CN109252106A - 500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材及其生产方法 - Google Patents

500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁冶金和轧钢领域，具体涉及500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材及其生产方法。本发明解决的技术问题是现有500MPa级含钒、氮合金抗震钢筋强屈比较低。本发明含V、Nb抗震钢筋棒材的组成成分为C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％。出钢过程中加入FeV控制V含量，LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线调整Nb和N的含量，同时配合后续的轧制工艺。本发明提供的钢筋棒材的下屈服强度富余量较大，强屈比达到1.40以上，抗震性能优异。

Description

500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材及其生产方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金和轧钢领域，具体涉及一种500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材及其生产方法。
背景技术
微合金钢主要是指在钢中添加很少量或微量的某种或某几种元素就能明显提高性能的钢，特别是提高钢的强度指标。现有技术条件下微合金钢主要通过添加很少量或微量钒、铌和钛来制备。微合金化的作用机制是：作为微量元素的钒、铌和钛加入钢液后，与钢液中的碳和氮结合，形成碳、氮的化合物质点，即V(C、N)，Nb(C、N)和Ti(C、N)质点，这些质点具有一定的沉淀强化和晶粒细化的作用，可明显的提高钢的强度。由此可见，实际上微合金钢钒、铌和钛的作用均是和氮分不开的。一般情况下采用转炉冶炼钢，残留氮含量在0.0030％～0.0065％范围内，采用电炉冶炼钢，残留氮含量在0.0050％～0.0085％范围内。如要充分发挥钒、铌和钛的强化作用，是必须要额外加入氮元素才能实现的。
由于我国地震等灾害频发，特别是5.12汶川地震后，建筑行业用钢筋的抗震性能指标得到广泛关注，高强度、高强屈比的抗震钢筋将逐渐成为主流。目前，微合金化钢筋的主流措施是添加钒氮合金。专利文献CN101693978A公开了500MPa级的大规格热轧带肋钢筋用钢及其冶炼方法，化学成分重量百分比为：C0.17％-0.25％、Si0.40％-0.80％、Mn1.40％-1.60％、P≤0.045％、S≤0.045％、V0.06％-0.10％、N0.012％-0.033％，且V/N比3.0-5.0，其余为Fe和杂质元素，出钢过程中加入钒氮合金合增氮剂，其中添加了大量的N元素，虽然发挥了钒的强化效果，但是生产的500MPa钢筋的强屈比≤1.30，无法达到既能保证钢筋较高屈服强度的强度指标，又能具备较高强屈比的抗震性能指标。
发明内容
本发明解决的技术问题是500MPa级微合金钢筋抗震能不佳，无法既能保证钢筋较高屈服强度的强度指标，又能具备较高强屈比的抗震性能指标。
本发明提供500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材，化学成分为：按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％，，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材的生产方法，包括依次进行的以下步骤：电炉或转炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸、钢坯加热、连续式棒材轧制生产线轧制、冷床冷却。在电炉或转炉冶炼出钢过程中，加入VN16、FeV调整N和V的含量，所述棒材化学成分按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％，其余为Fe和不可避免的杂质。
其中，在电炉或转炉冶炼出钢过程中，冶炼至钢液中C含量低于0.06％，P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3时向钢液中加入FeSi、FeMn、FeV和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，控制钢液V含量为0.040％～0.080％。
其中，LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线，调整钢液Nb含量为0.010％～0.030％，N含量为0.0250％～0.0350％。
其中，钢坯加热和轧制过程中，钢坯加热温度1000℃～1230℃，均热温度1100℃～1210℃，加热和均热总时间100min～150min，经粗轧、中轧、精轧，精轧温度控制在930℃～1020℃，精轧后不穿水，上冷床温度为920℃～1030℃。
与现有技术相同比较，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材同时具有高强度和高抗震的特点，化学成分为：按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％，其余为Fe和不可避免的杂质，下屈服强度≥540MPa，抗拉强度≥760MPa，断后伸长率≥20％，最大力总延伸率≥12％，强屈比≥1.40，显微组织为铁素体和珠光体，规格包括
2、本发明在电炉或转炉出钢过程中加入FeV合金进行钒合金化，LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线调整Nb和N到适宜的水平，可稳定控制钢液N含量为0.0250％～0.0350％，V含量为0.040％～0.080％，Nb含量为0.010％～0.030％，铌、氮收得率高且稳定，同时配合后续的轧制工艺，生产得到的棒材屈服强度富余量大，实现了屈服强度和强屈比的兼顾，从而使得500MPa钢筋棒材同时具有高强度和高抗震的特点。
