一种低碳高强抗震耐火钢筋及其制备方法

摘要

本发明公开了一种低碳高强抗震耐火钢筋及其制备方法，属于钢筋生产技术领域，解决了现有技术中耐火钢筋碳当量高、焊接难度大的问题，且耐火性能优异。该钢筋成分按质量百分比计算包括：C 0.03～0.08％、Si 0.1～0.3％、Mn 0.8～1.6％、Cr 0.2～0.6％、Mo 0.2～0.6％、V 0.02～0.12％、Nb 0.015～0.04％、Ti 0.01～0.02％、P≤0.015％和S≤0.005％，余量为铁和不可避免的杂质。该制备方法包括按照低碳高强抗震耐火钢筋的成分进行配料，得到合金原料；对合金原料依次进行冶炼、连铸、加热和轧制，得到低碳高强抗震耐火钢筋。该低碳高强抗震耐火钢筋及其制备方法可用于混凝土结构的钢筋生产制造。

权利要求

1.一种低碳高强抗震耐火钢筋，其特征在于，所述低碳高强抗震耐火钢筋为400MPa级抗震耐火钢筋，轧制规格为32mm，成分按质量百分比计算包括：C 0.08％、Si 0.26％、Mn 

1.0％、P≤0.012％、S≤0.005、Cr 0.36％、Mo 0.23％、V 0.06％、Nb 0.025％和Ti 

0.012％，余量为铁和不可避免的杂质；

所述低碳高强抗震耐火钢筋制备方法包括如下步骤：

按照低碳高强抗震耐火钢筋的成分进行配料，得到合金原料；

对合金原料依次进行冶炼、连铸、加热和轧制，开轧温度1050～1080℃，终轧温度为950～970℃，采用轧后空冷，得到低碳高强抗震耐火钢筋；

所述400MPa级抗震耐火钢筋的屈服强度为440MPa，抗拉强度为616MPa，最大力总延伸率为12.0％，屈强比为1.40，600℃保温1h的屈服强度为398MPa，600℃保温2h的屈服强度为

369MPa，600℃保温3h的屈服强度为350MPa。

2.一种低碳高强抗震耐火钢筋的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1所述的低碳高强抗震耐火钢筋，所述制备方法包括如下步骤：按照低碳高强抗震耐火钢筋的成分进行配料，得到合金原料；

对合金原料依次进行冶炼、连铸、加热和轧制，得到低碳高强抗震耐火钢筋。

说明书

一种低碳高强抗震耐火钢筋及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于钢筋生产技术领域，尤其涉及一种低碳高强抗震耐火钢筋及其制备方法。

背景技术

[0002] 钢筋作为混凝土结构的重要结构材料，随着建筑业的迅速发展，对钢筋的品种需求更趋于多样。特别是高层建筑的耐火安全储备要求越来越高。据统计，火灾持续时间在2h以内的占火灾总数的90％以上，一级建筑楼板的耐火极限是1.5h，二级耐火等级的建筑中，支撑楼板的梁的耐火定为1.5h，柱和承重墙的耐火极限定为2.5～3h。而钢材的强度随着温度升高而降低，当温度升高到600℃时，普通钢筋的屈服强度明显下降，不到室温状态下屈服强度的30％，因此，普通钢筋在火灾发生时承载力急剧下降将导致严重后果，经济损失大且火灾后修复难度高。

[0003] 中国发明专利申请CN104032234A公开了一种耐火钢筋及其生产工艺，其合金设计上是在20MnSi的成分基础上添加了Cr、Ni、Mo、V、Nb、Ti等合金元素，且微量添加了B元素。该钢的合金成分决定了其碳当量偏高，Ceq≤0.56，增加了焊接难度；此外，钢中加入B，控制不当容易在晶界处偏聚而引起脆性，增加了冶炼控制难度。同样地，中国发明专利申请CN110592472A、CN104032234A存在同样的问题。

[0004] 中国发明专利申请CN109097682A公开了一种高强度耐火钢筋及其制备方法，采用20MnSi+微合金元素的合金设计方法，碳当量依然高于0.50，显微组织为铁素体贝氏体组织，容易出现M/A岛，增加了控制难度。

