一种耐蚀钢筋及其生产方法

摘要

一种耐蚀钢筋及其生产方法，化学成分：C 0.15～0.23％，Si0.30～0.65％，Mn0.90～1.60％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr1.40～2.50％，Cu0.20～0.40％，Ti0.010～0.025％，N≤0.015％，O≤0.0020％。感应电炉冶炼出钢温度1650～1670℃。连铸钢液的过热度控制在≤30℃；对中间包使用外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧，外加电场的电压为5～20V，电流为600～1000A，提高钢液的洁净度。轧制钢坯加热温度为1130～1170℃，加热时间1.5～2.5h，开轧温度1000～1100℃，终轧温度为950～1050℃。本发明钢筋Rel≥500MPa，Rm≥630MPa，A≥15％，耐蚀性能是HRB500c钢种轧制钢筋的3～5倍。

权利要求

1.一种耐蚀钢筋，其特征在于，其化学成分重量百分比含量为：C：0.15％～0.17％，Si：

0.61％～0.65％，Mn：0.90％～1.60％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr：1.93％～2.50％，Cu：

0.23％～0.26％，Ti：0.012％～0.025％，N≤0.015％，O≤0.0020％，其余为铁及不可避免的杂质。

2.一种如权利要求1所述耐蚀钢筋的生产方法，其特征在于，包括电炉冶炼、连铸和轧制，其具体生产方法为：电炉冶炼：

在感应电炉中进行冶炼，冶炼采用优质废钢，在废钢熔化后，进行造渣操作，并根据钢液初始成分，首先加入增碳剂、硅锰铁、硅铁进行脱氧及合金化，然后再加入铬铁、钛铁进行合金化，待熔炼成分达到要求后进行出钢，出钢温度控制在1650～1670℃；

连铸：

出钢到钢包后，将钢包吊至中间包处，钢液的过热度控制在≤30℃；对中间包使用外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧，脱氧装置的阳极套装在长水口上，阴极固定在上水口上，阳极和阴极通过导线分别与电源的正极和负极连接；外加电场的电压为5～20V，电流为600～

1000A，其中长水口外面的阳极，在进行浇注时，阳极随着长水口进入中间包的熔渣内后，接通电源的阳极，中间包的上水口处接阴极与中间包钢液相通，通过直流电源，在钢液和中间包覆盖剂之间构成回路，控制钢液中的氧通过熔渣体系中的传导，将熔渣中生成的氧气排出钢液，从而提高钢液的洁净度；

轧制：

钢坯加热温度为1130～1170℃，加热时间1.5～2.5h，开轧温度1000～1100℃，终轧温度为956～1050℃。

说明书

一种耐蚀钢筋及其生产方法

技术领域

[0001] 本发明属于冶金工艺技术领域，特别涉及一种耐海洋气候腐蚀的钢筋及其生产方法。

背景技术

[0002] 钢铁工业是我国经济发展的基础工业，经济发展离不开钢铁等重工业的支持。同时不断提高钢铁工业的发展水平，也是为了满足国民经济现代化建设的各个方面如机械、建筑、国防、交通运输等行业要求的基本前提。近年来，我国的钢产量已位居世界首位，是世界钢铁大国。钢筋是目前工程建材中一种主要的常用材料，广泛应用于工业与民用建筑，其性能好坏直接影响工程混凝土的质量。目前我国基本建设高速发展，钢筋的生产和使用均在不断发展，其产品质量不仅有关各项工程事业的安全，更对人民群众的安居乐业有着深远影响。钢筋的冶炼生产对能源环保产生很大的压力，通过提高钢筋的耐蚀性及强度，可以延长钢筋的使用寿命，减少钢材的用量，为节能环保减轻压力。

[0003] 钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素之一，也是重大工程提前失效的重要原因。尤其在海洋特有的恶劣环境和动载与静载多重因素的耦合作用下，必将导致钢筋锈蚀加剧，大大缩短了混凝土结构的服役寿命。美国、法国等国家对高强度钢筋的研究和开发比较早，对耐大气腐蚀用集装箱板等研究也比较早，但对混凝土用钢筋的耐腐蚀性研究较晚，目前多处于研究阶段，尚无现成的产品。中国专利公开号CN102605255A公开了一种400MPa级耐腐蚀钢，其元素含量为：C:0.1％～0.25％，Si:0.5％～0.90％，Mn:0.7％～1.5％，P:0.04％～0.09％，S≤0.015％，Cu:0.3％～0.6％，Ni:0.1％～0.4％，Cr≤0.1％，V:0.03％～0.08％，其耐腐蚀性能较普通钢筋提高2倍，但其提升空间较为有限。

