CN102703813B - 钒钛复合微合金化钢筋及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钒钛复合微合金化钢筋及其生产方法。该钢筋中钢的化学成分按重量计为：C：0.16～0.25％、Si：0.20～0.80％、Mn：1.20～1.50％、Ti：0.001～0.12％、V：0.001～0.10％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。上述钢筋的制备方法：a、冶炼粗钢液、出钢、脱氧、合金化；b、精炼和成分微调，使其满足钢筋成分要求后进行浇铸；c、热轧；其中，在出钢过程中且脱氧后、或在精炼过程中还进行钒和钛的合金化。本发明在不改变钢的延性的条件下提高钢的屈服强度和抗拉强度，满足400MPa或500MPa级钢筋的性能要求。
Description
技术领域
本发明属于钢铁冶金微合金化技术领域，具体涉及一种钢筋混凝土用热轧钒钛复合微合金化钢筋及其生产方法。
背景技术
目前，我国处于工业化和城镇化快速发展时期，建筑业向大型化发展的速度十分迅猛。建筑业向大型化发展，为提高大型建筑物的安全性，国内外建筑行业普遍采用高强度、高焊接性能的热轧带肋钢筋代替普通钢筋。另外，随着我国推广高强度钢筋使用政策的出台，以HRB335等335MPa级以下低强度钢筋将逐渐被淘汰，HRB400及其以上级别的热轧带肋钢筋将得到大力发展，新修订的国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》还将增加HRB600钢筋。
高强钢筋的生产工艺技术主要采取微合金化的措施，是钢铁冶金领域的一项高新技术，也是各钢厂目前生产500MPa及以上级别钢筋采用的主要技术路线。钢的微合金化主要使用V、Nb、V-N复合、V-Nb复合等对钢质的强化作用，使热轧状态下的钢筋即可获得高强度、高韧性、高焊接性等性能。但钒及其合金、铌及其合金生产成本较高，挤占了企业利润空间的同时还造成钒、铌资源的紧张，不利于400MPa级及以上高强度钢筋的生产和推广应用。
攀西地区蕴藏着丰富的钒钛资源，铁水经提钒后仍含有一定量的钒和钛，废钢废铁、渣钢渣铁中也含有一定量钒和钛。用钒对钢筋进行微合金碳氮化物析出强化已得到广泛应用，利用微钛处理细化钢筋的奥氏体晶粒也得到应用，但同时利用钒钛复合微合金化（即以Ti替代部分V），以含Ti第二相代替含V第二相增强钢筋还未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钒钛复合微合金化400MPa级及以上高强度钢筋及其生产方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：钒钛复合微合金化钢筋，钢的化学成分按重量计为：C：0.16～0.25％、Si：0.20～0.80％、Mn：1.20～1.50％、Ti：0.001～0.12％、V：0.001～0.10％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述钢筋中钢的化学成分按重量计为：C：0.22～0.25％、Si：0.50～0.80％、Mn：1.30～1.50％、Ti：0.05～0.12％、V：0.010～0.050％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述钢筋在轧制前，将轧制钢筋用钢坯加热至1100～1300℃再保温30～150分钟，之后进行轧制，到750～950℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
进一步的，将轧制钢筋用钢坯加热至1150～1250℃再保温55～125分钟，之后降温至1000～1050℃进行轧制，到800～860℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
其中，制备上述钢筋的合金化过程中，钛元素的加入采用钛硅铁合金，所述钛硅铁合金按重量计含有Ti：20～70％、Si：10～45％、Fe≤15％。
上述钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，包括如下步骤：
a、将炼钢原料冶炼成粗钢液，出钢，出钢过程中进行脱氧和合金化；
b、出钢后的钢液送入精炼炉进行精炼和成分微调，使其满足钢筋成分要求后进行浇铸，得到轧制钢筋用钢坯；
c、将轧制钢筋用钢坯加热至1100～1300℃再保温30～150分钟，之后进行轧制，到750～950℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋；
