本發明屬于高強耐蝕鋼及其生產工藝技術領域，尤其涉及一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋及其生產方法。

背景技術：

目前，大量的鋼筋混凝土結構應用于以氯鹽為主要介質的腐蝕環境，如沿海、鹽湖、鹽堿地等自然氯鹽腐蝕環境以及撒化冰鹽的道路、橋梁等人為氯鹽腐蝕環境，由于氯離子cl^-能滲透到混凝土內部，破壞鋼筋表面鈍化膜，導致鋼筋腐蝕并引起混凝土順筋開裂，降低鋼筋混凝土結構的使用壽命。

為了減緩鋼筋銹蝕、延長鋼筋混凝土結構壽命，目前一般采用以下幾種防腐措施：(1)增加混凝土保護層厚度；(2)在混凝土中添加鋼筋阻銹劑；(3)采用涂層鋼筋，如非金屬涂層的環氧樹脂鋼筋和金屬涂層的熱浸鍍鋅鋼筋；(4)鋼筋陰極保護；(5)使用不銹鋼鋼筋。

但在實際應用中存在一些問題：(1)增加混凝土保護層厚度將增加建筑的重量及結構的承重，建筑成本進一步增加；(2)拌制混凝土時摻加鋼筋阻銹劑會降低混凝土強度；(3)環氧樹脂涂層在5年后會老化、失去保護效果，且在運輸與施工過程中容易破壞涂層，破壞部位反而加劇局部腐蝕；表面的鍍鋅涂層在使用一段時間后也會被腐蝕掉，而且在高cl^-濃度條件下，鍍鋅鋼筋容易分層，加速鋼筋腐蝕；(4)陰極保護只能保護陽極附近較小范圍內的鋼筋,且存在陽極壽命不穩定的問題；(5)不銹鋼鋼筋添加了大量的合金元素cr、ni，含cr量一般不低于12％，cr+ni總含量在20％左右，生產成本高而難以大量推廣應用。

近年來，為了提高鋼筋混凝土用熱軋鋼筋母材本身的耐蝕性能，國內外采用添加耐蝕元素cr、ni、cu等生產耐蝕鋼筋。中國專利申請號201310496370.4“低成本高性能耐腐蝕鋼筋及其制造方法”，公開日是2014年2月5日，公開的鋼筋成分：0.06～0.10wt％c、3～8wt％cr、0.5～1％wtcu、0.5～1.5wt％mn、0.01～0.02wt％n、≤0.03wt％p、≤0.035wt％s、0.2～0.5wt％si，其余為fe及不可避免的雜質。中國專利申請號201410047813.6“一種具有高耐腐蝕性的高強鋼筋及其制備方法”，公開日2014年5月14日，公開的鋼筋成分：0.005-0.050％c、0.36-0.60％si，0.3-0.6％mn、p≤0.03％、s≤0.01％、7.0-9.0％cr、1.5-4.0％ni、≤2.0％al、≤1.0％cu、＜0.5％mo、≤0.05％ti，余量為fe。上述鋼筋雖具有一定的耐蝕性能，但cr、ni元素的含量仍較高，造成企業生產成本較高以及合金資源的消耗。中國專利申請號201410362103.2“一種耐海洋氣候腐蝕鋼筋”，公開日2014年10月22日，公開的鋼筋成分：c：0.2～0.25％、si：0.35～0.55％，mn：1.0～1.35％、p：0.01％～0.04％、s：0.005％～0.03％、cu：0.05～0.30％、ni：0.04～0.25％、cr：0.05～0.3％，余為fe。及不可避免的雜質：滿足ceq不超過0.54％。由于含碳量較高，該鋼筋的耐蝕性能不足，與對比鋼相比，耐蝕能力的提高不到1倍。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋，通過向鋼筋母材中少量添加cr、ni以及稀土re等耐蝕合金元素，生產成本低，適合大量推廣應用。

本發明還提供了一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋的生產方法，采用熱機軋制tmcp工藝，在鋼筋表面形成致密的內銹層以及細晶組織，能有效阻止cl^-對鋼筋基體的侵蝕，達到提高鋼筋母材的耐cl^-腐蝕能力以及綜合力學性能，生產工藝穩定、可靠。

本發明提供的一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋，含有以下重量百分比的元素：

0.05-0.15％c，0.40-0.60％si，0.80-1.40％mn，≤0.045％p，≤0.010％s，0.50-0.90％cr，0.26-0.40％ni，0.020-0.035％re，≤0.40％cu，0.01-0.05％v，其余為fe和不可避免的雜質元素。

