一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢及其生产方法与流程

1.本发明属于耐蚀钢相关技术领域，更具体地说，涉及一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢及其生产方法。


背景技术：

2.岛礁工程是维护我国海洋权益和领土安全的前沿阵地，是我国对海洋区域实际控制能力的重要体现。由于处在高温、高湿、盐雾等因素的耦合下，岛礁环境是自然界最为恶劣的环境之一。随着我国对南海等岛礁的开发，岛礁建筑的耐久性问题日益突出。在岛礁环境下，建筑物普遍存在钢筋锈蚀、混凝土锈胀开裂等严重问题，目前普通hrb400钢筋混凝土结构服役寿命一般只有5－10年，严重制约我国对南海等岛礁的大规模开发建设。针对建筑物的耐久性问题，传统的解决方法包括高致密混凝土、阻锈剂、钢筋涂层等，但均存在不足。如环氧涂层钢筋，虽有一定的耐腐蚀性能，但是其表面的环氧涂层降低了钢筋与混凝土的粘结强度，并且环氧涂层钢筋很难避免不出现局部的点腐蚀现象，而且对施工的要求较高，一旦出现点腐蚀，腐蚀将会很快的向四周蔓延开来，从而使环氧涂层钢筋达不到预期的耐蚀要求；而不锈钢钢筋防腐效果最好，但昂贵的价格是制约其广泛应用的最大障碍。
3.为了提高钢筋的耐蚀性能，国内开展了耐蚀钢筋的研究。中国专利申请号为：201710196182.8，公开日为：2017
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08
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29的“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。通过加入合金元素使钢筋组织细化并提高其淬透性，通过在冶炼过程中采用电磁搅拌、轻压下等方式有效降低铸坯的偏析、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400～480um/年，与普碳钢的腐蚀速率基本相当。
4.中国专利申请号为：201710954676.8，公开日为：2019
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04
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23的“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。采用2205钢坯，依次经过修磨—加热—轧制—在线固溶—酸洗钝化等工艺获得的不锈钢筋具有优良的耐腐蚀能力，满足海洋工程结构用钢需要，但其生产工艺复杂，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。
5.中国专利申请号为：201810399267.0，公开日为：2018
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09
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28的“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”，钢筋具有铁素体/贝氏体双相显微组织，其中贝氏体所占比例为50％
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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％。钢筋具有优异的耐海洋氯离子侵蚀的高耐蚀性，可在严酷海洋侵蚀环境的混凝土结构中实现长寿命服役，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。


