CN115478219A - 一种建筑用低磁螺纹钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种建筑用低磁螺纹钢及其制备方法。本发明的建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C 0.08‑0.60％；Si0.10‑1.00％；Mn 15.00‑28.00％；Al 0.02‑4.50％；P≤0.045％；S≤0.045％；Nb0.01‑0.30％；Ti 0.01‑0.20％；V 0.01‑0.20％，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的建筑用低磁螺纹钢，力学性能和磁性能优于18‑8型奥氏体不锈钢，具有非常优良的综合性能，完全满足复杂条件下低磁建筑工程的设计与制造要求，且制造成本在同等情况下较18‑8型奥氏体不锈钢降低50％以上。

Description

一种建筑用低磁螺纹钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种建筑用低磁螺纹钢及其制备方法。具体地说，涉及一种低磁混凝土建筑工程用低磁螺纹钢，具有强磁场下不易被磁化，本身无磁性的特点，是用于消磁码头、无磁实验室及低磁隧道等低磁建筑工程的关键材料。
背景技术
低磁螺纹钢主要用于建造消磁码头、无磁实验室及低磁隧道等对磁性能要求较高的低磁建筑工程。18-8型奥氏体不锈钢是最为典型的一种低磁钢，具有优良的抗氧化、耐腐蚀及良好的低磁性能。但是18-8型奥氏体不锈钢，钢中Cr、Ni等昂贵元素含量较高，制造成本高；产品屈服强度较低，只有200-300MPa；同时钢中奥氏体组织处于亚稳状态，冷变形后容易发生马氏体相变，降低了低磁性能，相对磁导率μr＞1.15，磁场强度H单极＞100。因此，开发一种强度高、低磁性能稳定优良、经济型的低磁螺纹钢是急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种建筑用低磁螺纹钢及其制备方法。本发明的建筑用低磁螺纹钢不含Cr、Ni等昂贵元素，具有磁性能稳定优良的优势。
具体的，本发明提供的建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C 0.08-0.60％；Si 0.10-1.00％；Mn 15.00-28.00％；Al 0.02-4.50％；P≤0.045％；S≤0.045％；Nb 0.01-0.30％；Ti 0.01-0.20％；V 0.01-0.20％，余量为铁和不可避免的杂质。
上述的建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C 0.38-0.50％；Si 0.10-0.60％；Mn 15.5-18.5％；Al 1.5-3.6％；P≤0.025％；S≤0.020％；Nb 0.01-0.05％；Ti0.01-0.10％；V 0.01-0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。
上述的建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C0.43-0.48％；Si 0.3-0.50％；Mn16.5-17.5％；Al 2.4-3.6％；P≤0.020％；S≤0.015％；Nb 0.01-0.03％；Ti0.01-0.03％；V 0.01-0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。
另一方面，本发明还提供了上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)冶炼得到成分符合要求的钢液；
(2)采用连铸或模铸的方法得到连铸坯或模铸钢锭；
(3)将所述连铸坯或模铸钢锭制备成符合规格的方坯后进行冷装或热装，然后将所述方坯送入加热炉进行均质化；
(4)采用开坯轧机将所述方坯轧制成中间坯，降温等待之后进入连轧机组，经中轧后设置穿水冷却，经冷却后再进入精轧机，出精轧后进行二次穿水冷却；
(5)经酸洗、高压水清洗、热水和防锈剂处理得到低磁螺纹钢产品。
上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，冶炼过程的锰铁合金化选自由LF炉分批次加入锰铁合金和中频炉熔化锰铁合金后兑入钢液2种方法组成的组。
上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，冶炼过程采用VD真空精炼或RH真空精炼的方法对钢液进行真空脱氮；其中，所述真空脱氮的真空度为0.5-5.0mbar，循环时间15-30min。
