本發明屬于冶金領域，涉及500mpa級抗震鋼筋，具體涉及一種500mpa抗震鋼筋及生產工藝。

背景技術：

地震頻發使人們對民用以及橋梁、隧道等建筑的抗震安全性提出了更高的要求。鋼筋的強度級別越高，必保其抗震性，如強屈比、均勻延伸、低周疲勞的技術含量也越高。500mpa級鋼筋是我國目前最高等級的熱軋鋼筋，可以滿足高層、超高層建筑和大型框架結構等對高強度、大規格鋼筋的需求，同時又具有良好的塑性和抗震性能，用它取代hrb335鋼筋可以節約用量28％以上，取代hrb400可節約14％的用量。這不僅提高了鋼筋的抗震性及其它性能，滿足了中國乃至世界各國對于抗震結構材料強度的需求，同時節約了能源，減少了污染氣體和粉塵的排放，符合國際“低碳經濟”的要求。因此，500mpa抗震鋼筋具有良好的經濟效益和社會效益，有利于推動我國鋼鐵“減量化”，支撐建筑業的轉型升級。同時可緩解鋼鐵生產的資源、能源和環境制約，對我國鋼鐵工業實現由規模擴張向質量效益轉變具有十分重要的意義。

目前，我國高強度鋼筋主要采用微合金化、余熱處理、超細晶粒三種工藝生產，但這三種工藝均存在不同程度的缺點。微合金化工藝成本高，需要ti、nb、v等微合金化元素，生產成本大幅度提升；超細晶粒工藝存在焊接性差、強屈比低等問題，目前國內大多數棒材生產線還不能滿足超細晶鋼筋的生產條件，需要進行必要的設備改造才能勝任。余熱處理工藝存在焊接性能和施工適應性能低的問題，同時余熱處理工藝容易生成馬氏體組織，在修改后的國標中，不允許出現馬氏體回火組織。與我國類似同處地震多發地帶的其他國家多采用微合金化生產高強鋼筋，我國高強鋼筋如全面采用微合金化則會面臨巨大的合金資源及生產成本問題，這與當前我國建立節約型社會，走可持續發展道路相違背。

氧化物冶金是近年來比較熱門的研究方向，目前在金屬材料領域應用比較少，主要應用在改善大線能量焊接熱影響區、非調質鋼的強度和韌性，而利用氧化物冶金開發500mpa抗震還沒有應用。

技術實現要素：

針對我國目前全面采用微合金化工藝生產500mpa抗震鋼筋消耗ti、nb、v合金資源、成本較高等問題，本發明提供一種500mpa抗震鋼筋及生產工藝，解決在不加入上述貴金屬的基礎上依舊能夠提高鋼筋的強度和韌性的技術問題，進而降低成本。

為了解決上述技術問題，本申請采用如下技術方案予以實現：

一種500mpa級抗震鋼筋，所述的鋼筋中含有鈣基復合顆粒物，所述鈣基復合顆粒物，以質量百分數計，由以下元素組成：ca為10％～15％，si為12％～13％，al為2％～3％，mn為30％～35％，s為4％～5％，o為30％～35％，元素的重量百分數之和為100％。

具體的，所述的鋼筋中，尺寸為0.5～3μm的鈣基復合顆粒物的數量達到2600～2900個/mm²。

一種如上所述500mpa抗震鋼筋的生產方法，該方法具體包括以下步驟：將鋼筋的鋼水進行鋼水冶煉，在出鋼時往鋼包中先添加硅錳進行合金化，再添加硅鐵合金或鋁合金進行預脫氧，鋼水倒入中間包后，在結晶器中添加電石進行終脫氧，控制添加電石的量使得鋼筋的鋼水中的氧含量降到30～50ppm，產生鈣基復合顆粒物；然后在經過連鑄、鑄坯加熱、熱軋和冷卻，得到含有針狀鐵素體的鋼筋。

具體的，所述的預脫氧后鋼筋的鋼水中，以重量分數計，由以下元素組成：c為0.18～0.23％，si為0.40～0.80％，mn為1.20～1.60％，s為≤0.045％，p為≤0.045％，余量為fe，元素的重量百分數之和為100％。

具體的，所述的連鑄的具體過程為：將鋼筋的鋼水澆鑄成連鑄坯，連鑄坯規格為150mm×150mm的小方坯。

具體的，所述的鑄坯加熱的具體過程為：將連鑄坯加熱至1100℃左右，保溫15～20min。

具體的，所述的熱軋的具體過程為：采用tmcp工藝將連鑄坯軋制成φ25mm的鋼筋，一階段開軋溫度1050～1100℃，二階段開軋溫度1100℃，終軋溫度830±20℃。