技术实现要素：

6.1.要解决的问题
7.针对现有钢筋不能耐海水腐蚀的问题，本发明提供一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，本发明在超低碳钢的基础上通过v、nb复合微合金化并结合控轧控冷工艺，力学性能达到gb/t 1499.2中hrb500钢筋的要求，通过加入cr、ni、mo等耐蚀合金元素，以及通过加入ca和si形成硅钙化合物提高钢基体与腐蚀介质间界面的ph值，从而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。生产工艺不复杂，适合大工业生产及推广应用。
8.本发明的另一目的在于提供一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢的生产方法。
9.2.技术方案
10.为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
11.本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，所述海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢其化学成分组成及重量百分比含量包括：c：≤0.03％，si：0.30
‑
0.50％，mn：0.60
‑
0.80％，p：≤0.010％，s：≤0.010％，v：0.03
‑
0.05％，nb：0.015
‑
0.035％，cr：8.0
‑
10.0％，ca：0.0015～0.0035％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
12.作为本发明的进一步说明，所述化学成分组成中还需满足耐蚀指数a值≥13.0，a＝5.6*si 1.3*cr 355.8*ca。
13.作为本发明的进一步说明，钢基体与腐蚀介质间界面的ph值范围为：10～14。
14.本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢的生产方法，包括以下步骤：
15.s1、铁水预处理；
16.s2、转炉冶炼；
17.s3、lf炉精炼；
18.s4、rh真空脱气；
19.s5、连铸；
20.s6、棒材轧机轧制：
21.作为本发明的进一步说明，所述步骤s1中，经预处理脱硫，脱硫目标值s≤0.005％。
22.作为本发明的进一步说明，所述步骤s2中，转炉终点c≤0.05％，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，加入铝饼，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
23.作为本发明的进一步说明，所述步骤s3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、v、nb含量。
24.作为本发明的进一步说明，所述步骤s4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，则调整后保证15分钟以上的真空保持时间。破真空后进行喂钙线处理，ca含量控制在0.0015～0.0035％。
25.作为本发明的进一步说明，所述步骤s5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，获得无缺陷方坯。
26.作为本发明的进一步说明，所述步骤s6中，加热温度控制在1100～1200℃，出钢温度控制在950～1050℃，上冷床温度控制在880～930℃。
27.3.有益效果
28.相比于现有技术，本发明的有益效果为：
29.(1)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，在超低碳钢的基础上通过v、nb微合金化并结合控轧控冷工艺，钢筋屈服强度rel≥500mpa，抗拉强度rm≥630mpa，断后伸长率a≥15％；通过加入cr、ni、mo等耐蚀合金元素，通过加入ca和si形成硅钙化合物，硅钙比约为4：6，提高钢基体与腐蚀介质间界面的ph值达到10～14。严格限制p、s含量，来提高钢筋耐海水腐蚀性能，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倍及以上。生产工艺不复杂，适合大工业生产；
30.(2)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，采用中cr、超低c的成分设计，避免形成cr的碳化物，提高cr的固溶量，保证耐蚀性能；另外降c还能减少淬透性，避免热轧后出现大量马氏体而影响钢的韧性；中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；
31.(3)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，适量添加v、nb等强化元素，利用其析出强化、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；
32.(4)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，添加适量的cr、ni、mo等耐蚀合金元素，及适量的ca和si形成硅钙化合物，硅钙比约为4：6，提高钢基体与腐蚀介质间界面的ph值达到10～14，提高耐蚀性能；
33.(5)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，严格控制钢中杂质元素p、s等的含量，减少晶界偏析，防止晶间腐蚀和晶界脆化；
34.(6)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，钢坯采用较高的加热温度促进nb元素的固溶，发挥其细晶强化作用，轧后采用较慢的冷却速度，避免大量马氏体组织的产生，保证钢的强韧性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强韧性能的同时，获得优异的耐海水腐蚀性能；
35.(7)本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢的生产方法，采用铁水预处理脱硫、转炉冶炼、lf炉精炼、rh真空脱气、150方坯连铸、棒材轧机轧制，即可生产出500mpa级高耐蚀钢筋，其力学性能达到：屈服强度rel≥500mpa，抗拉强度rm≥630mpa，断后伸长率a≥15％；采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能，其与hrb400普通钢筋的相对腐蚀率≤20％，耐海水腐蚀性能是hrb400普通钢筋的5倍及以上。
具体实施方式
36.下述示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