上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，所述方坯经开坯轧机轧制9-13道次轧制成中间坯，开坯后温度为950-1050℃。
上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，所述热装的装炉温度不小于350℃；所述均质化的温度为1180-1260℃。
上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，所述中间坯进入连轧机组的开轧温度为850-900℃，二次穿水冷却后，轧件终冷温度为830-900℃。
上述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，所述酸洗采用浓度为30-38％的浓盐酸或体积比为(1.0-2.0)∶1的HNO3与HF混酸，酸洗时间为5-20分钟；所述热水与所述防锈剂体积比(8-20)：1，所述热水温度为40-85℃。
本发明的技术方案具有如下的有益效果：
(1)本发明的建筑用低磁螺纹钢具有稳定的奥氏体单相组织，组织均匀，晶粒度级别9-10级；
(2)本发明的建筑用低磁螺纹钢，屈服强度Rp0.2≥335MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，断后伸长率A≥45.0％；磁场强度8000A/m和16000A/m下，相对磁导率μr≤1.005；磁场强度H单极≤20nT、双极之和≤40nT，成品力学性能和磁性能优良，酸洗表面质量好，实现材料性能和制造经济性的大幅提高，是低磁建筑工程的关键材料；
(3)本发明的建筑用低磁螺纹钢，力学性能和磁性能优于18-8型奥氏体不锈钢，具有非常优良的综合性能，完全满足复杂条件下低磁建筑工程的设计与制造要求，且制造成本在同等情况下较18-8型奥氏体不锈钢降低50％以上。
具体实施方式
为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。
本文使用的术语“该”“所述”“一个”和“一种”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。术语“优选的”“进一步优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特征时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开的所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
具体的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C 0.08-0.60％；Si 0.10-1.00％；Mn 15.00-28.00％；Al 0.02-4.50％；P≤0.045％；S≤0.045％；Nb 0.01-0.30％；Ti 0.01-0.20％；V 0.01-0.20％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的建筑用低磁螺纹钢采用高锰高铝钢成分设计，且不含Cr、Ni等昂贵元素。钢中主要元素C和Mn都是奥氏体形成元素，当Mn含量大于15％时，较低含量的C，即可使钢在正常冷速下获得奥氏体。钢中加入适量的Al，可防止钢中β-Mn的产生，可提高层错能，提高奥氏体的稳定性。适量的Nb、V、Ti等元素，可以细化奥氏体晶粒，提高奥氏体钢的屈服强度。
优选的，本发明的建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C 0.38-0.50％；Si0.10-0.60％；Mn 15.5-18.5％；Al 1.5-3.6％；P≤0.025％；S≤0.020％；Nb 0.01-0.05％；Ti 0.01-0.10％；V 0.01-0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。进一步优选的，本发明的建筑用低磁螺纹钢，按重量百分比计，包括：C0.43-0.48％；Si 0.3-0.50％；Mn16.5-17.5％；Al 2.4-3.6％；P≤0.020％；S≤0.015％；Nb 0.01-0.03％；Ti 0.01-0.03％；V 0.01-0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。
