低成本500 MPa級稀土耐氯離子腐蝕鋼筋研發

趙曉敏，呂剛，白月琴，卜向東，宋振東

（內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心，內蒙古 包頭014010）

有大量的鋼筋混凝土結構是應用于以氯鹽為主要介質的腐蝕環境中[1]，如除冰雪時將氯鹽作用在公路及橋梁結構上、將海砂作為建筑用砂、將含有氯離子的添加劑攪拌到混凝土中，同時氯鹽大量存在于河流、湖泊、地下水中，因此氯離子造成的鋼筋腐蝕非常嚴重。在工業和農村大氣環境中，普通的鋼筋很容易被腐蝕，腐蝕后會形成疏松的銹層，產生微裂紋，對鋼筋基體的保護作用逐漸減弱。由氯鹽、工業大氣及農村環境造成混凝土用鋼筋腐蝕的因素有很多，腐蝕的機理也不盡相同，一般分為電化學腐蝕、化學腐蝕和應力腐蝕三種形式?；炷劣娩摻罱涍^氯離子腐蝕后，會造成混凝土開裂，降低鋼筋與混凝土的握裹粘結力。

19世紀80年代后期，歐美發達國家開發了不銹鋼鋼筋，主要應用于設計壽命達百年以上的重點工程，但因其耐蝕合金Cr含量在12%以上、Cr+Ni總含量20%左右，造成生產成本高而難以大量推廣應用。20世紀初，歐美日進行了大量深入研究，美國研究較多的是 Cu-P-Ni-Cr系，日本研究了Mn-Cu-Ni-Cr系。少數研究者采用 Cu、Cr、Mo、Ni等耐腐蝕元素對鋼筋進行微合金化，獲得了良好的耐腐蝕性能，但未能得到推廣利用。中國從1965年開始研究耐海水腐蝕鋼，研究通過鑒定的鋼種和牌號有6個，但均由于成本高而未進行推廣。2012年廣西首個混凝土用耐腐蝕含鎳鉻鋼筋地方標準（DB 45/T890-2012）出臺實施，2014年鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋標準（YB/T 4361-2014）實施，2017年鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋國家標準出臺（GB/T 33953-2017），從標準的出臺可以看出國家正在對耐腐蝕鋼筋進行推廣。

隨著高壽命的各種耐腐蝕鋼筋、耐候鋼筋使用范圍日趨擴大，鋼筋的耐腐蝕性已成為工業化國家的主要研究課題。為了應對混凝土中鋼筋的腐蝕問題和市場發展趨勢，迫切需要開發出低成本高強度耐腐蝕鋼筋。

1 成分及工藝

在滿足HRB500E鋼筋的化學成分基礎上，通過添加成本較低的合金元素進行微合金化處理，進而控制冶煉和軋制工藝，獲得低成本500 MPa級稀土耐氯離子腐蝕鋼筋。

1.1 化學成分

Cr、Si和Al是提高鋼的抗氧化能力的最有效合金元素，但鋼中Si、Al的質量分數較高時鋼材會變脆，因此在耐氯離子腐蝕鋼筋中，加入Cr元素，在鋼的表面形成一層完整的、致密而穩定的氧化保護膜，從而提高鋼的抗氧化能力。Si可提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低，又能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比，同時含有Si的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性，起到耐腐蝕的作用，考慮Si元素的影響，加入適量的Si元素。Ni既可提高鋼的強度但不顯著降低其韌性，又可降低鋼的脆性轉變溫度，即可提高鋼的低溫韌性、改善鋼的加工性和可焊性、提高鋼的抗腐蝕能力，使鋼不僅能耐酸，且能抗堿和大氣的腐蝕。V有很強的熱強性，能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。綜合成本、力學性能和耐腐蝕性能考慮，在HRB500cE耐氯離子腐蝕鋼筋中添加提高耐腐蝕性能的化學元素Cr、Ni和La鐵合金，配合加入Si、Mn和V元素提高鋼筋的強度。稀土耐氯離子腐蝕鋼筋目標成分和實測成分見表1。