[0004] 中国专利公开号为CN101709434A公开了一种耐Cl-腐蚀的高强度低合金钢筋，其元素含量为C：0.08％～0.25％，Si：0.35％～1.1％，Mn：0.7％～2.0％，Cu：0.20％～0.80％，Cr：0.30％～1.6％，Ni：0.20％～1.0％，P：0.05％～0.10％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质；或者，同时另加微合金元素V、Nb、Ti、B中的一种或几种；微合金元素总量控制在0.01％～0.5％(在其实施例中没有加钛示例)，该申请耐蚀性能仍然较低，且均没有对钢中的氧含量进行控制，在钢液洁净度方面没有具体要求，没有关注到提高钢的洁净度，减少夹杂物数量对提高钢的耐蚀性的作用。

发明内容

[0005] 本发明的目的旨在大幅降低钢中的氧含量，减少钢中的夹杂物，在不加入大量合金的前提下，通过提高钢的洁净度，从而显著提高钢筋的耐蚀性。

[0006] 为达此目的，本发明所采取的技术解决方案是：

[0007] 一种耐蚀钢筋，其化学成分重量百分比含量为：C：0.15％～0.23％，Si：0.30％～0.65％，Mn：0.90％～1.60％，P≤0.030％，S≤0.020％，Cr：1.40％～2.50％，Cu：0.20％～
0.40％，Ti：0.010％～0.025％，N≤0.015％，O≤0.0020％，其余为铁及不可避免的杂质。

[0008] 本发明的成分选择及含量范围确定原理为：

[0009] 碳是钢中非常重要的强化元素，随着钢中碳含量的增加，可以提高钢的强度和硬度，但是钢的塑性和韧性会相应的下降，耐蚀钢筋中含有适量的碳，可以保证钢筋的强度，但在含铬的耐蚀钢中，碳与铬的亲和力较强，容易形成铬的碳化物，降低钢中所含铬的有效作用，因此钢中碳含量控制在0.15％～0.23％。

[0010] 硅元素在钢中是主要的脱氧及强化元素，对提高抗氧化性和耐腐蚀性也有一定的作用。当硅含量过高时，会使焊接时焊缝金属硬化，飞溅增加，影响焊接工艺性能；当钢中硅含量过低时，脱氧不完全，钢中氧含量过高，因此硅含量控制在0.30％～0.65％。

[0011] 锰在钢中可以与硅起到复合脱氧的作用，锰可以与硫生成硫化锰，抑制硫的有害作用，锰同时也是钢中重要的强韧化元素，当锰含量低时，钢中氧含量偏高，同时钢筋的强度偏低；但当钢中锰含量过高时，塑性和冲击韧性下降，同时对焊接性能有不利影响，因此锰含量控制在0.90％～1.60％。

[0012] 磷元素可以提高钢的强度和耐蚀性能，但在钢中容易出现偏析现象，同时低温时力学性能较差，因此磷含量控制在≤0.030％。

[0013] 硫在钢中生成FeS时，容易引起钢的热脆现象，加入锰元素生成硫化锰，可以消除热脆的影响，但生成的硫化物等夹杂物，在钢中易于形成腐蚀源，因此钢中硫含量控制在≤0.020％。

[0014] 铬在钢中是提高耐蚀性的重要元素，可以提高钢基体的腐蚀电位，在一定的环境下，钢的表面会生成致密的氧化膜，当钢中含有大量铬元素时，会明显增加钢的生产成本，在建筑用钢领域，钢筋的用途不同，对耐蚀性的要求也不一样，与海洋距离远一些的地方，对钢筋耐蚀性的要求就要低一些，因此钢中铬含量控制在1.40％～2.50％。

[0015] 铜在钢中同样是提高耐蚀性的元素，但是钢在加热炉进行加热时，由于铜不易氧化，且熔点较低，这就容易造成钢表面富铜，在热轧时出现热裂现象，因此钢中铜含量控制在0.20％～0.40％。

[0016] 钛是一种较强的脱氧剂，可将钢液中氧脱除到非常低的水平，从而有效地提高钢液的洁净度，减少钢中的夹杂物；钢中的钛元素在进行轧制时，可以析出细小弥散的碳氮化钛粒子，起到很好的细化晶粒的作用；钛在钢中与碳结合，大大地减少了铬与碳结合的机会，有效地提高铬元素所起的耐蚀作用，因此钢中钛含量控制在0.010％～0.025％。

[0017] 氮在钢中可以起到固溶强化的作用，能够提高钢的强度和硬度，但显著影响钢的韧性，因此钢中氮含量控制在≤0.015％。

[0018] 氧在钢中是以氧化物的形式存在，这些氧化物不仅对钢筋的塑性、韧性等性能有不利影响，同时氧化物也明显降低了耐蚀性能，因此钢中氧含量控制在≤0.0020％。