经检测，本发明的建筑用低磁螺纹钢具有稳定的奥氏体单相组织，组织均匀，晶粒度级别9-10级。同时，本发明的建筑用低磁螺纹钢，成品力学性能和磁性能优良，具体的：屈服强度Rp0.2≥335MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，断后伸长率A≥45.0％；磁场强度8000A/m和16000A/m下，相对磁导率μr≤1.005；磁场强度H单极≤20nT、双极之和≤40nT。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种建筑用低磁螺纹钢的制备方法，包括如下步骤：
(1)冶炼得到成分符合要求的钢液。
其中，按重量百分比计，所述钢液包括：C 0.08-0.60％；Si 0.10-1.00％；Mn15.00-28.00％；Al 0.02-4.50％；P≤0.045％；S≤0.045％；Nb 0.01-0.30％；Ti 0.01-0.20％；V 0.01-0.20％，余量为铁和不可避免的杂质。
本发明的低磁螺纹钢，钢中Mn含量较高，冶炼过程要加入大量的锰铁合金，如何合理选择冶炼方法及与之相匹配的合金化工艺以提高Mn的收得率是关键。
优选的，本发明采用锰铁合金化的方法包括：(1)LF炉分批次加入锰铁合金，(2)中频炉熔化锰铁合金后兑入钢液。
其中，第一种锰铁合金化的方法，必须掌握好温度大于1600℃下、2-3批锰铁合金化、高温还原原则，底吹大流量氩气搅拌，实现合金的快速熔化、成分均匀化。该合金化方法，合金化时间较长，冶炼与浇铸工艺节奏不匹配，适宜于单炉生产。第二种锰铁合金化的方法采用中频炉(IF)熔化合金、合金熔液适时兑入钢液，缩短了总冶炼时间，提高了生产效率，简化了冶炼过程锰铁合金化的难度，具有较好的冶炼高合金钢的适用与推广价值。
经实践，本发明通过合理选择冶炼方法及与之相匹配的合金化工艺，提高Mn的收得率达到93％以上的较高水平。
本发明的低磁螺纹钢，钢中铝含量较高、全氧含量较低，钢中形成的氧化物夹杂含量较少，夹杂物类型主要以AlN为主，而含量较高的硬质AlN夹杂往往成为导致钢锭、坯形成裂纹的主要原因。冶炼过程需要采用VD或RH等真空精炼设备进行脱N处理，控制钢中N含量≤100ppm，以减少钢中大尺寸AlN的数量从而降低AlN夹杂的影响。
优选的，冶炼过程采用VD真空精炼或RH真空精炼的方法对钢液进行真空脱氮；其中，所述真空脱氮的真空度为0.5-5.0mbar，循环时间15-30min。
可选的，在一个实施方式中，所述冶炼采用EAF电炉+LF钢包精炼+VD真空处理组合方法进行；在又一个实施方式中，所述冶炼采用BOF转炉+中频炉+LF钢包处理+RH真空精炼组合方法进行。
本发明采用高锰高铝钢成分设计，通过合理选用钢的冶炼方法，提高了合金化效率、提升了Mn元素的收的率水平；开发了适用于高铝钢的夹杂物控制方法，解决了高铝钢中大尺寸AlN夹杂引起的钢坯边裂、内裂等缺陷，在实现超低氧/氮冶炼及夹杂物微细弥散化控制的基础上，显著提升了钢的纯净度水平。
(2)采用连铸或模铸的方法得到连铸坯或模铸钢锭。
(3)将所述连铸坯或模铸钢锭制备成符合规格的方坯后进行冷装或热装，然后将所述方坯送入加热炉进行均质化。
优选的，当坯料为连铸坯时，为了避免铸态组织在350℃以下因较大应力导致的铸坯边部裂纹，所述热装的装炉温度不小于350℃；当坯料为钢锭开坯后的轧制方坯时，装炉可冷装或热装。
优选的，所述均质化的温度为1180-1260℃，借此保证钢坯充分奥氏体化及其在后续轧制过程良好的热加工性。
(4)采用开坯轧机将所述方坯轧制成中间坯，降温等待之后进入连轧机组，经中轧后设置穿水冷却，经冷却后再进入精轧机，出精轧后进行二次穿水冷却。
其中，本发明的热轧工艺流程为：加热、开坯、粗轧、中轧及精轧，相应的，采用的轧线系统包含开坯轧机、粗轧机、中轧机和精轧机。
优选的，方坯经开坯机轧制9-13道次，轧制成规格可满足后续连续轧制的中间坯，开坯后温度为950-1050℃，降温等待。
优选的，中间坯进入连轧机组的开轧温度范围850-900℃，以控制轧件的组织形态及最终变形温度区间。
优选的，热轧总变形量≥90％。
进一步优选的，本发明的低磁螺纹钢在精轧前和精轧后分别设置穿水冷却装置，进行分级控冷。其中，冷却水流量为35-45m3/小时，压力为0.4-0.6MPa，冷却时间1-2秒，冷却降温幅度为100-300℃，二次穿水冷却后，轧件终冷温度为830-900℃，通过控制变形温度区间控制成品最终的组织状态及晶粒大小。
本发明的低磁螺纹钢，热轧过程采用大变形量轧制结合精轧前、后分级控制冷却，可以获得稳定的单相奥氏体组织，且奥氏体晶粒大小适中，在提高产品屈服强度的同时可保持优良的磁性能，达到较高屈服强度与优良磁性能的合理配合。避免低温轧制形成铁素体磁性组织影响成品的磁性能以及高温轧制形成粗大奥氏体晶粒使成品屈服强度降低从而不能满足设计要求。
本发明突破了18-8型奥氏体不锈钢屈服强度低、磁性能差、制造成本高的材料局限，实现材料性能和制造经济性的大幅提高，促进了低磁螺纹钢技术发展。
