一种复合合金化630MPa高强度抗震钢筋及其制备方法与流程

本发明涉及高强度抗震钢筋制造，特别是一种复合合金化630mpa高强度抗震钢筋及其制备方法。

背景技术：

1、热轧带肋钢筋是钢筋混凝土建筑结构的主要增强材料，在结构中承载着拉、压应力和应变，钢筋再加工效应（焊接，机械连接、弯曲或调直）等各种载荷，应用广泛。随着高层、大跨度、抗震、耐低温、耐火建筑结构的出现，用户不仅要求钢筋具有较高的强度，而且还要求其具有较高的韧性及良好的焊接性能。

2、随着经济持续稳定发展，每年都需要生产和消费大量钢筋混凝土用热轧带肋钢筋，目前市场上主要以hrb400(e)为主，高强度钢筋hrb500(e)也在逐年增加。随着国家对节能环保工作的重视、国家提出了碳达峰、碳中和的要求，减少钢材消耗降低碳排放是当前钢铁行业工作的重点。630mpa级高强度抗震钢筋为目前国内已广泛应用的最高等级热轧钢筋，与当前钢筋混凝土用热轧带肋钢筋国家标准gb/t 1499.2-2018中最高级别600mpa级钢筋相比，其具有更高的强度保障；与400mpa级、500mpa级钢筋相比，采用630mpa级高强度钢筋可节约用钢量50％和20％，具有较好的经济性。630mpa级高强度钢筋适用于地震多发地带及沿海地带，可广泛用于各种建筑结构，特别是大型、重型、轻型薄壁和高层建筑结构。630mpa级高强度抗震钢筋的开发和应用还将推动高性能节能环保型新材料的推广和应用，大大改善当前建筑用产品品种结构，为企业实现碳达峰、碳中和提供有力支撑。

3、随着630mpa级高强度钢筋的不断开发，在原有的hrb500（e）、hrb600的基础上，大多数生产企业都能通过加入钒系合金实现合金强化使强度满足要求。但钒合金在我国属于紧缺资源，价格一直处于高位，且随着新国标的实施近年来大幅上涨。而我国钛资源丰富，生产工艺成熟，市场价格长期稳定，且其合金强化效果已在许多钢中得以验证，热轧带肋钢筋采用钛微合金化具备一定的基础。北科大包燕平等的论文《hrb400e热轧带肋钢筋钛微合金化研究》、南钢公司殷兵等的论文《以铌代钒生产ⅲ级螺纹钢性能研究》、中信金属股份郭爱民等的研究成果《铌微合金化热轧高强钢筋物理冶金及产业化应用》等，均提到了以铌或钛或铌钛复合的形式替代钒微合金化生产钢筋的实践及理论基础。虽然在替代降本上均有所成效，但均存在以下问题：

4、（1）铌加入后，由于铌、铝元素的存在使铸坯的脆性提高,在随后矫直过程中由于应力集中和在脆性温度区矫直会加剧裂纹的拓展,最终造成铸坯裂纹缺陷明显升高。

5、（2）采用用钛微合金化生产钢筋，一般只能到400mpa级，但要想再提高强度级别，加入的钛铁量必然增大，由于钛铁价格过高，且其强化作用并不呈直线趋势，达到一定量后对成本控制反而不利。

6、（3）含钛合金，如钛铁等均在出钢过程中或氩站投入式加入，收得率不佳且随过程参数波动严重，其最终成分不稳定，带来性能的不稳定。

7、因此，本项目以现有炼钢生产工艺设备条件为基础，通过适当的钒、铌、钛微合金化方法，既实现了发挥微合金化作用提高强度级别至630mpa的要求，又实现了替代部分钒降低成本的要求，并稳定可持续生产。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对目前现有的630mpa级钢筋生产成本较高，而现有的合金化工艺不能很好的达到降低生产成本和保证钢筋性能指标的目的，而提供一种复合合金化630mpa高强度抗震钢筋及其制备方法。