具體的，所述的冷卻的具體過程為：采用水冷，在800～500℃,以5～15℃/s的速度冷卻，鋼中會析出大量的針狀鐵素體。

本發明與現有技術相比，有益效果是：

(ⅰ)本發明開發高強度抗震鋼筋500mpa抗震，以脫氧后生成有效的鈣基復合顆粒物為異質形核核心，促進晶內針狀鐵素體的形成來細化晶粒組織，達到提高鋼筋強度、抗震性能的目的。

本發明通過鋼水出鋼后往結晶器中添加一定量的電石再次脫氧，使鋼中生成大量彌散分布的cao等細小顆粒物，在控制冷卻速度的條件下，鈣基復合顆粒物作為異質形核核心促進晶內針狀鐵素體的形成，細化原始奧氏體晶粒，從而提高鋼筋的強度和韌性。

(ⅱ)本發明不需要添加ti、nb、v等貴重合金元素，極大地降低了生產成本，節約了金屬資源，實現可持續發展，且鋼筋的各項力學性能均達標。

(ⅲ)本發明可以改善鋼筋的焊接性能，由于氧化物夾雜能在原奧氏體晶內形核，產生大量的晶內針狀鐵素體，細化或分割奧氏體晶粒，即使奧氏體晶粒長大，依然可以獲得晶粒細小的顯微組織，晶內鐵素體能抑制焊接熱影響區的晶粒粗化，使焊接熱影響區的性能大幅度提升。

(ⅳ)本發明不需要進行任何設備上的更新改造，在正常的轉爐煉鋼生產工藝流程下即可完成，快捷簡便。

附圖說明

圖1-3分別是實施例1鋼筋的不同段的金相組織圖片。

圖4是對比例1氧含量較高的鋼筋金相組織圖片。

圖5是對比例2冷卻速度較高的鋼筋金相組織圖片。

圖6是對比例3冷卻速度較低的鋼筋金相組織圖片。

圖7(a)為實施例2鋼筋的金相組織圖片，圖中圈出的一處為鈣基復合顆粒物，(b)為(a)中圈出的鈣基復合顆粒物對應的結構譜圖。

以下結合附圖和實施例對本發明的具體內容作進一步詳細地說明。

具體實施方式

本發明出鋼后的鋼水采用電石對其進行再次脫氧，高溫下電石會和鋼水中的氧發生反應，生成大量的co，這在一定程度上又能促進大型顆粒物的脫出。電石在劇烈反應的同時會生成cao夾雜，由于離鋼水凝固時間較短且鋼水運動較為平緩，此時剛剛生成的cao夾雜聚集長大的可能相對較小，并且在co氣泡生成同時會呈彌散的狀態分布。大量彌散分布的細小cao夾雜作為異質形核核心，誘導晶內針狀鐵素體形成，細化或分割原奧氏體晶粒，使鋼材組織更加細化，強度和韌性大幅度提高。

合金化通常是指通過加入元素，使金屬成為在一定的工藝條件下具有預期性能的合金。為保證鋼的各種物理、化學性能，需向鋼中加入合金添加劑。合金添加劑既可以是純的材料(鎳、銅、鋁、石墨粉等)，也可以是鐵合金(錳鐵、硅鐵、釩鐵、鉻鐵等)，也可是合金元素的化合物(氧化物、碳化物、氮化物等)。

