一种Cr-Ni系钢筋及其生产工艺的制作方法

一种cr-ni系钢筋及其生产工艺
技术领域
1.本发明涉及冶金领域或者高强度钢筋领域，特别涉及一种cr-ni系钢筋及其生产工艺。


背景技术：

2.港口设施建造是沿海基础工程建设核心，其中，钢筋的耐蚀性需满足港口设施使用的可靠性和安全性，同时还需要考虑耐蚀低合金钢筋的经济制造成本。热带环境沿海地区为高湿热、高氯离子浓度环境，港口设施在该大气环境下长期暴晒。此外，还需考虑钢筋在雨季时面临的干湿交替环境。热带海洋大气环境严重影响了钢筋混凝土结构服役的安全性和可靠性。
3.目前，解决海洋工程中混凝土钢筋安全性和可靠性的方法非常多，主要包括改善钢筋的合金成分和涂覆防腐涂层，其中，涂覆防腐涂层的成本非常高昂，使其应用受到一定限制。在实际应用中，同时采用钢筋和防腐涂层可以有效提高海洋工程中混凝土环境钢筋的寿命，钢筋的安全性和可靠性与涂层的保护性能往往可以互相促进。改善钢筋的合金成分可以改善钢的组织与结构，显著提高钢筋的安全性和可靠性，而且有利于控制钢筋的制造成本，而且也有助于延长钢筋表面防护涂层的寿命。例如：向钢筋中加入cr、ni、cu、mo等元素。如一种不锈钢钢筋，其与316l不锈钢相似，具有很强的抗氯离子锈蚀能力。该钢筋中的cr含量为2.0～8.0％、mo含量为1.50～2.50％，两种合金元素成本较高，且316l钢筋焊接性能很差，不适用于大批量的建筑工地现场焊接使用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种cr-ni系钢筋及其生产工艺，通过控制 cr、ni、cu、mo各元素含量，加入稀土元素，冶炼出来的钢坯进行轧制，得到了满足高等级钢筋，同时降低了生产成本。
5.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
6.一种cr-ni系钢筋，所述高等级钢筋的化学成分占比为：
7.c：0.20-0.25％、mn：0.75-0.79％、si：0.76-0.80％、v：0.06-0.09％、p≤0.008％、s≤0.003％、 cr：1.1-1.2％，ni：0.61-0.68％，其余为fe和不可避免的杂质。
8.进一步，所述高等级钢筋的化学成分还包括cu和mo，(mo ni cu)≤1.1％。
9.进一步，所述高等级钢筋中的cu占比为：0.25～0.3％；所述高等级钢筋中的mo占比为： 0.15～0.2％。
10.进一步，所述高等级钢筋的碳当量ceq＝0.64～0.7％。
11.进一步，所述高等级钢筋的化学成分还包括稀土元素ce，所述高等级钢筋中的ce占比为：0.0055～0.0065％。
12.一种cr-ni系钢筋的生产工艺，包括如下步骤：
13.通过精炼炉进行精炼，待埋弧稳定后加入石灰0-200kg、萤石0-120kg，使炉渣具有
良好的流动性，前期加入电石0-60kg，碳化硅0-60kg，进行扩散脱氧，脱氧剂少量多批次加入，白渣保持时间≥3分钟，获得精炼钢水；
14.通过连铸机和轧机对所述精炼钢水进行轧制，获得精轧钢坯；
15.所述轧机上采用控轧控冷工艺，将精轧钢坯加热至1050～1250℃，保温1～2h，开轧温度为900～1000℃，终轧温度为850～900℃，上冷床温度控制在800以下。
16.进一步，所述精轧钢坯通过冷床进行冷却，所述冷床温度控制在555-575℃之间，使精轧钢坯芯部未转换的奥氏体进行半等温相变，用于提供淬透性。
17.进一步，所述精轧钢坯穿水的温度不超过830℃。
18.进一步，轧钢的加热炉加热温度控制在1130～1200℃，保证v元素充分溶解发挥应有的析出强化作用外，控制钢坯加热在炉时间1.5小时，用于控制原始奥氏体晶粒度，严防明显的脱碳现象造成钢坯强度偏低的现象。
19.本发明的有益效果在于：
20.1.本发明所述的cr-ni系钢筋，综合利用各元素对腐蚀的作用机制与强韧化效果，在普通轧机上采用控轧控冷技术，生产出cr-ni系钢筋。
21.2.本发明所述的cr-ni系钢筋，通过添加少量cr、ni、cu、mo及微量稀土元素ce、v 合金化，生产成本低，节约资源，并且所生产的钢筋在满足耐腐要求的同时还具有较高的塑性与优异的焊接性，不仅可以降低建筑成本，还可大大提高建筑结构的使用寿命，减少维护费用。
22.3.本发明所述的cr-ni系钢筋，通过窄成分范围控制，有效保证钢材性能的稳定性和均匀性。
附图说明
23.图1为本发明实施例1所述的cr-ni系钢筋的金相图。
具体实施方式
24.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
25.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