2、本发明的一种复合合金化630mpa高强度抗震钢筋，所述钢筋含有下述重量百分比含量的化学成分：c：0.23～0.28%；si：0.50～0.70%；mn：1.50～1.60%；nb：0.010～0.017%；v：0.135～0.145%；ti：0.007～0.018%；p≤0.030%；s≤0.030%；n：0.020～0.025%，cr≤0.055%，mo≤0.006%；ceq≤0.58%；余量为fe及不可避免杂质。

3、本发明制得的成品钢筋的直径为12-32mm，屈服强度≥645mpa，抗拉强度≥825mpa，强屈比≥1.25%，延伸率≥16%，最大力总延伸率≥9.5%。

4、本发明的一种复合合金化630mpa高强度抗震钢筋的生产方法，包括下述步骤：

5、（1）转炉冶炼：要求来料铁水s含量≤0.035%，温度≥1280℃，不需经过扒渣处理；采用130吨转炉进行铁水冶炼，采用双渣法冶炼，在钢水罐底置入4～5kg/t钢的活性石灰，终点温度范围1620～1650℃，控制终点c：0.05～0.09％；当出钢量达到1/3时加入钒氮合金、高碳锰铁、硅锰合金、铌铁等合金进行合金化，加入量以成品要求为准；出钢全程钢水罐底吹氮气，吹氮流量为400～500l/min，钢水氮含量≥180ppm；

6、（2）氩站处理：钢水到氩站后，继续以流量600～800l/min底吹氮气，同时向钢液表面加入硅铝钙合金脱氧，加入总量为80～100kg，脱氧过程达到2min以上，即可将钢水罐移至lf工序处理，氩站总处理时间为4～6min；

7、（3）lf炉精炼： 钢到lf工位后，立即向钢水罐中加入活性石灰8～10kg/t，送电加热调温，向渣面加入铝粒快速造白渣，全程底吹氮气搅拌，搅拌处理过程的氮气流量为300～400l/min，处理15～25min，温度控制在1560～1585℃，钢液溶解氧含量在10ppm以下时，通过喂线机向钢水罐喂入钛铁包芯线，喂线速度4～5m/min，喂入量2～3m/t钢，喂线后，采用底吹氮气流量200～300l/min软吹3min以上，之后将钢水罐吊运至连铸平台进行浇铸；

8、（4）连铸过程：连铸实行全保护浇注，即装备钢水罐长水口和结晶器浸入式水口，拉速根据中包钢水过热度控制在2.3～2.6m/min，二次冷却采用强冷模式，比水量为1.4～1.6l/kg，并开启电磁搅拌，获得铸坯；

9、（5）铸坯加热：铸坯热送至步进梁式加热炉进行加热，均热段温度为1180～1230℃，加热时间≥90min；

10、（6）轧制及冷却：开轧温度≥1060℃，终轧温度950～1020℃，轧制过程仅开启轧辊冷却水，出精轧机后采用弱水冷模式，保证上冷床温度≥920℃。

11、本发明所述钛铁包芯线的粉芯含有下述重量百分比含量的元素：ti：29～31%，al≤5.0%，si≤3.0%，余量为fe粉；所述钛铁包芯线的外皮材料含有下述重量百分比含量的元素：c≤0.09%，si≤0.03%，mn：0.38～0.45%，p≤0.02%，s≤0.02%，alt：0.02～0.06%，余量为fe；包芯线粉芯含量为300±5g/m。

12、以下详述本发明钢的化学成分和生产工艺设定理由。

13、1、化学成分（c、si、mn、p、s、v、nb、ti、n等）限定量的理由

14、考虑本发明钢筋主要是要保证屈服强度和强屈比。因此，炼钢时要严格控制钢水的纯净度。c、si、mn、v的设计成分保证了钢的强度、韧性，防止p、s含量对该钢韧性的影响。对p、s、提出要求，考虑到这几个元素对钢脆性影响较大，要严格限制其含量，减少钢的组织偏析倾向。