在鋼筋鑄造中，金屬基復合顆粒物，是指顆粒物的層間陽離子為此金屬，本發明在制備鋼筋的中間過程會形成先體物鈣基復合顆粒物，說明顆粒物的層間陽離子為ca。

針狀鐵素體是根據二維形態觀察得出，意為針狀的鐵素體。一般情況下針狀鐵素體在非金顆粒物處非均勻形核，然后從這個形核地點向許多不同的方向輻射生長。中間物體為顆粒物。

鋼筋完整的生產工藝為：初煉→lf→vd→連鑄→鋼坯清理→加熱→軋制→探傷→檢驗→判定入庫。本發明著重在初煉→lf→vd工藝部分：煉鋼、精煉：采用電爐熱裝鐵水工藝，調好鐵水和廢鋼比例，通電熔化、強化供氧脫碳，控制造渣過程，脫磷、去除鋼中的有害雜質，達到出鋼條件，出鋼時在鋼水中先添加硅錳進行合金化，再添加硅鐵合金或鋁合金進行預脫氧，確保c為0.18～0.23％，si為0.40～0.80％，mn為1.20～1.60％，s為≤0.045％，p為≤0.045％，余量為fe；進入lf精煉工位，吹氬攪拌，預脫氧和終脫氧，過程中出現兩次終脫氧，lf包含一個終脫氧步驟，結晶器中包含一個終脫氧步驟，其中，確保產生的先體物鈣基復合顆粒物ca10％～15％，si12％～13％，al2％～3％，mn30％～35％，s4％～5％，o30％～35％，元素的質量百分數之和為100％。最后再經連鑄→鋼坯清理→加熱→軋制→探傷→檢驗→判定入庫，結晶器在連鑄部分的順序：鋼包→中間包→結晶器→二冷區→出坯。

遵從上述技術方案，以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。下面結合實施例對本發明做進一步詳細說明。

實施例1：

本實施例給出一種hrb500抗震鋼筋，所述抗震鋼筋中含有鈣基復合顆粒物先體物，其中：鋼筋的鋼水中，以質量分數計，由以下元素組成：c為0.21％，si為0.58％，mn為1.34％，s為0.038％，p為0.022％，余量為fe，元素的量百分數之和為100％。

本實施例hrb500抗震鋼筋的生產工藝為：將鋼筋的鋼水進行鋼水冶煉，在出鋼時往鋼包中先添加硅錳進行合金化，再添加硅鐵合金或鋁合金進行預脫氧，鋼水倒入中間包后，在結晶器中添加電石進行終脫氧，控制添加電石的量使得鋼筋的鋼水中的氧含量降到32ppm，產生鈣基復合顆粒物；然后在經過連鑄、鑄坯加熱、熱軋和冷卻，得到含有針狀鐵素體的鋼筋。

連鑄的具體過程為：將鋼筋的鋼水澆鑄成連鑄坯，連鑄坯規格為150mm×150mm的小方坯。

鑄坯加熱的具體過程為：將連鑄坯加熱至1100℃左右，保溫15～20min。

熱軋的具體過程為：采用tmcp工藝將連鑄坯軋制成φ25mm的鋼筋，一階段開軋溫度1050～1100℃，二階段開軋溫度1100℃左右，終軋溫度830±20℃。

冷卻的具體過程為：采用水冷，在800～500℃，以5～15℃/s的速度冷卻，鋼中會析出大量的針狀鐵素體。

本實施例采用jeoljsm-6460lv掃描電鏡可觀察到鈣基復合顆粒物，經共振譜圖檢測，得到的鈣基復合顆粒物，以質量分數計，由以下元素組成：ca為14.9％，si為12.8％，al為2.6％，mn為30％，s為4.9％，o為34.8％。

本實施例金相掃描圖見圖1至圖3，圖1至圖3分別選取實施例1制備鋼筋的不同段。本實施例制備的鋼筋中，尺寸為0.5～3μm的鈣基復合顆粒物的數量達到2850個/mm²。下限屈服強度≥500mpa，碳當量為0.50～0.55％，具體的力學性能測試結果參見表1。

對比例1：

本對比例給出一種500mpa抗震鋼筋，生產工藝與實施例1相同，區別在于：鋼水倒入中間包后，在結晶器中添加電石進行終脫氧，控制添加電石的量使得鋼筋的鋼水中的氧含量降到80-90ppm。

并且本對比例中在鋼筋的鋼水中和實施例1一樣未加入ti、nb、v合金資源。本對比例的具體的力學性能測試結果參見表1。

本對比例的鋼筋的金相組織圖片如圖4所示，從圖4和圖1至圖3的對比可以看出：在氧含量較高時鋼中的組織為板條狀鐵素體與塊狀鐵素體，不能形成針狀鐵素體。

對比例2：

本對比例給出一種500mpa抗震鋼筋，其他方面與實施例1相同，區別僅僅在于本對比例的鋼筋在800～500℃水冷時冷卻速度不同：鋼筋在800～500℃水冷時冷卻速度控制在20℃/s。

并且本對比例中在鋼筋的鋼水中和實施例1一樣未加入ti、nb、v合金資源。本對比例的具體的力學性能測試結果參見表1。

本對比例的鋼筋的金相組織圖片如圖5所示，從圖5和圖1至圖3的對比可以看出：鋼筋在800～500℃水冷時冷卻速度較高時(20℃/s)會生成大量的貝氏體和馬氏體，幾乎沒有針狀鐵素體的生成。