(5)经酸洗、高压水清洗、热水和防锈剂处理得到低磁螺纹钢产品。
本发明的低磁螺纹钢，热轧过程高温状态下表面会产生以FeO+MnO复合氧化物为主的氧化层磁性物质，对产品的磁性能产生较大的影响。需要采用酸洗方式清洗掉表面氧化物，以消除对磁性能的不利影响。碳钢表面的酸洗，存在两方面的问题，1)反应速度较难把握，酸反应激烈，极易造成表面过酸，反之表面容易欠酸；2)高压水清洗表面浮锈后，表面极易返锈造成二次氧化。
优选的，本发明的低磁螺纹钢酸洗可选自由浓盐酸(HCl)酸洗和混酸(HNO3+HF)酸洗2种方法组成的组。其中，浓盐酸的浓度为30-38％，混酸中HNO3与HF体积比为(1.0-2.0)∶1；酸洗时间5-20min。热水与防锈剂体积比(8-20)：1，热水温度为40-85℃。
酸洗后，采用高压水冲洗掉表面的浮锈，然后快速浸入配有防锈剂的热水中，出水后利用热水余温烘干。优选的，热水温度40-85℃，热水与防锈剂按体积比(8-20)∶1。经酸洗及表面防锈处理后，表面不带氧化物，干燥环境下放置6个月不生锈。
进一步优选的，热水和防锈剂处理后，采用防水防潮包装对产品进行处理。
本发明通过采用“酸洗+高压水清洗+热水和防锈剂处理+防水防潮包装”组合工艺，消除了热轧表面产生的FeO+MnO复合氧化物磁性物质，解决了碳钢酸洗后表面氧化物残留及返锈严重等影响产品磁性能的表面问题，酸洗表面质量好，产品满足了低磁建筑工程对材料磁性能的较高要求。
本发明采用高锰高铝钢的成分设计，经设定工艺冶炼、通过大变形量轧制+分级控冷、表面酸洗处理工艺制备的低磁螺纹钢，钢质纯净、奥氏体组织均匀稳定、晶粒大小适中、酸洗表面质量好，力学性能和磁性能优良，且大幅降低了制造成本，可实现材料性能和制造经济性的大幅提高，是低磁建筑工程用关键材料。
实施例
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。
实施例1
1、所采用的钢化学成分重量百分数(％)为：C 0.48％，Si 0.50％，Mn16.9％，Al2.7％，P0.018％，S0.008％，V0.05％，余量为铁和不可避免的杂质。
2、冶炼
采用公称容量80吨EAF电炉+LF钢包精炼+VD真空处理组合方法冶炼。电炉冶炼P含量0.008％、温度1720℃时出钢。出钢时流钢过程中加入2吨锰铁合金化，LF还原后分两次加入6吨锰铁进行合金化，加入锰铁温度1610℃，最后一批合金加完吹氩搅拌20分钟；VD真空处理的真空度为2.7Mbar，真空下循环时间25min。Mn的综合回收率95％，N含量80PPm。模铸开浇温度1492℃，采用5.8吨方锭模下注法浇注，动车时间105分钟，脱帽松锭时间210分钟，钢锭红送。
3、坯料准备
红送钢锭入均热坑，钢锭均热温度1230℃，均热时间15h；1000mm初轧机开坯温度1050℃，终轧温度870℃，轧制道次17道。在线切除冒口和尾部缺陷，坯料规格220×220×3300mm，一锭四坯。方坯堆冷。
4、热轧
方坯冷装，均质化温度范围1230℃；方坯经850mm三辊开坯机轧制11道次，轧制成φ85mm中间坯，开坯后温度为970℃，降温等待。
中间坯温度降到870℃进入26架次连轧机组。精轧前、后轧件分别穿水进行控制冷却，轧件终冷温度860℃。成品规格Φ25×10000mm。
5、酸洗
采用混酸(HNO3+HF)酸洗，混酸不加热。HNO3与HF体积比为1.1∶1；一次酸洗量30根，酸洗时间15min；高压水冲洗掉浮锈后，快速浸入配有防锈剂的热水中，出水后利用热水余温烘干。热水温度75℃，热水与防锈剂按体积比10∶1。
6、包装
低磁螺纹钢采用多层防水防潮包装。
实施例2
1、所采用的钢化学成分重量百分数(％)为：C 0.43％，Si 0.40％，Mn17.5％，Al2.9％，P0.018％，S0.008％，V0.04％，余量为铁和不可避免的杂质。
2、冶炼
采用公称容量80吨BOF转炉+中频炉+LF钢包处理+RH真空精炼组合方法冶炼。转炉冶炼P含量0.005％、温度1700℃时出钢。中频炉熔化13吨锰铁合金。将中频炉熔化的锰铁溶液兑入钢包。钢包进LF强搅，造渣脱硫结束后，微调成份。RH真空处理的真空度控制为4.7Mbar，真空下循环时间18min。Mn的综合回收率达93％，N含量75PPm。采用连铸双流浇铸，浸入式水口插入深度120mm。中包温度1430-1460℃，出坯温度830℃。
3、坯料准备
连铸坯规格220×220×3500mm，方坯红送。
4、轧制
连铸坯热装，装炉温度480℃，铸坯加热温度1240℃；铸坯出加热炉；方坯经850mm三辊开坯机轧制11道次，轧制成φ85mm中间坯，开坯后温度为980℃，降温等待。