15、（1）合金元素对钢性能的影响

16、c是提高钢材强度最有效的元素，随着c含量的增加，钢中fe3c增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是增加钢中c含量，会提高钢的碳当量，不利于韧性和焊接性能。因此，本发明钢的c含量应控制在≤0.28%，具体控制在0.23～0.28%。

17、si具有固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂，硅在钢中还常以fe、mn的硅酸盐类夹杂物而存在，均会降低钢的各种性能，塑性比硫化物低。因此本发明钢的si含量限制在0.50～0.70%可满足要求。

18、mn是典型的奥氏体稳定化元素，显著提高钢的淬透性，并起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用，可显著推迟珠光体转变以及贝氏体转变。mn作为扩大γ相区的元素，会降低a3、a1临界点，但高的mn含量在推迟珠光体转变的同时，也推迟铁素体的析出，使“速度窗口”变小，贝氏体区右移，使钢对工艺条件的敏感性变大。mn含量太低易引起珠光体转变。在本发明c-mn-si系的双相钢中，mn含量为1.50～1.60%。

19、v作为形成碳化物和氮化物的强化元素，在钢中主要以碳化物、氮化物或碳氮化物以及固溶钒的形式存在，故钒钢的强韧化机理主要是靠细晶强化、沉淀强化和固溶强化来实现的。与nb相比，vn在钢中有很高的溶解度，因此螺纹钢普遍采用v/v-n微合金化技术。氮是含钒钢中一种十分有效的合金元素，通过廉价的氮元素，可显著提高钒钢的强化效果，达到节约钒合金，降低成本的目的。通过添加氮化合金增氮后，本发明中v含量控制在0.135～0.145%，以满足本发明钢的性能要求。

20、nb是显著提高奥氏体动态再结晶的元素，其碳氮化合物析出相钉扎位错，抑制加热、轧制过程奥氏体的回复，达到细化原始奥氏体晶粒的作用。nb的碳氮化合物的析出，起到析出强化的作用。通过晶界碳氮化物钉扎及固溶铌原子对晶界运动的拖曳作用抑制变形奥氏体在高温的再结晶，为实现未再结晶区轧制创造条件。但nb含量过多会造成第二相粒子尺寸增大，对焊接性能产生影响。因此，在本发明钢中，nb含量控制在0.010～0.017%范围内。

21、ti与钢中氮结合形成tin，在钢中的固溶度最小，较低的合适的氮含量和钛含量就可以从液相线开始析出tin细小颗粒，较大的tin颗粒成为奥氏体的形核核心，细化了初始奥氏体晶粒，较小的tin颗粒在奥氏体晶内散步或晶界附近聚集，在加热过程中和再结晶过程中阻止奥氏体晶粒的长大，这将细化钢筋的晶粒组织，起到细晶强化对强度提高和韧性增加的双重作用。钛属于易氧化元素，虽然经过氮化可以起到保护作用，但如果原材料、设备不能保证及操作不规范，对钛的回收率影响很大，所以如何保证钛含量稳定即钛的回收率稳定，成为钛微合金化工艺试生产或量产的关键，通过本发明生产工艺，本发明中ti含量为0.007～0.018%。

22、p是钢中有害元素，对钢板的机械性能，尤其低温冲击韧性、延伸率、焊接性及焊接接头sr性能具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，p含量需要控制在≤0.030％。

23、s 作为钢中有害夹杂对调质钢板的低温韧性具有很大的损害作用，更重要的是s在钢中与mn 结合，形成mns 夹杂物，在热轧过程中，mns 的可塑性使mns 沿轧向延伸，形成沿轧向mns 夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、均匀延伸率、z 向性能、焊接性，同时s 还是热轧过程中产生热脆性的主要元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，将s含量需要控制在≤0.030％。

24、n作为钢中气体元素，钢中n对韧性产生不利影响，但当钢中有足够的与其结合的微合金元素时，其可通过结合形成的化合物发挥强化作用。但过多的n易导致时效性增加，因此钢中n控制在0.020～0.025%。

