一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋 |
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| 申请号 | CN202410247766.3 | 申请日 | 2024-03-05 | 公开(公告)号 | CN117888035A | 公开(公告)日 | 2024-04-16 |
| 申请人 | 富佰新材料(浙江)有限公司; | 发明人 | 潘宜杰; 赵立刚; 杨鹏; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及 钢 筋生产领域，尤其涉及一种带有记忆恢复功能的预应 力 钢筋 ，该预 应力 钢筋以 铁 基形状记忆 合金 为原材料，按照重量百分比表示，其化学组成如下：Mn(锰)：10‑20％，Si( 硅 )：1‑10％，Cr(铬)：5‑15％，Ni(镍)：0‑8％，V( 钒 )：0.2‑2.0％，N(氮)：0.1‑0.5％，C( 碳 )：≤0.03％，其余为Fe(铁)，其具有优秀的回复应力，以及较低的激励 温度 ，不需要进行繁琐的 热机 械训练就可得到可观的回复应力，并且成本合理，适合工业化生产和大规模使用。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，其特征在于，其原材料为铁基形状记忆合金，按照重量百分比表示，其化学组成如下：Mn(锰)：12‑20％，Si(硅)：2‑9％，Cr(铬)：6‑14％，Ni(镍)：0‑8％，V(钒)：0.2‑2.0％，N(氮)：0.1‑0.5％，C(碳)：≤0.03％，其余为Fe(铁)，其中化学组成中钒(V)的含量至少是氮(N)含量的4.5倍，同时不超过5.5倍。 |
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| 说明书全文 | 一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋技术领域背景技术[0002] 预应力钢筋是一种用于加强混凝土结构的钢筋，通常用于桥梁、高楼大厦、地下结构等工程中，混凝土结构在使用过程中可能会出现微小的裂缝，这些裂缝可能会逐渐扩大，降低结构的强度和耐久性，以及地震会对建筑结构造成严重的破坏，威胁人员的生命安全，目前可通过使用形状记忆合金制成的钢筋来解决这些问题，SMA(形状记忆合金)钢筋带有形状记忆效应，当结构受到外部荷载时，SMA钢筋可以自动收缩，闭合裂缝，从而实现自修复功能，以及它们能够吸收和分散地震能量，减少振动幅度，提高结构的耐受性；但是目前的Ni基、Cu基形状记忆合金价格昂贵难以工业化生产、大规模使用，而普通的铁基形状记忆合金制成的预应力钢筋存在回复应力不足，激励温度高等问题，由此制成的钢筋还需通过热机械训练才可以提高合金的形状回复率，但热机械训练工艺复杂，成本高，复杂形状合金的训练困难，不利于工程的应用。 发明内容[0003] (一)解决的技术问题 [0004] 针对现有技术的不足，本发明目的在于提供一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，解决了现有技术中存在的问题，通过合理的成分配比以及轧制工艺显著提高了铁基形状合金的回复应力，降低了激励温度，使铁基形状记忆合金不需要进行繁琐的热机械训练就可得到可观的回复应力，并且成本合理，适合工业化生产和大规模使用。 [0005] (二)技术方案 [0006] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，其原材料为铁基形状记忆合金，按照重量百分比表示，其化学组成如下：Mn(锰)：12‑20％，Si(硅)：2‑9％，Cr(铬)：6‑14％，Ni(镍)：0‑8％，V(钒)：0.2‑2.0％，N(氮)：0.1‑0.5％，C(碳)：≤0.03％，其中5.5N≥V≥4.5N，其余为Fe(铁)，其中化学组成中钒(V)的含量至少是氮(N)含量的4.5倍，同时不超过5.5倍，其化学成分的纯净度指标满足八项夹杂物总和≤ 6.5级；其物理性能满足屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，断后延伸率≥20％，回复应力(200℃)≥280MPa；制备方法包括以下步骤：S1、电炉化钢水：将原材料用电炉熔化成为钢水，并降低钢水中的有害元素含量；S2、AOD炉冶炼：对钢水进行吹氧脱碳，增氮，调整合金成分；S3、LF炉精炼：净化钢水，去除钢水中的夹杂物并微调成分；S4、模铸：使用模具将液态钢水直接连续铸造成坯料；S5、轧制：将坯料或型材通过一系列辊轮进行加工和压延制成钢筋。 [0007] 优选的，步骤S1电炉化钢水过程中分3‑4次加入原料、辅料，出钢温度为1600℃。 [0009] 优选的，步骤S5轧制过程包括：将钢锭加热至1200℃‑1250℃，在炉内保温时间≥4小时，出炉后轧制成方胚；二次加热至1000℃‑1100℃，保温时间≥1.5h，进行热轧轧制，中间过程进行等温轧制。 [0010] 优选的，等温轧制的温度控制在850～900℃。 [0011] (三)有益效果 [0012] 通过该生产方法制成的盘条的物理性能满足屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，断后延伸率≥20％，回复应力(200℃)≥280MPa，通过Mn、Si、Cr、Ni、V、N等元素含量的合理搭配，提高了预变形过程中产生的ε‑马氏体体积分数，从而进一步提高了回复应力，并在一定程度上降低了激励温度；以及在轧制过程中通过合理的加热温度以及TMCP工艺使得铁基形状记忆合金屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，A≥20％在一定程度上提高了回复性能。 具体实施方式[0013] 本发明提供一种技术方案：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，其制备方法包括以下步骤： [0014] S1、电炉化钢水：首先，选择适当的电炉用于熔化原材料，电炉采用电弧炉，该炉型能够提供高温度和较高的熔化能力；原材料和辅料加入：将原材料和辅料分3‑4次逐步加入电炉，这个分批加入的过程有助于更均匀地混合原材料和辅料，以确保均匀的成分；在整个电炉化钢水的过程中，特别关注控制硫(S)和磷(P)的含量，硫和磷是常见的杂质，它们对钢的质量有不利影响，因此，必须严格控制它们的含量，确保它们不超过工艺规定的上限；电炉中的电弧能够提供足够的热量，将原材料和辅料熔化成液态钢水，钢水的温度维持在1600℃左右，一旦钢水达到所需的温度和成分，它就可以通过电炉的出钢系统排出，以供后续的冶炼和加工步骤使用。 [0015] S2、AOD炉冶炼：在开始阶段，对钢水进行测温，并采取样品以进行化学分析，这有助于确定钢水的初始成分和温度，其中整个冶炼过程分为下面几个阶段： [0016] 预处理阶段：开始温度：1500℃‑1600℃，结束温度：1600℃‑1620℃，在这个阶段，钢水的温度升高，同时加入石灰、萤石以制造渣子(炉渣)，渣子的作用是控制反应并吸收一些不需要的成分，进行初步的化学调整，这个阶段的温度设置有助于准备钢水进行后续的处理； [0017] 吹氧增氮阶段：开始温度设置在1630℃‑1650℃，首先，以10L/min‑30L/min的速度引入氧气，这一步骤的目的是通过氧气氧化钢中的一部分碳，通过氧气与钢水中的碳反应，将碳气化成一氧化碳(CO)等气体，从而减少碳含量。随后，逐渐升温至1650℃‑1700℃，以40L/min‑50L/min的速度注入氮气，这一步骤的目的是增加钢水中的氮含量，从而改善合金的性能，尤其是形状记忆合金的性质，增氮可以增强合金的耐腐蚀性，提高形状记忆效应，并调整其马氏体相变的温度和稳定性； [0018] 预还原阶段：开始温度：1700℃‑1750℃，结束温度：1750℃‑1780℃，在这个阶段，会加入还原剂，将吹氧增氮中被氧化的Cr、Mn、Si等元素从钢渣中还原出来。