发明内容

[0005] 鉴于以上分析，本发明旨在提供一种低碳高强抗震耐火钢筋及其制备方法，解决了现有技术中耐火钢筋碳当量高、焊接难度大的问题，且耐火性能优异。

[0006] 本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

[0007] 本发明提供了一种低碳高强抗震耐火钢筋，成分按质量百分比计算包括：C 0.03～0.08％、Si 0.1～0.3％、Mn 0.8～1.6％、Cr 0.2～0.6％、Mo 0.2～0.6％、V 0.02～0.12％、Nb 0.015～0.04％、Ti 0.01～0.02％、P≤0.015％和S≤0.005％，余量为铁和不可避免的杂质。

[0008] 进一步地，低碳高强抗震耐火钢筋为400MPa级抗震耐火钢筋，V的含量为0.02～0.06％。

[0009] 进一步地，400MPa级抗震耐火钢筋的屈服强度为430～460MPa，抗拉强度为610～650MPa，最大力总延伸率为10.5～12.5％，屈强比为1.40～1.44，600℃保温1h的屈服强度为320～400MPa，600℃保温2h的屈服强度为320～370MPa，600℃保温3h的屈服强度为310～
350MPa。

[0010] 进一步地，低碳高强抗震耐火钢筋为500MPa级抗震耐火钢筋，V的含量为0.07～0.12％。

[0011] 进一步地，500MPa级的抗震耐火钢筋的屈服强度为520～560MPa，抗拉强度为700～780MPa，最大力总延伸率为9.0～11.0％，屈强比为1.35～1.44，600℃保温1h的屈服强度为365～410MPa，600℃保温2h的屈服强度为370～405MPa，600℃保温3h的屈服强度为360～390MPa。

[0012] 本发明还提供了一种低碳高强抗震耐火钢筋的制备方法，用于制备上述低碳高强抗震耐火钢筋，制备方法包括如下步骤：

[0013] 按照低碳高强抗震耐火钢筋的成分进行配料，得到合金原料；

[0014] 对合金原料依次进行冶炼、连铸、加热和轧制，得到低碳高强抗震耐火钢筋。

[0015] 进一步地，采用轧后空冷。

[0016] 进一步地，低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0017] 进一步地，连铸坯在加热炉内的保温时间2～3小时。

[0018] 进一步地，开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为950～1000℃。

[0019] 与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

[0020] A)本发明提供的与现有技术相比，本发明提供的低碳高强抗震耐火钢筋，采用低碳低Si、Mo、Cr、Nb、Ti的组合设计，同时添加了V，通过V含量的增减调节强度以达到不同级别的力学性能要求。同时，为了改善焊接性能，该合金成分碳当量控制在0.40以下。采用本发明的合金成分生产的400MPa级、500MPa级抗震耐火钢筋的室温拉伸的最大力下总延伸率大于9％，强屈比均大于1.30，具有良好的抗震性能，且高温耐火性能比普通同级别钢筋性能大幅提升。

[0021] B)本发明提供的低碳高强抗震耐火钢筋，具有碳当量低的特点，利用合金元素的组合设计，可以获得两种强度级别(400MPa级和500MPa级)的耐火钢筋，抗震性能和耐火性能良好。

[0022] C)本发明提供的低碳高强抗震耐火钢筋的制备方法，在钢筋的轧制过程中，现有技术中为了能够得到贝氏体组织，通常需要采用轧后控冷，严格控制水压、水量，而本发明中，通过对合金成分和含量的调控，调节相变曲线，能够在空冷条件下得到贝氏体组织，在工艺控制上更简化。

[0023] 本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书中所特别指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

[0024] 下面具体描述本发明的优选实施例。

[0025] 本发明提供了一种低碳高强抗震耐火钢筋，其成分按质量百分比计算包括：C 0.03～0.08％、Si 0.1～0.3％、Mn 0.8～1.6％、Cr 0.2～0.6％、Mo 0.2～0.6％、V 0.02～
0.12％、Nb 0.015～0.04％、Ti 0.01～0.02％、P≤0.015％和S≤0.005％，余量为铁和不可避免的杂质。

[0026] 与现有技术相比，本发明提供的低碳高强抗震耐火钢筋，采用低碳低Si、Mo、Cr、Nb、Ti的组合设计，同时添加了V，通过V含量的增减调节强度以达到不同级别的力学性能要求。同时，为了改善焊接性能，该合金成分碳当量控制在0.40以下。采用本发明的合金成分生产的400MPa级、500MPa级抗震耐火钢筋的室温拉伸的最大力下总延伸率大于9％，强屈比均大于1.30，具有良好的抗震性能，且高温耐火性能比普通同级别钢筋性能大幅提升。