25、cr、mo是钢中的残余元素，过多会影响钢筋的性能，因此，本发明中限定cr≤0.055%，mo≤0.006%。

26、2、生产工艺设定的理由

27、（1）炼钢工艺

28、通过控制来料铁水s含量达到低s的效果，减少扒渣工序降低成本提高生产节奏。经130t顶底复吹转炉冶炼控制出钢c含量并在出钢量达到1/3时加入合金，使合金有效溶于钢水中，采用挡渣板操作，避免渣层过厚。控制炉外精炼时间≥30min，以便尽可能脱硫和脱氧，避免s和o含量偏高，并通过吹氮方式促使钢液成分和温度均匀，因有足够的与氮结合的微合金元素，故增加氮含量。控制过热度6～15℃、拉速2.30～2.60m/min、二冷水比水量为1.4～1.6l/kg，并开启电磁搅拌，是为了减轻铸坯中心疏松和偏析，提高内部质量。

29、（2）轧钢工艺

30、本发明将铸坯加热出炉温度控制在一定范围内，目的是确保铸坯微合金充分溶解，同时确保相对较长的加热时间，使其充分奥氏体化和均匀化，减轻中心偏析等铸坯内部缺陷，控制奥氏体晶粒尺寸在适当范围内。控制粗轧开轧温度和轧后冷却方式及上冷床温度，目的是为了在完全奥氏体再结晶区进行轧制，充分发挥微合金的固溶强化作用，并得到较细的晶粒尺寸，发挥其细晶强化作用。

31、本项目以130吨复吹转炉冶炼—lf炉精炼—7机7流方坯铸机连铸的冶金工艺流程，生产630mpa级高强度钢筋为基础，进行钒铌钛复合微合金化工艺生产，并取得以下效果：

32、（1）在出钢过程中加入钒氮合金，实现钢水中钒达到0.135%以上，加入氮化硅铁同时采用转炉底吹氮工艺，确保氮含量达到180ppm以上；

33、（2）在出钢过程加入铌铁，在氩站底吹氮气快速混匀，实现部分增氮；同时在浇铸时实行全保护浇注，二次冷却采用强冷模式，控制合适的比水量，根据出钢温度调整合适的拉速，以确保冷却均匀，连铸坯角部裂纹和中间裂纹明显改善；

34、（3）在lf精炼炉处理后喂入钛铁包芯线，实现低成本钛微合金化，并实现较高稳定钛的收得率；

35、（4）根据铌钛微合金元素在不同加热温度下的溶解状态，确定了较高的加热温度和较长的加热时间，以确保微合金元素充分溶解，发挥固溶强化作用。

36、本发明相比现有技术，具有如下有益效果：

37、（1）按本发明技术方案生产的630mpa高强钢筋屈服强度≥645mpa，抗拉强度≥825mpa，强屈比≥1.25%，延伸率≥16%，最大力总延伸率≥9.5%，金相组织中主要为铁素体和珠光体，未出现马氏体、贝氏体，晶粒度达到10级，其它相关指标均达到企业标准和团体标准要求。

38、（2）本发明技术方案中加入铌、钛微合金后，630mpa高强钢筋强屈比明显改善，抗震性能更稳定，冶金过程可控，冶金质量稳定。

39、（3）本发明技术方案在连铸过程中形成中包温度和连铸速度匹配表，严格按照温度与拉速表生产，坚持高温慢拉，低温快拉的原则；通过调整降低二次冷却效果，二冷水比水量下调0.1l/kg，下调压缩空气水量下调0.02mpa，低倍中间裂纹明显减少，有效克制含nb钢的鼓肚、脱方现象，铸坯低倍基本无角裂。

40、（4）在保证钛铁包芯线中的ti以tin的化合物形式存在前提下，优化喂线工艺，稳固喂丝机导管，减少喂线过程抖动，调整合适距钢包液面高度，确保喂线工艺稳定；提高保护浇注效果，减少转炉氩后到中包钛的损失；通过以上措施，中包ti平均回收率在50%以上，可满足生产工艺要求。