對比例3：

本對比例給出一種500mpa抗震鋼筋，其他方面與實施例1相同，區別僅僅在于本對比例的鋼筋在800～500℃水冷時冷卻速度不同。

生產方法：本對比例的生產方法與實施例1其他方面均相同，區別僅僅在于：鋼筋在800～500℃水冷時冷卻速度控制在3℃/s。

并且本對比例中在鋼筋的鋼水中和實施例1一樣未加入ti、nb、v合金資源。本對比例的具體的力學性能測試結果參見表1。

本對比例的鋼筋的金相組織圖片如圖6所示，從圖6和圖1至圖3的對比可以看出：在鋼筋在800～500℃水冷時冷卻速度較低時(3℃)會生成板條狀鐵素體和多邊形鐵素體，幾乎沒有針狀鐵素體的生成。

實施例2：

本實施例給出一種500mpa抗震鋼筋，所述鋼筋中含有鈣基復合顆粒物。

其中：鋼筋的鋼水中，以質量分數計，由以下元素組成：c為0.22％，si為0.61％，mn為1.34％，s為0.036％，p為0.022％，余量為fe，元素的質量百分數之和為100％。

生產工藝：本實施例的生產方法與實施例1相同，區別僅僅在于：本實施例中，控制添加電石的量使得鋼筋的鋼水中的氧含量降到41ppm。

經檢測，鈣基復合顆粒物，以質量分數計，由以下元素組成：ca為14.8％，si為12.7％，al為2％，mn為32％，s為4.5％，o為34％。

本實施例制備的鋼筋中，尺寸為0.5～3μm的鈣基復合顆粒物的數量達到2880個/mm²。下限屈服強度≥500mpa，碳當量為0.50～0.55％，具體的力學性能測試結果參見表1。

實施例3：

本實施例給出一種500mpa抗震鋼筋，所述的鋼筋中含有鈣基復合顆粒物。其中：鋼筋的鋼水中，以質量分數計，由以下元素組成：c為0.23％，si為0.8％，mn為1.2％，s為0.045％，p為0.045％，余量為fe，元素的質量百分數之和為100％。

生產工藝：本實施例的生產方法與實施例1相同，區別僅僅在于：本實施例中，控制添加電石的量使得鋼筋的鋼水中的氧含量降到36ppm。

經檢測，鈣基復合顆粒物，以質量分數計，由以下元素組成：ca為15％，si為13％，al為3％，mn為35％，s為4％，o為30％。

本實施例制備的鋼筋中，尺寸為0.5～3μm的鈣基復合顆粒物的數量達到2600個/mm²。下限屈服強度≥500mpa，碳當量為0.50～0.55％，具體的力學性能測試結果參見表1。

實施例4：

本實施例給出一種500mpa抗震鋼筋，所述的鋼筋中含有鈣基復合顆粒物，其中：鋼筋的鋼水中，以質量分數計，由以下元素組成：c為0.18％，si為0.4％，mn為1.6％，s為0.030％，p為0.030％，余量為fe，元素的質量百分數之和為100％。

生產工藝：本實施例的生產方法與實施例1相同，區別僅僅在于：本實施例中，控制添加電石的量使得鋼筋的鋼水中的氧含量降到38ppm。

經檢測，鈣基復合顆粒物，以質量分數計，由以下元素組成：ca為10％，si為12％，al為3％，mn為35％，s為5％，o為35％。

本實施例制備的鋼筋中，尺寸為0.5～3μm的鈣基復合顆粒物的數量達到2900個/mm²。下限屈服強度≥500mpa，碳當量為0.50～0.55％，具體的力學性能測試結果參見表1。

表1鋼筋的力學性能測試結果

從表1中可以看出：本發明制備的抗震鋼筋，各項力學性能均達到國標gb50204-2002《混凝土結構工程施工質量驗收規范》要求，而三個對比例由于終脫氧后氧含量、冷卻速度等控制不同，最終得到的鋼筋屈服強度、抗拉強度等力學性能未達到國標要求。可見，使鋼中形成有效的鈣基復合顆粒物并誘導形成針狀鐵素體，除合理設計鋼筋的合金成分，在鋼筋冶煉過程中精確控制各合金元素及主功能合金的添加方式、添加順序和添加時機外，必須要控制終脫氧后合適的氧含量及水冷時的冷卻速度。