表1 稀土耐氯離子腐蝕鋼筋目標成分和實測成分（質量分數） %

1.2 生產工藝

為保證HRB500cE耐氯離子鋼筋的綜合力學性能，確定工藝路線為：高爐鐵水→鐵水預處理→轉爐頂底復吹冶煉→LF精煉→小方坯連鑄150 mm×150 mm→長材廠軋制。

（1）轉爐冶煉。120 t復吹轉爐冶煉，采用單渣操作，終渣堿度按3.0控制，為保證較低的出鋼磷含量、合適的出鋼溫度和相對穩定的出鋼碳含量，轉爐采用低拉碳工藝，終點控制目標ω[C]≥0.06%，出鋼溫度不低于1 620℃，終脫氧采用有Al脫氧。

（2）LF精煉。精煉保持白渣操作，白渣時間不少于10 min，全程按精煉規程進行吹Ar操作，根據轉爐鋼水成份及溫度進行脫硫，成份微調及升溫操作。精煉采用錳鐵、金屬錳、低碳鉻鐵、鉬鐵、鎳板合金化，終脫氧采用有鋁脫氧。鋼中非金屬夾雜物對鋼的耐腐蝕性能影響較大，因此必須將鋼中腐蝕速率大的夾雜（MnS）變性為腐蝕速率小的夾雜，從而降低鋼基體內部微區域電化學腐蝕[2]。LF精煉需對鋼液加入一些變性劑，在這種耐氯離子腐蝕鋼筋的生產中加入稀土合金使非金屬夾雜物變性球化，消除或減小它們對鋼性質的不利影響，從而凈化鋼質，減少夾雜總量，使夾雜物與鋼基體接觸面之間的腐蝕減少。

（3）連鑄。采取恒拉速操作，過熱度不大于30℃，拉速控制在2.3～2.5 m/min。由于合金的加入，連鑄二冷配水采用弱冷冷卻，防止鑄坯出現表面裂紋、內部缺陷，同時盡量保證恒拉速，全程保護澆注得到連鑄坯。

（4）軋制。鑄坯加熱溫度控制在 1 100～1 200℃，鋼坯出爐溫度1 050～1 150℃，開軋溫度950～1 050℃，終軋溫度 900～950℃，鋼坯每道次變形量為11%～20%，總變形量為11%～35%。由于合金元素含量較多，極大地增加了鋼材的淬透性，制備過程中如果進行穿水冷卻，容易得到淬火組織，降低鋼筋塑性和焊接性能。因此，為保證產品良好的力學性能，軋制冷卻過程不穿水。

2 試驗結果與分析

2.1 低倍組織分析

鑄坯經過銑床加工至表面粗糙度不大于1.6 μm，然后對試樣進行 60～80℃鹽酸腐蝕，HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋低倍組織照片見圖1。對鑄坯內部質量進行評級，中心裂紋、中間裂紋、中心縮孔、角部裂紋、皮下裂紋等缺陷都為0級，中心疏松0.5級，夾雜物1級，鑄坯內部質量較好，滿足標準要求。

圖1 HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋低倍組織

2.2 力學性能分析

根據GB/T 228.1在拉伸試驗機上進行力學性能檢驗，根據GB/T 232在冷彎試驗機上進行冷彎試驗，試驗結果如表2所示。由表2可以看出，HRB500cE鋼筋具有較高的強度和良好的延伸性能，能滿足GB 1499.2-2007對HRB500E熱軋帶肋鋼筋性能的要求。

表2 HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋力學性能檢驗和冷彎試驗結果

2.3 顯微組織分析

根據GB/T 13299進行金相組織評定，根據GB/T 6394進行晶粒度評級。金相試樣采用4%硝酸酒精溶液腐蝕劑進行腐蝕，經過腐蝕后，用LEICA DMIRM型光學顯微鏡觀察HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋金相組織 （見圖2）。如圖2（a）所示，在500倍視野下觀察，稀土耐氯離子腐蝕鋼筋金相組織主要為鐵素體+珠光體組織；如圖2（b）所示，在100倍視野下評定該組織晶粒度級別為8級。