本發明中合金元素的作用如下：

cr可以在鋼表面內銹層和鋼基體之間形成一層致密完整的氧化膜，可以細化銹層中α-feooh的晶粒，能有效抑制腐蝕性陰離子、特別是cl^-離子的侵入。

cu是耐候鋼中提高耐腐蝕性能的主要元素。無論是海洋大氣環境、工業大氣環境還是其他的大氣環境，加入cu元素的鋼種都具有比普通的碳素鋼更優越的耐腐蝕性能。cu含量為0.1％～0.2％可使腐蝕速度顯著減小，含量增加到0.25％可使鋼的耐海洋大氣腐蝕能力提高一倍多，但超過0.5％的cu對鋼耐蝕性能的提高影響不顯著，且鋼的冶煉困難。

ni含量在一定范圍內時，可以降低耐候鋼的自腐蝕電位，使耐候鋼的自腐蝕電位正移，增加穩定性。同時，ni元素容易積聚在銹層中，可以在一定程度上抵御cl^-的侵蝕，促進保護性銹層的生成，從而降低鋼的腐蝕速度。

稀土re具有良好耐蝕性能，re凈化了鋼水質量，使鋼水中o、s含量大大降低，減少了鋼中夾雜總量；re可將鋼水中腐蝕速率大的夾雜(如mns)變性為腐蝕速率小的稀土夾雜，降低鋼基體內部微區域電化學腐蝕，并能球化mns，提高銹層與鋼基體的釘扎作用。

mn能提高鋼的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，但mn含量增高會降低鋼的抗腐蝕能力。

c是鋼中廉價的強化元素，能顯著提高鋼的強度，但含量高時會降低鋼的焊接性能、耐蝕性能等。本發明控制c含量0.05-0.15％。

本發明提供的一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋的生產方法，采用常規方法冶煉，其中，在lf爐精煉時把鋼中的s降至0.010％以下；

進一步的，連鑄結晶器喂稀土絲并澆注成的140或150小方坯；

進一步的，棒材軋機上采用tmcp工藝軋制。

進一步的，采用tmcp工藝軋制，出鋼溫度控制在950～1000℃；

進一步的，采用tmcp工藝軋制，開軋溫度控制在900～950℃；

進一步的，采用tmcp工藝軋制，進精軋機溫度控制在≤880℃；

進一步的，本發明采用tmcp工藝軋制，其粗軋機組和中軋機組采用常規軋制，中軋機組后設置冷卻段和回復段；

進一步的，冷卻段使軋件溫度降到未再結晶溫度范圍之內；

進一步的，回復段保證進入精軋機前2-10s均溫過程。

本發明的生產方法在轉爐、電爐或其它冶煉爐中按常規冶煉工藝初煉，按常規操作方式向鋼水中添加cr、ni、cu等配方中的耐蝕合金元素。在lf爐中按常規冶煉工藝精煉，把鋼中的s降至0.010％以下。連鑄結晶器喂稀土絲并澆注成的140或150小方坯，目前在國內大多鋼筋生產廠均可實現，不需改造成165或以上的方坯。棒材軋機上采用tmcp工藝軋制，工藝控制如上所述，冷床自然冷卻，堆垛自然冷卻。

采用tmcp工藝，在未再結晶區(≤880℃)精軋，可以提高形核率，有利于組織細化，從而提高耐蝕性能及綜合力學性能。

與現有技術相比，本發明采用資源節約型的成分設計，采用轉爐、電爐或其它冶煉爐初煉、lf爐精煉以及在普通棒材軋機上采用tmcp熱機軋制，生產出高強耐cl^-腐蝕鋼筋，鋼筋力學性能滿足gb1499.2-2007要求，其屈服強度rel≥400mpa，抗拉強度rm≥540mpa，斷后伸長率a≥16％，耐cl^-腐蝕能力是hrb400普通鋼筋的2倍及以上。本發明鋼筋配方中少量添加cr、ni以及稀土re等耐蝕合金元素，生產成本低、生產工藝簡單，使用本發明耐氯離子腐蝕高強鋼筋可大大提高建筑結構的使用壽命，減少建筑結構的維護費用，降低建筑成本，具有良好的市場前景。