其中，在出钢过程中且脱氧后、或在精炼过程中进行钒和钛的合金化。
本发明所述的炼钢原料包括普通铁矿炼成的铁水，钒钛磁铁矿炼成的铁水和/或半钢，直接还原铁，化铁炉铁水，回收的废钢铁和／或渣钢铁。
所述废钢铁可以为钢铁厂产生的废钢或废铁，也可以是市面上有售的其他废钢或废铁。所述渣钢铁是指钢渣或高炉渣中选出的钢或铁。
其中，上述方法步骤c中，将轧制钢筋用钢坯加热至1150～1250℃再保温55～125分钟，之后降温至1000～1050℃进行轧制，到800～860℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
其中，上述方法合金化过程中，钛元素的加入采用钛铁、钛硅铁合金、金属钛或含钛包芯线中的至少一种。
进一步的，合金化过程中，钛元素的加入采用钛硅铁合金，所述钛硅铁合金按重量计含有Ti：20～70％、Si：10～45％、Fe≤15％。
其中，上述方法合金化过程中，钒元素的加入采用块状钒铁和／或含钒包芯线。
其中，上述方法步骤a中，将炼钢原料冶炼成温度为1600～1700℃的粗钢液，所述粗钢液按重量计含[C]≤0.30％、[P]≤0.045％、[S]≤0.10％。
[C]是指溶解在钢液中的C。同理，[P]、[S]分别指溶解在钢液中的P、S。
其中，上述方法步骤a中，将炼钢原料冶炼成粗钢液的设备是电炉、转炉、感应炉或平炉。
其中，上述方法步骤b中，所述精炼炉为LF、RH、VD或VOD炉。
本发明的有益效果是：本发明C含量选择在0.16～0.25％以得到典型的钢筋组织：铁素体+珠光体组织；Mn含量选择在1.20～1.50％，主要利用其降低相变温度、细化铁素体晶粒尺寸的效应和固溶强化效应；Si含量选择在0.20～0.80％，具有较高的固溶强化效果，同时能够促进含Ti和含V第二相的析出。本发明Ti的作用除了形成较大的Ti(CN)阻止形变奥氏体长大，还将在轧制和冷却过程中形成大量的纳米级含Ti第二相，与含V第二相一同析出起强化作用。本发明严格控制钢坯热轧前的保温时间和温度，以及终轧温度，利用钒钛复合微合金化（即以Ti替代部分V），以含Ti第二相代替含V第二相增强钢筋，并充分发挥Si促进含Ti和含V第二相的析出，在不改变钢的延展性的条件下提高钢的屈服强度和抗拉强度等机械性能，生产成本低，产品满足400MPa或500MPa级高强度钢筋的性能要求。
附图说明
图1为本发明实施例三制备得到的钢筋Ti、V复合析出透射电镜照片。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明。
钒钛复合微合金化钢筋，其特征在于钢的化学成分按重量计为：C：0.16～0.25％、Si：0.20～0.80％、Mn：1.20～1.50％、Ti：0.001～0.12％、V：0.001～0.10％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，为了使上述钢筋的机械性能更好，实现500MPa级高强度钢筋的性能要求，上述钢筋中钢的化学成分按重量计为：C：0.22～0.25％、Si：0.50～0.80％、Mn：1.30～1.50％、Ti：0.05～0.12％、V：0.010～0.050％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选的，为了使上述钢筋的机械性能更好，保证上述钢筋满足400MPa或500MPa级高强度钢筋的性能要求，应严格控制钢坯的保温时间和温度，以及终轧温度，因此，上述钢筋在轧制前，将轧制钢筋用钢坯加热至1100～1300℃再保温30～150分钟，之后进行轧制，到750～950℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
进一步的，将轧制钢筋用钢坯加热至1150～1250℃再保温55～125分钟，之后降温至1000～1050℃进行轧制，到800～860℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
发明人发现，虽然本发明中Si能同时促进含Ti和含V第二相的析出，但是要充分保证Ti在轧制和冷却过程中形成大量的纳米级含Ti第二相，与含V第二相一同析出起强化作用，从而提高钢筋的机械性能，那么需要在出钢过程中将a[o]（即氧活度）降到比较低的水平（大约在30ppm以下），因此在出钢过程中的脱氧成本较高。本发明为了充分保证Ti在浇铸、轧制和冷却过程中形成大量的纳米级含Ti第二相，又能满足成本要求，优选采用另一种方式减少氧与钛的结合，从而形成大量的纳米级含Ti第二相，即在制备上述钢筋的合金化过程中，钛元素的加入采用钛硅铁合金，所述钛硅铁合金按重量计含有Ti：20～70％、Si：10～45％、Fe≤15％。本发明采用钛硅铁合金，因其钛和硅的特殊结合，在合金化过程中减少了钛与氧的结合，从而降低了对脱氧的要求，提高了钛的收得率，也就降低了合金加入量，降低了成本。本发明所述钛硅铁合金包括块状或粉末状钛硅铁合金，也包括用粉末状钛硅铁合金制成的包芯线。