26.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.本发明所述的cr-ni系钢筋，所述高等级钢筋的化学成分占比为：
29.c：0.20-0.25％、mn：0.75-0.79％、si：0.76-0.80％、v：0.06-0.09％、p≤0.008％、s≤0.003％、 cr：1.1-1.2％，ni：0.61-0.68％，(mo ni cu)≤1.1％，其余为fe和不可避免的杂质。所述高等级钢筋的碳当量ceq＝0.64～0.7％。
30.本发明为了保证在海洋腐蚀环境下具有优异的可靠性和安全性，以及高强度、优异的塑性与焊接性能，在现有低碳钢的钢筋内添加少量的cr、ni、cu、mo改善其在海洋工程中的可靠性和安全性，并添加微量的稀土、v合金元素来改善其强塑性能。其中各合金元素的作用及含量设计的基本原理如下：
31.c：碳是钢中非常重要的强化元素，在钢中形成固溶体提高钢的强度，含碳量越高，钢的强度和硬度越高，因此c含量不宜过低；但含量过高钢的塑性、韧性、耐腐蚀性与焊接性能会随之降低。对于含铬的耐腐蚀钢，由于c与cr亲和力很强，过高的c含量会降低固溶体中cr的含量，从而显著削弱cr的表面钝化作用，降低钢的耐蚀性能，但c含量过低影响焊接性能，所以c含量宜控制在0.20～0.25％范围之内。
32.si：硅元素在钢中主要是脱氧及强化元素，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，同时si过高对塑性不利；当钢中硅含量过低时，脱氧不完全，钢中含氧量过高，并且钢的强化效果明显减弱。所以本发明将si含量控制在0.76-0.80％范围之内。
33.mn：锰是钢中主要强化元素，同时锰可以与硫生成硫化锰，抑制硫的危害作用；mn在钢中与cu协同作用改善钢在腐蚀后期的锈层，从而减缓钢的腐蚀。但锰具有较高的偏析倾向与淬透性，所以其含量不能太高。因此本发明将mn含量控制在0.75-0.79％范围之内。
34.cr：铬在钢中是提高耐蚀性的重要元素，可以在钢的表面会生成致密的氧化膜，从而抑制钢的进一步腐蚀；但是过高的cr会增加钢的淬透性，从而降低钢的塑性与焊接性，同时增加钢的生产成本，因此将cr含量控制在1.1-1.2％范围以内。
35.ni：镍元素具有一定的耐蚀能力，钢中加入镍元素不仅可以使钢的自腐蚀电位向正方向移动，从而提高钢的耐蚀性；所以ni含量宜控制在0.61-0.68％。
36.cu：铜在钢中是提高耐蚀性的重要元素，同时mn与cu的协同作用显著改善钢筋的腐蚀性能；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。所以本发明cu含量宜控制在0.25～0.3％以内。
37.mo：钼元素可以推迟钢中先共析铁素体转变，促进针状铁素体和贝氏体的形成，提高钢的强韧性，钼元素还可以细化钢的晶粒，对铁素体有固溶强化作用；mo在400-600℃之间缓冷时会与c形成细小的碳化物，从而阻碍c与cr的结合，提高cr的钝化效果，降低钢的点蚀倾向；但是mo属于贵金属元素，所以本发明将mo含量控制在0.15～0.20％以内。
38.v：钒能够在钢筋轧制后析出碳氮化钒化合物，阻止铁素体晶粒长大，具有较强的析出强化和细晶强化作用，可以显著提高钢的强度。但是v属于贵金属元素，所以本发明将v含量控制在0.06-0.09％以内。
39.p：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，同时低温力学性能较差。所以本发明将p含量控制在≤0.008％。
40.s：硫在钢中生成fes时，容易引起钢的热脆现象，在轧制过程中导致裂纹的产生，同时钢中mns夹杂还会成为腐蚀的起源，严重降低钢材耐蚀性能，所以本发明s重量百分含量控制在≤0.003％。
41.稀土元素ce：通过在钢中生成硫化物、且该硫化物成为mns的析出核而促进mns的生成的元素，改善钢的切削性。添加稀土元素ce以降低钢中有害元素含量，并通过弥散强化作用进一步提高钢的强度和韧性，通过可以使钢的自腐蚀电位向正方向移动。所以本发明稀土元素ce含量控制在0.0055～0.0065％以内。
42.本发明所述的cr-ni系钢筋的生产工艺，包括如下步骤：
43.步骤10：利用冶炼方法得到的粗炼钢水。
44.步骤20：将所述粗炼钢水通过精炼炉进行精炼，待埋弧稳定后加入石灰0-200kg、萤石 0-120kg，使炉渣具有良好的流动性，前期加入电石0-60kg，碳化硅0-60kg，进行扩散脱氧，脱氧剂少量多批次加入，白渣保持时间≥3分钟，获得精炼钢水。
45.步骤30：通过连铸机对所述精炼钢水进行轧制，获得连铸钢坯。
46.步骤40：将所述连铸钢坯输送至加热炉进行加热后，进入机架粗轧机组进行粗轧操作，获得粗轧钢坯。所述粗轧操作的温度为大于900℃