圖2 HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋金相組織

2.4 非金屬夾雜物能譜分析

稀土與鋼中的氧和硫有較強的親和力作用，可脫氧、脫硫，降低鋼中的氧含量和硫含量，并且可降低磷、氫、砷、銻、鉛、錫等低熔點元素在晶界上的危害。稀土可控制硫化物的形態，鋼中硫化物是沿著鋼材軋制方向呈長條狀分布，加入稀土可使長條狀硫化物變成球性或仿錘形，并可改變夾雜物的大小，可明顯改善沖擊韌性和疲勞性能。將鋼中腐蝕速率大的夾雜（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，使MnS球化，有助于銹層與基體的釘扎作用[6-7]。

很多文獻都研究了稀土對提高鋼的耐腐蝕性能的影響[2-5]，如文獻 2研究了 20MnSiNbRe耐腐蝕鋼筋，其相對腐蝕速率是普通鋼筋20MnSi的63.6%。因此，在HRB500cE耐氯離子腐蝕鋼筋冶煉生產時，加入了稀土La鐵合金，鐵合金加入量為鋼水重量的30×10-6，實際測得稀土含量為22×10-6，收得率約為73%。在HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋的成品中發現了含有稀土的夾雜物，其掃描電鏡照片和能譜圖如圖3所示。此類稀土夾雜物在腐蝕條件下水解，可以促進γ-Fe2O3向α-FeOOH的轉變，從而提高鋼筋的耐腐蝕能力。

圖3 HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋稀土夾雜物掃描電鏡照片和能譜圖

2.5 耐腐蝕性能分析

按照冶標YB/T4368-2014《鋼筋在氯離子環境中腐蝕試驗方法》要求進行周期浸潤腐蝕試驗，試樣尺寸為18 mm×50 mm的圓柱，試驗溶液為初始濃度為 （0.34±0.009）mol/L（質量分數為（2.0±0.05）%）的氯化鈉溶液。具體試驗條件：溫度為（45± 2）℃；濕度為（70± 10）%RH；試驗時間為168 h；每一循環周期為（60±2）min，其中浸潤時間為（12±2）min；烘烤后試樣表面最高溫度為（70±10）℃。加工試樣表面要求不允許有銹蝕及目視可見的夾雜和氣孔等缺陷，平行試樣有5個，比對試樣為HRB400普通鋼筋。經過周期浸潤比對試驗后，在該腐蝕試驗條件下，HRB500cE鋼筋的耐腐蝕能力明顯優于普通鋼筋HRB400，HRB500cE鋼筋的相對腐蝕速率為59%，滿足國標GB/T 33953-2017鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋相對腐蝕速率低于70%的要求。

3 結論

（1）HRB500cE稀土耐氯離子腐蝕鋼筋具有良好的強韌性，可以滿足國標GB 1499.2-2007對HRB500E熱軋帶肋鋼筋的常規力學性能要求。

（2）加入稀土合金后，稀土收得率約為73%，且發現HRB500cE鋼筋中有較多能夠提高鋼筋耐腐蝕能力的顆粒狀非金屬夾雜物。

（3）耐腐蝕性能分析結果表明HRB500cE鋼筋具有良好的耐腐蝕能力，與HRB400普通鋼筋相比較，相對腐蝕速率為59%，滿足國標GB/T 33953-2017鋼筋混凝土用耐蝕鋼筋相對腐蝕速率低于70%的要求。

攀鋼極薄規格熱連軋酸洗板實現批量生產

1.8 mm及以下厚度規格的板材產品一直以冷軋連退產品為主導，其存在生產周期長、成本高等缺點。對此，攀鋼與某知名商用車公司聯合進行極薄規格熱連軋酸洗板的研發。根據攀鋼2 050 mm熱連軋機組的裝備條件，經過兩年的科技攻關，實現了極薄規格酸洗板顯微組織、力學性能、成形性能、尺寸精度及表面質量穩定控制。目前，攀鋼已批量生產極薄規格熱連軋酸洗板1.2萬余噸成品，產品綜合性能得到用戶好評。

——摘自“鐵諾信息網”