上述钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，包括如下步骤：
a、将炼钢原料冶炼成粗钢液，出钢，出钢过程中进行脱氧和合金化；
b、出钢后的钢液送入精炼炉进行精炼和成分微调，使其满足钢筋成分要求后进行浇铸，得到轧制钢筋用钢坯；
c、将轧制钢筋用钢坯加热至1100～1300℃再保温30～150分钟，之后进行轧制，到750～950℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋；
其中，在出钢过程中且脱氧后、或在精炼过程中进行钒和钛的合金化。
本发明严格控制钢坯加热的温度和保温时间，以及终轧的温度，目的是为了提高钢筋的机械性能，使其满足400MPa或500MPa级高强度钢筋的性能要求。
优选的，为了使钢筋的机械性能更好，上述方法步骤c中，将轧制钢筋用钢坯加热至1150～1250℃再保温55～125分钟，之后降温至1000～1050℃进行轧制，到800～860℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
优选的，上述方法合金化过程中，钛元素的加入采用钛铁、钛硅铁合金、金属钛或含钛包芯线中的至少一种。
进一步的，为了节约成本，合金化过程中，钛元素的加入采用钛硅铁合金，所述钛硅铁合金按重量计含有Ti：20～70％、Si：10～45％、Fe≤15％。
优选的，上述方法合金化过程中，钒元素的加入采用块状钒铁和／或含钒包芯线。
优选的，为了给后续工序提供必要的温度和成分条件，上述方法步骤a中，将炼钢原料冶炼成温度为1600～1700℃的粗钢液，所述粗钢液按重量计含[C]≤0.30％、[P]≤0.045％、[S]≤0.10％。
其中，上述方法步骤a中，将炼钢原料冶炼成粗钢液的设备是电炉、转炉、感应炉或平炉。
其中，上述方法步骤b中，所述精炼炉为LF、RH、VD或VOD炉。
下面通过实施例对本发明具体实施方式作进一步说明，但并不因此将本发明的保护范围限制在实施例之中。
实施例1
（1）以渣铁为原料生产HRB400钢筋，通过造渣、吹氧等措施经电炉冶炼成粗钢液，粗钢液含[C]0.13％、[P]0.019％、[S]0.070％、[N]67ppm、a[o]68ppm，温度1678℃，达到规定要求，然后出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钒和钛通过粒度为25mm的块体Ti-23wt%Si-26wt%Fe和V-25wt%Fe中间合金形式加入，脱氧合金化后的钢液送LF炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1200℃保温1小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1030℃，然后进行轧制，终轧温度820℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例2
（1）以渣钢为原料生产HRB400钢筋，通过造渣、吹氧等措施经电炉冶炼成粗钢液，成分含[C]0.17％、[P]0.020％、[S]0.080％、[N]63ppm、a[o]65ppm，温度达1685℃，达到规定要求，然后出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钛分别通过Ti-45wt%Si-10wt%Fe包芯线形式加入，钒含量为渣钢中残留量，脱氧合金化后的钢液送LF炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1230℃保温1小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1050℃，然后进行轧制，终轧温度850℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例3