47.所述将所述连铸钢坯输送至加热炉进行加热之前，包括：对所述连铸钢坯进行检验；将检验合格的所述连铸钢坯，通过传送辊道输送至所述加热炉进行加热，所述加热炉加热温度控制在1130～1210℃，保证v元素充分溶解发挥应有的析出强化作用外，控制钢坯加热在炉时间1.5小时，用于控制原始奥氏体晶粒度，严防明显的脱碳现象造成钢坯强度偏低的现象。
48.步骤50：所述轧机上采用控轧控冷工艺，将连铸钢坯加热至1050～1250℃，保温1～2h，开轧温度为900～1000℃，终轧温度为850～900℃。为保证v元素充分溶解发挥应有的析出强化作用，轧钢的加热炉加热温度控制在1130～1200℃，控制钢坯加热在炉时间1.5小时，用于保证v元素充分溶解发挥应有的析出强化作用，同时控制原始奥氏体晶粒度，严防明显的脱碳现象造成钢坯强度偏低的现象。
49.步骤60：对精轧钢坯进行淬火自回火处理，具体为：精轧钢坯通过穿水使表面快速水冷，用于精轧钢坯表面形成冷硬层，通过精轧钢坯表面冷却速度高于形成马氏体速度，用于获得粗大马氏体；所述精轧钢坯穿水的温度不超过830℃。利用精轧钢坯芯部的温度对精轧钢坯淬火表面的马氏体自回火，通过自回火形成的回火马氏体增加钢材的强度和韧性。
50.步骤70：所述精轧钢坯通过冷床进行冷却，所述冷床温度控制在555-575℃之间，使精轧钢坯芯部未转换的奥氏体进行半等温相变，用于提供淬透性。
51.在淬火阶段，当精轧钢坯离开轧机时，通过剧烈水冷在钢筋表面形成冷硬层，冷却速度高于形成马氏体速度，以获得粗大马氏体；在回火阶段，热量从温度仍很高的钢筋芯部传到已淬火的表面，使得之前得到的马氏体自回火，利用自回火形成的回火马氏体增加钢材的强度和韧性；钢筋上冷床后，温度控制在555-575℃之间，钢筋芯部未转换的奥氏体进行半等温相变，合金元素因轧制温度高而均匀地固溶于奥氏体中使淬透性提高。在工艺布置方面，克服了传统工艺的缺点，在各机组间均有控温段设置，不需回复段设置，可以综合
利用各种控制机制和满足不同规格和成分控轧需要。
52.实施例1的cr-ni系钢筋：钢的化学成分(质量百分比)c：0.20％，si：0.76％，mn：0.76％， cr：1.10％，ni：0.65％，cu：0.25％，mo：0.15％，v：0.07％，nb：0.04％，p：0.008％， s：0.003％，ce：0.0055％，余量为铁和不可避免的杂质。
53.实施例2的cr-ni系钢筋：钢的化学成分(质量百分比)c：0.23％，si：0.78％，mn：0.79％， cr：1.15％，ni：0.68％，cu：0.26％，mo：0.15％，v：0.06％，nb：0.03％，p：0.005％，s：0.003％，ce：0.0058％，余量为铁和不可避免的杂质。
54.实施例3的cr-ni系钢筋：钢的化学成分(质量百分比)c：0.25％，si：0.80％，mn：0.75％， cr：1.18％，ni：0.62％，cu：0.28％，mo：0.2％，v：0.09％，nb：0.02％，p：0.005％， s：0.008％，ce：0.0060％，余量为铁和不可避免的杂质。
55.实施例4的cr-ni系钢筋：钢的化学成分(质量百分比)c：0.22％，si：0.77％，mn：0.76％， cr：1.2％，ni：0.61％，cu：0.30％，mo：0.18％，v：0.08％，nb：0.02％，p：0.025％， s：0.008％，ce：0.0065％，余量为铁和不可避免的杂质。
56.按照yb/t4367-2014钢筋在氯离子环境中腐蚀试验方法执行，根据gb/t1266选用氯化钠化学试剂。试验溶液为3.5％的nacl溶液，实验设备为杰瑞尔周期浸润腐蚀试验箱，溶液温度为35
±
2℃，干燥温度为45
±
2℃，箱内湿度为70％
±
10％rh。每一循环周期为60
±
5min，其中浸润时间12
±
2min，暴露时间48
±
2min。试样为圆柱形，每组平行试样不少于5个。试验延续时间为72h，根据试样的腐蚀率进行耐腐蚀性评价，本发明实施例1-4与对比钢筋的腐蚀结果如表1所示。
57.表1本发明实施例1-4与对比钢筋的腐蚀失重率与相对腐蚀速率
58.序号规格腐蚀失重率，g/m2·
h相对腐蚀速率实施例1252.950.77实施例2253.050.79实施例3252.930.76实施例4252.810.73现有耐腐钢筋253.821
59.由表1的钢筋的腐蚀失重率与相对腐蚀速率可以看出，本发明的4个实施例相对现有技术的耐腐钢筋腐蚀失重率均有所下降，而相对腐蚀速率可以看出对比现有技术的耐腐钢筋，本发明的钢筋的腐蚀速度变慢。
60.应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
61.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。