[0027] 此外，本发明提供的低碳高强抗震耐火钢筋，具有碳当量低的特点，利用合金元素的组合设计，可以获得两种强度级别(400MPa级和500MPa级)的耐火钢筋，抗震性能和耐火性能良好。

[0028] 具体来说，上述低碳高强抗震耐火钢筋中各成分的作用如下：

[0029] C元素：钢的强化元素，容易和Nb、V、Ti等微合金元素结合形成化合物，细化组织，为了改善钢的焊接性能，控制碳当量，本发明中C含量控制在0.03～0.08％，优选的C含量控制在0.04～0.06％。

[0030] Si元素：固溶于铁素体提高钢的屈服强度，但考虑到本发明中合金元素种类较多，钢的强度容易偏高，因此Si含量控制在0.1～0.3％，优选的Si控制在0.2～0.3％。

[0031] Mn元素：钢中主要元素，提高钢的强度。根据强度等级确定其含量范围为0.80～1.60％，最优的范围在0.80～1.20％。

[0032] P元素：常作为有害元素而被严格控制。为了提高钢的塑、韧性，改善耐火性能，本发明中P含量控制在P≤0.015％，优选的P≤0.010％。

[0033] S元素：容易形成硫化物夹杂，钢材的连续性被破坏，因此，为了提高钢的洁净度，改善耐高温性能，S含量严格控制。

[0034] Mo、Cr、Nb合金元素：组合添加，可以提高钢的淬透性，有利于形成贝氏体组织，提高钢的高温性能，Cr含量范围：0.2～0.6％、Mo含量范围：0.2～0.6％，Nb含量范围：0.015～0.04％。优选的Cr含量范围：0.3～0.5％、Mo含量范围：0.2～0.4％，Nb含量范围：0.02～
0.03％。

[0035] Ti元素：可以形成纳米级TiN，细化奥氏体晶粒，改善钢的焊接性能，Ti含量范围：0.01～0.02％，需要说明的是，本发明采用微Ti处理，添加量不超过0.02％，超过容易出现大颗粒的TiN，起不到细化奥氏体晶粒的作用，反而会降低钢的韧性。

[0036] V元素：有利于在铁素体中析出，细化铁素体晶粒，同时调节V添加，易于调节钢材强度，V含量范围：0.02～0.12％。

[0037] 需要说明的是，对于不同级别的低碳高强抗震耐火钢筋，其V添加量也不同。示例性地，对于400MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，V含量范围为0.02～0.06％；500MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，V含量范围0.07～0.12％。

[0038] 通过测试可知，采用本发明的合金成分，均达到抗震钢筋性能指标要求，且600℃保温1～3h，屈服强度满足高于室温屈服强度2/3的要求。

[0039] 具体来说，400MPa级低碳高强抗震耐火钢筋的各项性能如下：

[0040] 屈服强度为430～460MPa，抗拉强度为610～650MPa，最大力总延伸率为10.5～12.5％，屈强比为1.40～1.44，600℃保温1h的屈服强度为320～400MPa，600℃保温2h的屈服强度为320～370MPa，600℃保温3h的屈服强度为310～350MPa。

[0041] 同样地，采用本发明的合金成分，500MPa级低碳高强抗震耐火钢筋的各项性能如下：

[0042] 屈服强度为520～560MPa，抗拉强度为700～780MPa，最大力总延伸率为9.0～11.0％，屈强比为1.35～1.44，600℃保温1h的屈服强度为365～410MPa，600℃保温2h的屈服强度为370～405MPa，600℃保温3h的屈服强度为360～390MPa。

[0043] 本发明还提供了一种低碳高强抗震耐火钢筋的制备方法，包括如下步骤：

[0044] 按照上述低碳高强抗震耐火钢筋的成分进行配料，得到合金原料；

[0045] 对合金原料依次进行冶炼、连铸、加热和轧制，得到低碳高强抗震耐火钢筋。

[0046] 与现有技术相比，本发明提供的低碳高强抗震耐火钢筋的制备方法的有益效果与上述提供的低碳高强抗震耐火钢筋的有益效果基本相同，在此不一一赘述。

[0047] 为了能够进一步提高上述低碳高强抗震耐火钢筋的整体性能，在轧制过程中，采用低温开轧结合全程准恒温轧制的控制工艺，轧后空冷，使得低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0048] 需要强调的是，在钢筋的轧制过程中，现有技术中为了能够得到贝氏体组织，通常需要采用轧后控冷，严格控制水压、水量，增加了控制难度，而本发明中，通过对合金成分和含量的调控，调节相变温度，能够在空冷条件下得到贝氏体组织，在工艺控制上更简化。