附圖說明

圖1為實施例1的金相組織和晶粒度×100；

圖2為實施例2的金相組織和晶粒度×100；

圖3為實施例3的金相組織和晶粒度×100；

圖4為海洋大氣掛片1年，清洗后本發明耐蝕鋼筋試樣表面；

圖5為海洋大氣掛片1年，清洗后hrb400普通鋼筋試樣表面；

圖6為海洋大氣掛片1年hrb400試樣的電鏡掃描銹層照片；

圖7為海洋大氣掛片1年本發明耐蝕鋼筋試樣的電鏡掃描銹層照片。

具體實施方式

實施例1

一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋，含有以下重量百分比的元素：(爐號1539)

0.08％c，0.51％si，1.13％mn，0.015％p，0.005％s，0.79％cr，0.27％ni，0.034％re，0.24％cu，0.039％v，其余為fe和不可避免的雜質元素，ceq0.47％。

實施例2

一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋，含有以下重量百分比的元素：(爐號1540)

0.06％c，0.55％si，1.35％mn，0.019p，0.008％s，0.85％cr，0.35％ni，0.021％re，0.25％cu，0.045％v，其余為fe和不可避免的雜質元素，ceq0.51％。

實施例3

一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋，含有以下重量百分比的元素：(爐號1541)

0.15％c，0.45％si，0.89％mn，0.035p，0.006％s，0.65％cr，0.26％ni，0.023％re，0.25％cu，0.025％v，其余為fe和不可避免的雜質元素，ceq0.47％。

碳當量ceq＝c+mn/6+(cr+v+mo)/5+(cu+ni)/15。

實施例4

一種混凝土用400mpa級耐氯離子腐蝕高強鋼筋的生產方法，采用頂底復吹轉爐初煉、lf爐精煉、150連鑄方坯，在連續棒材軋機上軋制，規格φ20mm。

具體的，鋼種在轉爐、電爐或其它冶煉爐中按常規冶煉工藝初煉，按常規操作方式向鋼水中添加cr、ni、cu等幾種已知的耐蝕合金元素。在lf爐中按常規冶煉工藝精煉，把鋼中的s降至0.010％以下。連鑄結晶器喂稀土絲并澆注成的140或150小方坯，目前在國內大多鋼筋生產廠均可實現，不需改造成165或以上的方坯。棒材軋機上采用tmcp工藝軋制，冷床自然冷卻，堆垛自然冷卻。

其中tmcp熱機軋制工藝控制點如下：

(1)出鋼溫度控制在950～1000℃；

(2)開軋溫度控制在900～950℃；

(3)進精軋機溫度控制在≤880℃。

本發明制備的耐氯離子腐蝕高強鋼筋與hrb400鋼筋對比，熔煉成分見表1，力學性能與工藝性能見表2，周浸試驗結果見表3，海洋大氣掛片試驗結果見表4。

表1本發明鋼及對比鋼種hrb400的熔煉成分％

其中：碳當量ceq＝c+mn/6+(cr+v+mo)/5+(cu+ni)/15

表2本發明鋼的力學性能與工藝性能

其中：rel為屈服強度；rm為抗拉強度；a,為5d標距下的斷后延伸率(d為鋼筋公稱直徑)。

冷彎d＝4a(d為鋼筋彎心直徑，a為鋼筋公稱直徑)，彎曲180°；反彎d＝5a，先正彎90°，再反彎20°。

周浸腐蝕試驗

試驗溶液為3.5％的nacl溶液；溶液溫度為35±2℃，干燥溫度為45±2℃，濕度為30±2℃。每一循環周期為60±5min，其中浸潤12±2℃，暴露48±2℃。試驗周期2、3、6、9、12天；每個周期內取平行試樣3個。

耐蝕鋼筋的平均腐蝕率在2.17～2.65g/(m²·h)，相對hrb400普通鋼筋的相對腐蝕率為45.21～49.90％。

相對腐蝕率＝耐蝕鋼筋的腐蝕率/對比鋼筋(hrb400)的腐蝕率×100％。

表3周浸腐蝕試驗的平均腐蝕速率及相對腐蝕率

海洋大氣實物掛片試驗

試驗地點為南海某島礁，試驗周期為1年，每組3個平行試樣，按gb/t16545《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產物的清除》清洗試樣，按gb/t19292.4《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性用于評估腐蝕性的標準試樣的腐蝕速率的測定》測定腐蝕速率。耐蝕鋼筋的平均腐蝕率在98.61～108.22g/m².年，相對hrb400普通鋼筋的相對腐蝕率為48.54～53.27％。

表4鋼筋的腐蝕率