19.75%,耐蚀性能是普通HRB400钢筋的5倍及以上,其中:相对腐蚀率=耐蚀钢筋的腐蚀率/对比钢筋(HRB400)的腐蚀率×100%。
实施例3
本实施例提供实施例1中高耐蚀钢筋的力学性能,见表3。
表3实施例1中高耐蚀钢筋的力学性能
其中:ReL为屈服强度;Rm为抗拉强度;A为5d标距下的断后延伸率(d为钢筋公称直径)。
实施例4
本实施例提供实施例1中高耐蚀钢筋的生产方法,包括炼钢工艺(表4)及轧钢工艺(表5)。
表4实施例1中高耐蚀钢筋的炼钢工艺
表5实施例1中高耐蚀钢筋的轧钢工艺
图1是制备的编号5的高耐蚀钢筋放大500倍的金相组织,其中:白色是铁素体,灰色是马氏体,黑色是贝氏体,表明制备成功。
Claims (10)
1.一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋,其特征在于,按重量百分比计算,化学成分为:C:0.02%~0.05%,Si:0.20%~0.40%,Mn:0.70%~0.90%,P:≤0.010%,S:≤0.010%,V:0.04%~0.06%,Cr:8.0%~10.0%,Ni:0.45%~0.65%,Mo:0.70%~0.90%,Sn:0.015%~0.025%,其余为Fe和不可避免的杂质元素,并且满足:
(1)500≥A=[Cr%]/[C%]≥200;
(2)B=1.0×(Cr%)+1.5×(Ni%+Mo%)+2.0×(Sn%)≥10.0%。
2.根据权利要求1所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋,其特征在于,所述钢筋力学性能为:屈服强度ReL≥500MPa,抗拉强度Rm≥630MPa,断后伸长率A≥15%。
3.权利要求1或2所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)铁水预处理;(2)转炉冶炼;(3)LF炉精炼;(4)RH真空处理;(5)150方坯连铸;(6)棒材轧机轧制。
4.根据权利要求3所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(6)中:轧后冷却速度为1~5℃/min。
5.根据权利要求4所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(1)中:经预处理脱硫,脱硫目标值S≤0.005%。
6.根据权利要求5所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(2)中:转炉终点C≤0.03%,P≤0.005%;挡渣出钢,出钢约1/5钢水时加入精炼渣和石灰,出钢约1/3时,加入脱氧剂和合金,顺序为:脱氧剂→低碳FeMn→FeSi→脱氧剂,出钢约3/4时加完。
7.根据权利要求6所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(3)中:钢包全程底吹氩,氩气流量以钢水不喷溅出钢包为准;加入预熔型精炼渣、石灰造渣,碱度R3-7,白渣时间≥15分钟,根据进LF炉前成分分析结果在精炼前、中期加入合金调整Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Sn、V含量。
8.根据权利要求7所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(4)中:真空前期,如真空度≤100帕,则真空保持时间≥10分钟,如真空度≤200帕,则真空保持时间≥15分钟,如真空度>200帕,则停止生产;真空后期保持时间≥10分钟;根据真空前期成分分析结果,如果需要在中期进行成分调整,则调整后必须保证15分钟以上的真空保持时间。
9.根据权利要求8所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(5)中:采用全程保护浇铸,一次冷却水流量100~130m3/h,二次冷却比水量1.0~1.4l/kg,获得无缺陷铸坯。
10.根据权利要求9所述的一种含锡500MPa级海洋岛礁混凝土工程用高耐蚀钢筋的生产方法,其特征在于,步骤(6)中:加热温度控制在1050~1150℃,开轧温度控制在950~1050℃,上冷床温度控制在850~900℃。
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