中间坯温度降到860℃进入26架连轧机组。在精轧前、后轧件分别穿水进行控制冷却，轧件终冷温度840℃。成品规格Φ16×10000mm。
5、酸洗
采用浓盐酸(HCl)酸洗，浓度37％。一次酸洗量30根，酸洗时间20min；高压水冲洗掉浮锈后，快速浸入配有防锈剂的热水中，出水后利用热水余温烘干。热水温度80℃，热水与防锈剂按体积比10∶1。
6、包装
低磁螺纹钢采用多层防水防潮包装。
对比例
按照常规的方法制备18-8型奥氏体不锈钢，即0Cr18Ni9，选取常用规格Φ12mm螺纹钢，与实施例样品采用相同的试样加工和检测方法。
从性能列表可以看出，实施例的性能全面优于对比例。尤其是实施例产品在较高的屈服强度的同时，保证了极高的相对导磁率和磁场强度性能。
表1实施例与对比例性能对比
Figure BDA0003847866610000101
本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应视为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种建筑用低磁螺纹钢，其特征在于，按重量百分比计，包括：C 0.08-0.60％；Si0.10-1.00％；Mn 15.00-28.00％；Al 0.02-4.50％；P≤0.045％；S≤0.045％；Nb 0.01-0.30％；Ti 0.01-0.20％；V 0.01-0.20％，余量为铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的建筑用低磁螺纹钢，其特征在于，按重量百分比计，包括：C0.38-0.50％；Si 0.10-0.60％；Mn 15.5-18.5％；Al 1.5-3.6％；P≤0.025％；S≤0.020％；Nb 0.01-0.05％；Ti 0.01-0.10％；V 0.01-0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的建筑用低磁螺纹钢，其特征在于，按重量百分比计，包括：C0.43-0.48％；Si 0.3-0.50％；Mn16.5-17.5％；Al 2.4-3.6％；P≤0.020％；S≤0.015％；Nb 0.01-0.03％；Ti 0.01-0.03％；V 0.01-0.07％，余量为铁和不可避免的杂质。
4.权利要求1-3任一项所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)冶炼得到成分符合要求的钢液；
(2)采用连铸或模铸的方法得到连铸坯或模铸钢锭；
(3)将所述连铸坯或模铸钢锭制备成符合规格的方坯后进行冷装或热装，然后将所述方坯送入加热炉进行均质化；
(4)采用开坯轧机将所述方坯轧制成中间坯，降温等待之后进入连轧机组，经中轧后设置穿水冷却，经冷却后再进入精轧机，出精轧后进行二次穿水冷却；
(5)经酸洗、高压水清洗、热水和防锈剂处理得到低磁螺纹钢产品。
5.根据权利要求4所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，冶炼过程的锰铁合金化选自由LF炉分批次加入锰铁合金和中频炉熔化锰铁合金后兑入钢液2种方法组成的组。
6.根据权利要求4所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，冶炼过程采用VD真空精炼或RH真空精炼的方法对钢液进行真空脱氮；其中，所述真空脱氮的真空度为0.5-5.0mbar，循环时间15-30min。
7.根据权利要求4所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述方坯经开坯轧机轧制9-13道次轧制成中间坯，开坯后温度为950-1050℃。
8.根据权利要求4所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述热装的装炉温度不小于350℃；所述均质化的温度为1180-1260℃。
9.根据权利要求4所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述中间坯进入连轧机组的开轧温度为850-900℃，二次穿水冷却后，轧件终冷温度为830-900℃。
10.根据权利要求4所述的建筑用低磁螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述酸洗采用浓度为30-38％的浓盐酸或体积比为(1.0-2.0)∶1的HNO3与HF混酸，酸洗时间为5-20分钟；所述热水与所述防锈剂体积比(8-20)：1，所述热水温度为40-85℃。
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