（1）以渣钢和渣铁为原料生产HRB400钢筋，通过造渣、吹氧等措施经转炉冶炼成粗钢液，粗钢液含[C]0.16％、[P]0.016％、[S]0.073％、[N]60ppm、a[o]60ppm，温度1682℃，达到规定要求，然后出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钒和钛分别通过粒度为50mm的块体Ti-57wt%Si-15wt%Fe和V-25wt%Fe中间合金形式加入脱氧合金化后的钢液送RH炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1180℃保温2小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1000℃，然后进行轧制，终轧温度800℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例4
（1）以高炉铁水为原料生产HRB400钢筋，通过造渣、吹氧等措施经转炉冶炼成粗钢液，粗钢液含[C]0.12％、[P]0.022％、[S]0.093％、[N]65ppm、a[o]63ppm，温度1679℃，达到规定要求出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钒和钛分别通过Ti-35wt%Fe和V-25wt%Fe包芯线形式加入，脱氧合金化后的钢液送LF炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1200℃保温1小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1040℃，然后进行轧制，终轧温度850℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例5
（1）以渣铁为原料生产HRB500钢筋，通过造渣、吹氧等措施经电炉冶炼成粗钢液，成分和温度达到规定要求后出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钒和钛通过粒度为15mm的块体Ti-63wt%Si-10wt%Fe和V-25wt%Fe中间合金形式加入，脱氧合金化后的钢液送LF炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1230℃保温1小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1030℃，然后进行轧制，终轧温度830℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例6
（1）以渣钢为原料生产HRB500钢筋，通过造渣、吹氧等措施经电炉冶炼成粗钢液，粗钢液含[C]0.15％、[P]0.027％、[S]0.063％、[N]62ppm、a[o]55ppm，温度1681℃，然后出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钛分别通过Ti-35wt%Si-10wt%Fe包芯线形式加入，钒含量为渣钢中残留量，脱氧合金化后的钢液送LF炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1250℃保温1小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1050℃，然后进行轧制，终轧温度850℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例7
（1）以废钢和废铁为原料生产HRB500钢筋，通过造渣、吹氧等措施经转炉冶炼成粗钢液，粗钢液含[C]0.13％、[P]0.020％、[S]0.093％、[N]60ppm、a[o]65ppm，温度1685℃，然后出钢，出钢过程中进行脱氧合金化，钒和钛分别通过粒度为50mm的块体Ti-40wt%Si-20wt%Fe和V-25wt%Fe中间合金形式加入脱氧合金化后的钢液送RH炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1150℃保温2小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1020℃，然后进行轧制，终轧温度800℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
实施例8
（1）以高炉铁水为原料生产HRB500钢筋，通过造渣、吹氧等措施经转炉冶炼成粗钢液，粗钢液含[C]0.15％、[P]0.016％、[S]0.085％、[N]55ppm、a[o]63ppm，温度1678℃，出钢过程中进行脱氧合金化，钒和钛分别通过Ti-35wt%Fe和V-25wt%Fe包芯线形式加入，脱氧合金化后的钢液送LF炉精炼和成分微调，所得钢液送方坯连铸浇铸，成分如表1所示。
（2）将铸坯加热至1200℃保温1小时。
（3）将上述加热铸坯空冷或水冷至1030℃，然后进行轧制，终轧温度820℃。