[0049] 考虑到本发明低碳高强抗震耐火钢筋中添加了多种微合金元素，为了保证合金元素的充分固溶，上述制备方法中，连铸坯在加热炉内的保温时间2～3小时，通过充分的保温时间，使得合金元素固溶更充分。

[0050] 在轧制过程中，为了减小元素对温度波动的影响，上述制备方法采用准恒温轧制工艺，开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为950～1000℃。

[0051] 实施例1

[0052] 轧制400MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，钢坯的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.08％，Si：0.26％，Mn：1.0％，P≤0.012％，S≤0.005，Cr：0.36％、Mo：0.23％，V：0.06％，Nb：0.025％，Ti：0.012％。轧制规格32mm的钢筋，连铸坯在加热炉内的保温时间为3小时，开轧温度1050～1080℃，终轧温度为950～970℃，精轧机组入口温度1000～1050℃，轧后空冷。

[0053] 所制得的低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0054] 实施例2

[0055] 轧制400MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，钢坯的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.08％，Si：0.26％，Mn：1.0％，P≤0.012％，S≤0.005％，Cr：0.36％、Mo：0.23％，V：
0.04％，Nb：0.025％，Ti：0.012％。轧制规格16mm的钢筋，连铸坯加热炉内的保温时间为2小时，开轧温度1050～1080℃，终轧温度为960～990℃，精轧机组入口温度1000～1050℃，轧后空冷。

[0056] 所制得的低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0057] 实施例3

[0058] 轧制400MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，钢坯的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.03％，Si：0.10％，Mn：0.8％，P≤0.015％，S≤0.005％，Cr：0.20％、Mo：0.25％，V：
0.02％，Nb：0.015％，Ti：0.010％。轧制规格12mm的钢筋，连铸坯在加热炉内的保温时间为2小时，开轧温度1050～1060℃，终轧温度为950～980℃，精轧机组入口温度1020～1050℃，轧后空冷。

[0059] 所制得的低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0060] 实施例4

[0061] 轧制500MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，钢坯的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.08％，Si：0.3％，Mn：1.6％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.2％、Mo：0.6％，V：0.12％，Nb：0.03％，Ti：0.02％。轧制规格32mm的钢筋，连铸坯在加热炉内的保温时间为3小时，开轧温度1050～1080℃，终轧温度为980～1000℃，精轧机组入口温度1000～1050℃，轧后空冷。

[0062] 所制得的低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0063] 实施例5

[0064] 轧制500MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，钢坯的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.06％，Si：0.28％，Mn：1.42％，P≤0.012％，S≤0.003％，Cr：0.38％、Mo：0.46％，V：
0.08％，Nb：0.022％，Ti：0.02％。轧制规格16mm的钢筋，连铸坯在加热炉内的保温时间为2小时，开轧温度1050～1080℃，终轧温度为980～1000℃，精轧机组入口温度1000～1050℃，轧后空冷。

[0065] 所制得的低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0066] 实施例6

[0067] 轧制500MPa级低碳高强抗震耐火钢筋，钢坯的化学成分按照重量百分比计算为：C：0.08％，Si：0.3％，Mn：1.2％，P≤0.015％，S≤0.003％，Cr：0.2％、Mo：0.32％，V：0.08％，Nb：0.022％，Ti：0.016％。轧制规格12mm的钢筋，连铸坯加热炉内的保温时间为2小时，开轧温度1050～1080℃，终轧温度为950～980℃，精轧机组入口温度1000～1050℃，轧后空冷。

[0068] 所制得的低碳高强抗震耐火钢筋的微观组织包括铁素体、珠光体和贝氏体组织。

[0069] 上述实施例1～6轧制的耐火钢筋室温拉伸性能见表1。

[0070] 未经任何加工的全尺寸耐火钢筋在600℃保温1～3h的高温拉伸性能见表2。

[0071] 表1实施例1～6的耐火钢筋的室温拉伸性能(时效后的性能)

[0072]

[0073] 表2实施例1～6的耐火钢筋的高温拉伸性能

[0074]

[0075] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。