温度的提高有助于加速还原反应； [0019] 还原阶段：开始温度：1700℃‑1750℃，结束温度：1600℃‑1700℃，在这个阶段，继续加入还原剂，以确保钢水中的氧含量得到最小化，这有助于消除氧与其他元素的反应，使钢更加纯净； [0020] 这个过程中采用阶梯式的温度控制，有以下目的： [0023] S3、LF炉精炼：首先，经过AOD炉的钢水进入LF炉，在LF炉的开始阶段，会取样并测温，以确定钢水的成分和温度；LF炉会进行通电加热，将钢水升温至所需的温度，加热时间不小于20分钟，通过在钢水中先少量多批次加入石灰萤石去除钢水中的夹杂物，根据取样测得的钢水成分适量加入添加特定的合金元素以微调合金成分，出钢温度为1520‑1530℃，这个步骤的目的是提高钢水的质量和纯度，去除不纯物质，同时微调合金成分，以确保所制备的预应力钢筋具有所需的性能和质量，这个过程的精细控制和净化有助于确保预应力钢筋在后续工序中具备卓越的性能。 [0024] S4、模铸：准备阶段，先清理锭模内壁渣斑、铁锈、冷钢和垃圾等，确保内壁光洁，对钢锭模进行烘烤，使其温度在浇注前大于50℃，这样的目的是为了避免温差引起的问题，如果钢锭模和钢水之间存在较大的温度差异，会导致不均匀的冷却和凝固，这会引发气孔、裂纹或其他缺陷，以及预热钢锭模有助于减少材料的热应力；开浇前钢锭模内充氩气，氩气保护浇注，这样的目的是为了防止钢水与空气中的氧气接触，避免氧化反应，氩气保护可以减少钢水中的气体夹杂物以及可以减少钢水中气泡的形成；开浇温度控制在1500‑1510℃；一旦模具准备就绪，开始将预热的钢水从吊包中注入模具，在模具中，钢水会迅速冷却并凝固，从而形成钢锭，一旦坯料充分凝固，模具即可打开取出钢锭。 [0025] S5、轧制：对S4制成的钢锭进行修磨，将钢锭加热至1200℃‑1250℃，目的是为了确保钢锭在加工过程中具有足够的塑性，易于变形和加工成所需的形状，在炉内保温时间≥4小时，出炉后轧制成方坯；二次加热至1000℃‑1100℃，保温时间≥1.5h，提高材料的温度均匀性，以确保后续轧制的成功；随后进行热轧轧制，方坯将通过一系列辊轮和轧制工具进行轧制，以将其加工成预应力钢筋的所需形状和尺寸；在轧制的中间阶段，需要进行等温轧制，以进一步控制钢材的温度和结构，等温温度控制在850摄氏度到900摄氏度之间，轧制时间控制在15‑60min，目的是优化材料的微观结构，确保其具备所需的性能；最后轧制完成后，预应力钢筋将被转移到冷床进行冷却，冷却时间1‑4h，这个过程的目的是为了固化材料的结构，确保其具备所需的力学性能。 [0026] 最终制成的带有自回复功能的预应力钢筋的化学成分达到：Mn(锰)：12‑20％，Si(硅)：2‑9％，Cr(铬)：6‑14％，Ni(镍)：0‑8％，V(钒)：0.2‑2.0％，N(氮)：0.1‑0.5％，C(碳)：≤0.03％，其余为Fe(铁)，其中5.5N≥V≥4.5N。 [0027] 这里需要说明的是这个比例的含义是氮(N)的含量至少是钒(V)含量的4.5倍，同时不超过5.5倍，这是为了确保形状记忆效应的稳定性，形状记忆合金的性质取决于马氏体相变，其中氮和钒的含量可以影响相变的温度和稳定性，通过确保5.5N≥V≥4.5N的比例，可以获得可控的马氏体相变，这有助于实现所需的形状记忆效应；通过调整N和V的比例，可以调节合金的回复能力，以满足具体工程项目的需求；(5.5N≥V≥4.5N)的比例在铁基形状记忆合金中具有重要作用，可以实现所需的形状记忆效应和自回复功能，并提高材料的稳定性和耐腐蚀性，这有助于确保预应力钢筋在预应力混凝土结构中发挥所需的功能。 [0028] 下面将结合本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0029] 实施例1：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，包括如下重量份的化学成分：Mn(锰)：12％，Si(硅)：2％，Cr(铬)：6％，Ni(镍)：1％，V(钒)：0.45％，N(氮)：0.1％，C(碳)：0.01％，其余为Fe(铁)； [0030] 上述预应力钢筋的加工方法，包括如下步骤： [0031] S1、电炉化钢水：将原材料和辅料分3‑4次逐步加入电炉熔化成为钢水，钢水温度控制在1600℃左右； [0032] S2、AOD炉冶炼：整个过程分为预处理阶段、吹氧增氮阶段、预还原阶段和还原阶段； [0033] 预处理阶段：开始温度1550℃，同时加入石灰、萤石以制造渣子，结束温度1600℃； [0034] 吹氧增氮阶段：开始温度1630℃，以10L/min的速度引入氧气，减少碳含量，逐渐升温至1650℃，以40L/min的速度注入氮气； [0035] 预还原阶段：开始温度：1700℃，加入还原剂，将吹氧增氮中被氧化的Cr、Mn、Si等元素从钢渣中还原出来，结束温度：1750℃； [0036] 还原阶段：开始温度：1700℃，在这个阶段，继续加入还原剂，以确保钢水中的氧含量得到最小化，结束温度：1600℃； [0037] S3、LF炉精炼：净化钢水，去除钢水中的夹杂物并微调成分，出钢温度为1520℃； [0038] S4、模铸：使用模具将液态钢水直接连续铸造成坯料，开浇温度控制在1500℃； [0039] S5、轧制：先将修磨好的钢锭加热至1230℃，在炉时间为4小时，出炉轧制成方坯，二次加热至1050℃，在炉时间为1.5小时，纯热轧轧制成钢筋，中间过程等温轧制，等温温度控制在850℃，轧制时间30min，轧后至冷床空冷，冷却时间1h。 [0040] 实施例2：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，包括如下重量份的化学成分：Mn(锰)：14％，Si(硅)：4％，Cr(铬)：8％，Ni(镍)：3％，V(钒)：0.9％，N(氮)：0.2％，C(碳)：0.01％，其余为Fe(铁) [0041] 上述预应力钢筋的加工方法，包括如下步骤： [0042] S1、电炉化钢水：将原材料和辅料分3‑4次逐步加入电炉熔化成为钢水，钢水温度控制在1600℃左右； [0043] S2、AOD炉冶炼：整个过程分为预处理阶段、吹氧增氮阶段、预还原阶段和还原阶段； [0044] 预处理阶段：开始温度1550℃，同时加入石灰、萤石以制造渣子，结束温度1600℃； [0045] 吹氧增氮阶段：开始温度1630℃，以20L/min的速度引入氧气，减少碳含量，逐渐升温至1650℃，以40L/min的速度注入氮气； [0046] 预还原阶段：开始温度：1730℃，加入还原剂，将吹氧增氮中被氧化的Cr、Mn、Si等元素从钢渣中还原出来，结束温度：1760℃； [0047] 还原阶段：开始温度：1730℃，在这个阶段，继续加入还原剂，以确保钢水中的氧含量得到最小化，结束温度：1620℃； [0048] S3、LF炉精炼：净化钢水，去除钢水中的夹杂物并微调成分，出钢温度为1520℃； [0049] S4、模铸：使用模具将液态钢水直接连续铸造成坯料，开浇温度控制在1510℃； [0050] S5、轧制：先将修磨好的钢锭加热至1200℃，在炉时间为4小时，出炉轧制成方坯，二次加热至1000℃，在炉时间为1.5小时，纯热轧轧制成钢筋，中间过程等温轧制，等温温度控制在850℃，轧制时间15min，轧后至冷床空冷，冷却时间2h。 [0051] 实施例3：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，包括如下重量份的化学成分：Mn(锰)：16％，Si(硅)：6％，Cr(铬)：10％，Ni(镍)：5％，V(钒)：1.35％，N(氮)：0.3％，C(碳)：0.01％，其余为Fe(铁) [0052] 上述预应力钢筋的加工方法，包括如下步骤： [0053] S1、电炉化钢水：将原材料和辅料分3‑4次逐步加入电炉熔化成为钢水，钢水温度控制在1600℃左右； [0054] S2、AOD炉冶炼：整个过程分为预处理阶段、吹氧增氮阶段、预还原阶段和还原阶段； [0055] 预处理阶段：开始温度1550℃，同时加入石灰、萤石以制造渣子，结束温度1600℃； [0056] 吹氧增氮阶段：开始温度1630℃，以20L/min的速度引入氧气，减少碳含量，逐渐升温至1650℃，以40L/min的速度注入氮气； [0057] 预还原阶段：开始温度：1730℃，加入还原剂，将吹氧增氮中被氧化的Cr、Mn、Si等元素从钢渣中还原出来，结束温度：1760℃； [0058] 还原阶段：开始温度：1730℃，在这个阶段，继续加入还原剂，以确保钢水中的氧含量得到最小化，结束温度：1620℃； [0059] S3、LF炉精炼：净化钢水，去除钢水中的夹杂物并微调成分，出钢温度为1520℃； [0060] S4、模铸：使用模具将液态钢水直接连续铸造成坯料，开浇温度控制在1510℃； [0061] S5、轧制：先将修磨好的钢锭加热至1200℃，在炉时间为4小时，出炉轧制成方坯，二次加热至1000℃，在炉时间为1.5小时，纯热轧轧制成钢筋，中间过程等温轧制，等温温度控制在850℃，轧制时间15min，轧后至冷床空冷，冷却时间2h。 [0062] 实施例4：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，包括如下重量份的化学成分：Mn(锰)：18％，Si(硅)：8％，Cr(铬)：12％，Ni(镍)：6％，V(钒)：1.8％，N(氮)：0.4％，C(碳)：0.02％，其余为Fe(铁) [0063] 上述预应力钢筋的加工方法，包括如下步骤： [0064] S1、电炉化钢水：将原材料和辅料分3‑4次逐步加入电炉熔化成为钢水，钢水温度控制在1600℃左右； [0065] S2、AOD炉冶炼：整个过程分为预处理阶段、吹氧增氮阶段、预还原阶段和还原阶段； [0066] 预处理阶段：开始温度1600℃，同时加入石灰、萤石以制造渣子，结束温度1620℃； [0067] 吹氧增氮阶段：开始温度1650℃，以20L/min的速度引入氧气，减少碳含量，逐渐升温至1700℃，以40L/min的速度注入氮气； [0068] 预还原阶段：开始温度：1750℃，加入还原剂，将吹氧增氮中被氧化的Cr、Mn、Si等元素从钢渣中还原出来，结束温度：1780℃； [0069] 还原阶段：开始温度：1750℃，在这个阶段，继续加入还原剂，以确保钢水中的氧含量得到最小化，结束温度：1700℃； [0070] S3、LF炉精炼：净化钢水，去除钢水中的夹杂物并微调成分，出钢温度为1520℃； [0071] S4、模铸：使用模具将液态钢水直接连续铸造成坯料，开浇温度控制在1510℃； [0072] S5、轧制：先将修磨好的钢锭加热至1200℃，在炉时间为4小时，出炉轧制成方坯，二次加热至1000℃，在炉时间为1.5小时，纯热轧轧制成钢筋，中间过程等温轧制，等温温度控制在850℃，轧制时间15min，轧后至冷床空冷，冷却时间2h。 [0073] 实施例5：一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋，包括如下重量份的化学成分：Mn(锰)：20％，Si(硅)：9％，Cr(铬)：14％，Ni(镍)：8％，V(钒)：2.25％，N(氮)：0.5％，C(碳)：0.03％，其余为Fe(铁) [0074] 上述预应力钢筋的加工方法，包括如下步骤： [0075] S1、电炉化钢水：将原材料和辅料分3‑4次逐步加入电炉熔化成为钢水，钢水温度控制在1600℃左右； [0076] S2、AOD炉冶炼：整个过程分为预处理阶段、吹氧增氮阶段、预还原阶段和还原阶段； [0077] 