（4）热轧钢筋空冷到室温。
制备得到的钢筋性能详见表2。
表1本发明实施例钢筋化学成分（按重量计，%）
表2本发明实施例的钢筋性能
| 实施例 | 钢筋规格/mm | 屈服强度/MPa | 抗拉强度/MPa | 均匀延伸率/％ | 延伸率/％ | 强屈比 |
| 1 | φ30 | 455 | 625 | 14.0 | 26.3 | 1.37 |
| 2 | φ20 | 440 | 630 | 14.8 | 25.4 | 1.43 |
| 3 | φ35 | 430 | 625 | 15.0 | 26.2 | 1.45 |
| 4 | φ30 | 445 | 640 | 14.5 | 26.0 | 1.44 |
| 5 | φ25 | 535 | 685 | 14.5 | 25.9 | 1.28 |
| 6 | φ30 | 555 | 710 | 14.6 | 25.8 | 1.28 |
| 7 | φ15 | 565 | 735 | 15.0 | 25.7 | 1.30 |
| 8 | φ35 | 575 | 740 | 14.5 | 27.3 | 1.29 |
本发明提供实施例三制备得到的钢筋Ti、V复合析出透射电镜照片，从照片可见，钢中析出了大量的20nm以下的(Ti,V)C第二相粒子，对钢筋起显著的强化作用。从实施例和照片可知，本发明利用钒钛复合微合金化（即以Ti替代部分V），以含Ti第二相代替含V第二相增强钢筋，并充分发挥Si促进含Ti和含V第二相的析出，在不改变钢的延展性的条件下提高钢的屈服强度和抗拉强度等机械性能，生产成本低，产品满足400MPa或500MPa级高强度钢筋的性能要求。
Claims (9)
1.钒钛复合微合金化钢筋，其特征在于钢的化学成分按重量计为：C：0.16～0.25％、Si：0.20～0.80％、Mn：1.20～1.50％、Ti：0.001～0.12％、V：0.001～0.10％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质；钢筋在轧制前，将轧制钢筋用钢坯加热至1150～1250℃再保温55～125分钟，之后降温至1000～1050℃进行轧制，到800～860℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋。
2.根据权利要求1所述的钒钛复合微合金化钢筋，其特征在于钢的化学成分按重量计为：C：0.22～0.25％、Si：0.50～0.80％、Mn：1.30～1.50％、Ti：0.05～0.12％、V：0.010～0.050％、N≤0.01％、S≤0.045％、P≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
a、将炼钢原料冶炼成粗钢液，出钢，出钢过程中进行脱氧和合金化；
b、出钢后的钢液送入精炼炉进行精炼和成分微调，使其满足钢筋成分要求后进行浇铸，得到轧制钢筋用钢坯；
c、将轧制钢筋用钢坯加热至1150～1250℃再保温55～125分钟，之后降温至1000～1050℃进行轧制，到800～860℃之间时结束轧制，轧制的钢筋空冷至室温，制得钒钛复合微合金化钢筋；
其中，在出钢过程中且脱氧后、或在精炼过程中进行钒和钛的合金化。
4.根据权利要求3所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于：合金化过程中，钛元素的加入采用钛铁、钛硅铁合金、金属钛或含钛包芯线中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于：合金化过程中，钛元素的加入采用钛硅铁合金，所述钛硅铁合金按重量计含有Ti：20～70％、Si：10～45％、Fe≤15％。
6.根据权利要求3所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于：合金化过程中，钒元素的加入采用块状钒铁和／或含钒包芯线。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于：步骤a中，将炼钢原料冶炼成温度为1600～1700℃的粗钢液，所述粗钢液按重量计含[C]≤0.30％、[P]≤0.045％、[S]≤0.10％。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于：步骤a中，将炼钢原料冶炼成粗钢液的设备是电炉、转炉、感应炉或平炉。
9.根据权利要求3至6中任一项所述的钒钛复合微合金化钢筋的制备方法，其特征在于：步骤b中，所述精炼炉为LF、RH、VD或VOD炉。
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