37.本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢，其化学成分组成及重量百分比含量如表1所示：
38.表1各实施例的化学元素组成及重量百分比(重量百分比％，余量为fe和不可避免的杂质)
39.实施例csimnpscrcavnba值10.020.400.760.0100.0059.50.00180.040.02015.2320.030.300.640.0080.0088.70.00350.030.03514.2430.010.500.800.0070.01010.00.00260.050.01516.7340.030.360.600.0090.0048.90.00150.040.01914.1250.010.420.650.0060.0069.40.00310.050.03115.6760.020.380.680.0070.0078.00.00290.030.02513.56
40.上述实施例的成分满足以下范围：
41.c：≤0.03％，si：0.30
‑
0.50％，mn：0.60
‑
0.80％，p：≤0.010％，s：≤0.010％，v：0.03
‑
0.05％，nb：0.015
‑
0.035％，cr：8.0
‑
10.0％，ca：0.0015～0.0035％，其余为fe和不可避免的杂质元素。
42.上述元素在抗震钢筋用钢中的作用基本如下：
43.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％。
44.ca：ca和si形成硅钙化合物，硅钙比约为4：6，提高钢基体与腐蚀介质间界面的ph值达到10～14，有利于促进钢表面致密保护层的形成，从而提高钢的耐蚀性能。本发明ca含量控制在0.0015～0.0035％。
45.c：c是钢中廉价的强化元素，能显著提高钢的强度，但随含量的增加会降低钢的耐蚀性能。本发明c含量控制在≤0.03％。
46.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，一部分用于与钙之间形成化合物，控制碱度，但si含量过高会影响钢的塑性指标。本发明si含量控制在0.30
‑
0.50％。
47.mn：能提高钢的强度和硬度，提高钢的淬透性，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0.60
‑
0.80％。
48.v：主要起析出强化、细晶强化的作用，对耐蚀性能影响不明显。本发明v含量控制在0.03
‑
0.05％。
49.nb：主要起细晶强化作用，在提高强度的同时，因为晶粒较细，还可提高耐蚀性能，一般nb在钢中的含量为0.05％以下，大于0.05％时强化效果无明显增加。本发明nb含量控制在0.03
‑
0.05％。
50.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。本发明p含量控制在≤0.010％。
51.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。本发明s含量控制在≤0.010％。
52.采用中cr、超低c的成分设计，避免形成cr的碳化物，提高cr的固溶量，保证耐蚀性能；另外降c还能减少淬透性，避免热轧后出现大量马氏体而影响钢的韧性；中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。
53.上述元素中综合作用如下：(1)适量添加v、nb等强化元素，利用其析出强化、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。(3)添加适量的cr、ni、mo等耐蚀合金元素，及适量的ca和si形成硅钙化合物，硅钙比约为4：6，提高钢基体与腐蚀介质间界面的ph值达到10～14，提高耐蚀性能。(4)严格控制钢中杂质元素p、s等的含量，减少晶界偏析，防止晶间腐蚀和晶界脆化。(5)钢坯采用较高的加热温度促进nb元素的固溶，发挥其细晶强化作用，轧后采用较慢的冷却速度，避免大量马氏体组织的产生，保证钢的强韧性能。本发明的关键之处在于将成分优化调整与冶金质量控制有机地结合起来，在获得高强韧性能的同时，获得优异的耐海水腐蚀性能。
54.本发明的一种海洋岛礁混凝土工程用钙处理高耐蚀钢筋用钢的生产方法，包括以下步骤：
55.s1、铁水预处理；经预处理脱硫，脱硫目标值s≤0.005％。
56.s2、转炉冶炼；转炉终点c≤0.05％，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，加入铝饼，出钢结束后根据下渣量，向钢渣面均匀抛洒适量铝粒。
57.s3、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
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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、v、nb含量。
58.s4、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，则调整后保证15分钟以上的真空保持时间。破真空后进行喂钙线处理，ca含量控制在0.0015～0.0035％。
59.s5、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，获得无缺陷方坯。
60.s6、棒材轧机轧制：加热温度控制在1100～1200℃，出钢温度控制在950～1050℃，上冷床温度控制在880～930℃。
61.各实施例的炼钢工艺见表2
62.表2各实施例的炼钢工艺
[0063][0064][0065]
本发明各实施例的轧钢工艺见表3
[0066]
表3各实施例的轧钢工艺
[0067]
实施例加热温度(℃)出钢温度(℃)上冷床温度(℃)1110095088021200105093031150100090541180103092551130990890611401010900
[0068]
本发明各实施例生产所得的钢，其力学性能见表4。其中：r
el
为屈服强度；r
m
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)。
[0069]
表4实施例的力学性能
[0070]
实施例r
el
(mpa)r
m
(mpa)a(％)155572018255072517355572017454570516554071018654071019
[0071]
本发明各实施例生产所得的钢，其耐蚀性能见表5，其采用周浸腐蚀试验评价耐蚀性能。
[0072]
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。
[0073]
耐蚀钢筋的相对腐蚀率为13.95～19.96％，耐蚀性能是普通hrb400钢筋的5倍及以上。
[0074]
相对腐蚀率＝耐蚀钢筋的腐蚀率/对比钢筋(hrb400)的腐蚀率
×
100％。
[0075]
表5各实施例的耐蚀性能
[0076]