预处理阶段：开始温度1600℃，同时加入石灰、萤石以制造渣子，结束温度1620℃； [0078] 吹氧增氮阶段：开始温度1650℃，以20L/min的速度引入氧气，减少碳含量，逐渐升温至1700℃，以40L/min的速度注入氮气； [0079] 预还原阶段：开始温度：1750℃，加入还原剂，将吹氧增氮中被氧化的Cr、Mn、Si等元素从钢渣中还原出来，结束温度：1780℃； [0080] 还原阶段：开始温度：1750℃，在这个阶段，继续加入还原剂，以确保钢水中的氧含量得到最小化，结束温度：1700℃； [0081] S3、LF炉精炼：净化钢水，去除钢水中的夹杂物并微调成分，出钢温度为1520℃； [0082] S4、模铸：使用模具将液态钢水直接连续铸造成坯料，开浇温度控制在1510℃； [0083] S5、轧制：先将修磨好的钢锭加热至1200℃，在炉时间为4小时，出炉轧制成方坯，二次加热至1000℃，在炉时间为1.5小时，纯热轧轧制成钢筋，中间过程等温轧制，等温温度控制在850℃，轧制时间15min，轧后至冷床空冷，冷却时间2h。 [0084] 实施例6：其余与实施例2相同，不同之处在于冶炼步骤中，实施例6中添加的V(钒)的化学成分含量比为1.0％(N含量的5倍)。 [0085] 实施例7：其余与实施例2相同，不同之处在于冶炼步骤中，实施例7中添加的V(钒)的化学成分含量比为1.1％(N含量的5.5倍)。 [0086] 实施例8：其余与实施例3相同，不同之处在于冶炼步骤中，实施例8中添加的V(钒)的化学成分含量比为1.5％(N含量的5倍)。 [0087] 实施例9：其余与实施例3相同，不同之处在于冶炼步骤中，实施例9中添加的V(钒)的化学成分含量比为1.65％(N含量的5.5倍)。 [0088] 实施例10：其余与实施例4相同，不同之处在于冶炼步骤中，实施例10中添加的V(钒)的化学成分含量比为2.0％(N含量的5倍)。 [0089] 实施例11：其余与实施例4相同，不同之处在于冶炼步骤中，实施例11中添加的V(钒)的化学成分含量比为2.2％(N含量的5.5倍)。 [0090] 对比例1：为市售普通的铁基形状记忆合金制成的预应力钢筋 [0091] 将以上实施例、对比例制备的预应力钢筋进行以下测试，结果见表1 [0092] [0093] 表1 [0094] 通过表1数据可以看出，本发明加工制作的一种带有记忆恢复功能的预应力钢筋与现有技术的预应力钢筋相比，在屈服强度、抗拉强度、延伸率及回复应力上都有明显的优势，尤其是实施例2和实施例3中的制作的预应力钢筋的优势更加明显，因此实施例2和实施例3中的预应力钢筋的化学成分配比及加工工艺是比较优选的方案。 [0095] 这种带有自回复功能的预应力钢筋的原理是：预应力钢筋中的形状记忆合金处于预拉伸状态，即在原始形状之前施加了应力，使其伸长，当外部力或应变施加到预应力钢筋上时，合金开始变形，而在激励温度下，马氏体逆相变引发了回复作用，钢筋在受热情况下下，部分回缩，回缩过程中就会产生可观的回复应力。 [0096] 本申请人通过多次试验，打破了常规，通过化学元素Mn：12‑20％，Si：2‑9％，Cr：6‑14％，Ni：0‑8％，V：0.2‑2.0％，N：0.1‑0.5％，C：≤0.03％这样的搭配显著的提高了预变形过程中产生的ε‑马氏体体积分数，从而进一步提高了回复应力，并在一定程度上降低了激励温度。 [0097] 本申请人通过多次的试验发现通过这些步骤制成的带有记忆恢复功能的预应力钢筋的效果是最佳的，其制成的钢筋的物理性能达到：屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥800MPa，断后延伸率≥20％，回复应力(200℃)≥280MPa，采用本发明制成的预应力钢筋可以用于减小结构在地震、温度变化或其他外部应力下的永久变形，对于维持结构的安全性和稳定性具有重要意义。 |
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