[0019] 一种耐蚀钢筋的生产方法，包括电炉冶炼、连铸和轧制，其具体生产方法为：

[0020] 电炉冶炼：

[0021] 在感应电炉中进行冶炼，冶炼采用优质废钢，在废钢熔化后，进行造渣操作，并根据钢液初始成分，首先加入增碳剂、硅锰铁、硅铁进行脱氧及合金化，然后再加入铬铁、钛铁进行合金化，待熔炼成分达到要求后进行出钢，出钢温度控制在1650～1670℃。

[0022] 连铸：

[0023] 出钢到钢包后，将钢包吊至中间包处，钢液的过热度控制在≤30℃；对中间包使用外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧，脱氧装置的阳极套装在长水口上，阴极固定在上水口上，阳极和阴极通过导线分别与电源的正极和负极连接；外加电场的电压为5～20V，电流为600～1000A，其中长水口外面的阳极，在进行浇注时，阳极随着长水口进入中间包的熔渣内后，接通电源的阳极，中间包的上水口处接阴极与中间包钢液相通，通过直流电源，在钢液和中间包覆盖剂之间构成回路，控制钢液中的氧通过熔渣体系的传导，将熔渣中生成的氧气排出钢液，从而提高钢液的洁净度。

[0024] 轧制：

[0025] 钢坯加热温度为1130～1170℃，加热时间1.5～2.5h，开轧温度1000～1100℃，终轧温度为950～1050℃。

[0026] 本发明的有益效果为：

[0027] 通过在钢中添加钛元素，在钢中起到细化晶粒的作用，使碳氮化钛粒子弥散分布，减少铬与碳结合的机会，有效地提高了铬元素所起的耐蚀作用；同时钛也是很好的脱氧剂，可以使钢中的氧含量大幅降低，钢中的夹杂物明显减少，并在连铸钢包长水口与中包上水口之间加上外加电场进行脱氧处理，进一步减少钢中的夹杂物，在不加入大量合金而增加生产成本的前提下，可以显著提高钢筋的耐蚀性，延长钢筋的使用寿命，从而减少钢材的用量。经检测，本发明生产的钢筋，其屈服强度Rel≥500MPa，抗拉强度Rm≥630MPa，断后伸长率A≥15％，耐蚀性能是HRB500c钢种轧制钢筋的3～5倍。

附图说明

[0028] 图1是外加电场中间包熔渣脱氧装置安装状态剖面图。

[0029] 图中：阳极1、长水口2、中间包3、熔渣4、钢液5、塞棒6、阴极7、上水口8、浸入式水口9、湍流器10、直流电源11。

具体实施方式

[0030] 首先，制作安装外加电场熔渣脱氧装置。中间包3外加电场熔渣脱氧装置包括阳极1、阴极7和电源11。阳极1和阴极7均为圆筒状，阳极1套装在长水口2上，并随着长水口2一起下降或上升，阴极7固定在浸入式水口9上面的上水口8上，阳极1和阴极7通过导线分别与电源11的正极和负极连接。

[0031] 实施例采用20吨感应炉冶炼。对比例钢种为HRB500c，采用同样的电炉冶炼，使用转炉—LF精炼—连铸工艺进行生产的小方坯，轧制工艺相同。实施例和对比例钢筋化学成分重量百分比含量见表1。

[0032] 表1 实施例和对比例钢筋化学成分重量百分比含量表(％)

[0033]示例 C Si Mn P S Cr Cu Ti O N
实施例1 0.17 0.58 0.95 0.018 0.014 1.42 0.23 0.012 0.0013 0.009
实施例2 0.18 0.42 1.14 0.021 0.016 1.86 0.28 0.018 0.0019 0.008
实施例3 0.16 0.56 1.36 0.024 0.018 1.54 0.26 0.024 0.0017 0.006
实施例4 0.17 0.32 1.58 0.021 0.015 2.35 0.24 0.017 0.0018 0.008
实施例5 0.17 0.61 1.47 0.018 0.012 1.93 0.23 0.019 0.0017 0.014
实施例6 0.19 0.45 1.29 0.012 0.014 2.48 0.27 0.023 0.0018 0.012
实施例7 0.21 0.42 1.08 0.014 0.013 1.88 0.28 0.013 0.0015 0.015
实施例8 0.19 0.46 1.26 0.019 0.014 1.97 0.31 0.016 0.0018 0.010
对比例1 0.22 0.65 1.45 0.018 0.015 0.063 0.28 / 0.0094 0.011
对比例2 0.19 0.70 1.58 0.022 0.013 0.098 0.24 / 0.0086 0.009
对比例3 0.20 0.63 1.43 0.016 0.015 0.086 0.26 / 0.0076 0.010
对比例4 0.18 0.74 1.49 0.021 0.014 0.079 0.24 / 0.0069 0.009

[0034] 实施例冶炼和连铸的具体生产方法为：

[0035] 电炉冶炼：

[0036] 采用优质废钢，废钢熔化后进行造渣操作，根据钢液初始成分，首先加入增碳剂、硅锰铁、硅铁进行脱氧及合金化，然后再加入铬铁、钛铁进行合金化，待熔炼成分达到要求后进行出钢，出钢温度控制在1650～1670℃。

[0037] 连铸：

[0038] 出钢到钢包后，将钢包吊至中间包处，钢液的过热度控制在≤30℃。

[0039] 对中间包3使用外加电场熔渣脱氧装置进行脱氧。浇注时，将长水口2下降进入中间包3内，此时阳极1处于熔渣4中，钢包中的钢液5由长水口2首先进入到湍流器10内，钢液5在此处通过改变流向，促使进入中间包3的钢包渣上浮，当中间包3内的钢液5上升到一定高度时，打开塞棒6进行浇注。由于熔渣4具有导电性，在外加直流电场的作用下，熔渣4中的离子将发生移动，并在相应的界面发生电化学反应。具体反应过程如下：

[0040] 1、钢液中的氧向钢液5/熔渣4界面扩散：[O]钢液→[O]钢液/熔渣；

[0041] 2、氧原子在钢液5/熔渣4界面处得到电子，同时使钢液5/熔渣4界面处带正电荷：

[0042] [O]钢液/熔渣→(O2-)钢液/熔渣；

[0043] 3、氧离子在电场的作用下，在熔渣4中向熔渣4/阳极1界面迁移：

[0044] (O2-)钢液/熔渣→(O2-)钢液/阳极；

[0045] 4、在熔渣4/阳极1界面发生氧离子失去电子的阳极反应：

[0046] (O2-)钢液/阳极→1/2(O2-)钢液/阳极+2e；

[0047] 5、氧气进入空气中：

[0048] 1/2(O2-)钢液/阳极→1/2(O2-)气体。

[0049] 在反应过程2中，钢液5/熔渣4界面将会积累正电荷，反应过程4中熔渣4/阳极1界面将会积累负电荷，通过外加电场可以克服以上问题，从而使氧离子不断向熔渣4中迁移，达到脱氧的目的。

[0050] 钢液5处理时，外加电场的电压控制在5～20V,电流控制在600～1000A。

[0051] 进行浇注时，在塞棒6内吹入氩气，此位置正好处于外加电场的阴极7处，吹入的气体起到了搅拌作用，有效地利用了塞棒6处吹入的气体，对钢液5产生搅拌作用，不需另外增加吹气装置。有利于钢液5中的氧原子向中间包3的熔渣4处迁移，使钢液5中的氧去除更彻底。在整个浇注过程中，塞棒6处吹入的氩气流量控制在5l/min。通过直流电源，在钢液5和中间包3覆盖剂之间构成回路，控制钢液5中的氧通过熔渣4体系中的传导，将熔渣4中生成的氧气排出钢液5，从而提高钢液5的洁净度。

[0052] 连铸小方坯规格为150×150mm。

[0053] 轧制：轧制后的带肋钢筋规格为φ14mm。

[0054] 实施例及对比例轧制工艺参数及性能检验结果分别见表2、表3。

[0055] 表2 实施例及对比例轧制工艺参数

[0056]示例 加热温度℃ 加热时间℃ 开轧温度℃ 终轧温度℃
实施例1 1135 1.5 1057 1012
实施例2 1148 1.9 1045 1035
实施例3 1169 1.8 1067 987
实施例4 1136 1.7 1089 1047
实施例5 1148 2.4 1025 956
实施例6 1159 2.3 1020 1008
实施例7 1168 1.8 1035 976
实施例8 1146 1.9 1016 994
对比例1 1145 2.0 1035 1007
对比例2 1154 1.8 1048 984
对比例3 1149 2.2 1053 996
对比例4 1160 1.7 1048 1024

[0057] 表3 轧后钢筋性能指标检验结果

[0058]示例 腐蚀速率 微米/年 Rel MPa Rm MPa A％
实施例1 149 538 679 20
实施例2 168 546 654 21
实施例3 197 525 675 19
实施例4 174 518 643 20
实施例5 230 536 677 23
实施例6 196 526 653 24
实施例7 203 534 637 21
实施例8 154 529 648 25
对比例1 688 510 640 16
对比例2 716 525 638 17
对比例3 702 514 645 17
对比例4 734 530 638 18

[0059] 从表3可见，本发明实施例钢筋的强度和延伸率略有提高，但在耐蚀性方面有显著提高，较对比例HRB500c的耐蚀性能提高3～5倍，从而可有效地延长钢筋的使用年限。