3、本发明提供的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材V含量较低，通过提高廉价元素N的含量，同时加入适量的Nb，得到高强度和高强屈比的棒材，生产成本较低。
具体实施方式
本发明提供500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材，化学成分为：按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明提供500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材，规格包括 下屈服强度≥540MPa，抗拉强度≥760MPa，断后伸长率≥20％，最大力总延伸率≥12％，强屈比≥1.40，显微组织为铁素体和珠光体。
N是一种气体元素，与钢中的V微合金化元素配合，能够强烈促进V微合金化元素析出V(C、N)粒子，增强V的析出强化和细晶强化作用，显著提高钢的强度，但在提高钢强度的同时会显著降低钢的强屈比指标。同时，N属于气体元素、控制相对不稳定，添加过少难以保证钒的析出强化作用，添加过多则会显著降低钢筋的强屈比，导致抗震性能显著下降。
Nb是一种微合金化元素，能够析出Nb(C、N)粒子，具有较强的析出强化和细晶强化作用，可显著提高钢的抗拉强度、提高钢的强屈比指标，但过多的Nb会导致铸坯裂纹倾向严重和轧材倾向产生贝氏体组织。
为保证钢筋高屈服强度和高强屈比抗震性能的综合兼顾，本发明利用较高的N元素含量来保证V元素的析出作用的充分发挥，同时利用Nb元素来弥补添加过多的N元素带来的钢材强屈比损失，通过大量实验，本发明控制钢液Nb含量为0.010％～0.030％、N含量为0.0250％～0.0350％、V：0.040％～0.080％。
C是钢材中最基本的强化元素，钢筋中C含量每增加0.01％，钢筋的屈服强度约增加10MPa，抗拉强度约增加14Mpa，过高的C会降低钢筋的塑形和可焊性，本发明中C含量的控制范围选为0.20％～0.25％。
Si是重要的脱氧剂，有助于降低钢中的氧含量，减少夹杂物，同时Si是铁素体强化元素，能够通过固溶强化来提高铁素体的强度，为保证钢筋良好的强屈比指标，本发明中Si含量的范围选为0.35％～0.65％。
Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，在钢种主要起固溶强化作用，是重要的强韧化元素，Mn提高钢材抗拉强度的效果较提高屈服强度的效果明显，为保证钢筋良好的强屈比指标，本发明中Mn含量的范围选为1.20％～1.60％。
P和S在炼钢过程中为有害杂质元素，在钢种易形成有害夹杂物，降低钢的韧性和塑形，且P易在晶界处偏聚，增加钢的脆性，本发明中P和S含量的范围均选为≤0.035％。
本发明还提供500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材的生产方法，包括依次进行的以下步骤：电炉或转炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸、钢坯加热、连续式棒材轧制生产线轧制、冷床冷却。在电炉或转炉冶炼出钢过程中，加入FeV调整V的含量，LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线调整Nb和N的含量，所述棒材化学成分按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.070％～0.170％、N：0.0100％～0.0120％，其余为Fe和不可避免的杂质。
500MPa级钒微合金化抗震钢筋通常需要添加较多含量的钒元素才能满足强度要求，由于一般情况下在钢液添加的钒氮合金中钒和氮的比例是固定的，主要有VN12、VN14和VN16三个牌号，在满足强度要求的情况下，随着钒元素的增多，氮元素含量也增大，一般会达到0.0120％～0.0300％之间，此时钢筋的强屈比偏低且不稳定。另外，钒氮合金虽然既含钒、且氮含量又高，但对于微合金钢中不同的微合金化技术路线，特别是复合微合金钢，例如V-Nb-N，甚至于V-Nb-Ti-N，也不能满足需求。因此，本发明选择加入FeV的方式来控制V的含量，然后在LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线调整Nb和N的含量。
其中，在电炉或转炉冶炼出钢过程中，冶炼至钢液中C含量低于0.06％，P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3时向钢液中加入FeSi、FeMn、FeV和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，控制钢液V含量为0.040％～0.080％。
其中，LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线，调整钢液Nb含量为0.010％～0.030％，N含量为0.0250％～0.0350％。
钢过程中加入FeV来调整V在0.040％～0.080％，然后在LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线来精确稳定调整Nb、N含量在适宜水平。通过控制氮含量在0.0250％～0.0350％，使V的析出强化作用得以充分发挥，屈服强度大幅提升，可节约钒的添加量，同时利用Nb元素来弥补添加过多的N元素带来的钢材强屈比损失，使钢筋兼具高强度和高抗震的特点。另外，不能同时进行V、Nb、N元素的合金化，因为喂入包芯线需要钢液化渣或钢液具备较薄的渣层，方便包芯线完全喂入钢液中，这样才能保证Nb、N具有较高且稳定的收得率。
其中，钢坯加热和轧制过程中，钢坯加热温度1000℃～1230℃，均热温度1100℃～1210℃，加热和均热总时间100min～150min，经粗轧、中轧、精轧，精轧温度控制在930℃～1020℃，精轧后不穿水，上冷床温度为920℃～1030℃。
以下结合若干实施例对本发明的技术方案作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所做的任何变动都将落在权利要求书的范围内。
实施例1
本实施例的钢筋，各组分如表1所示，其制备方法为：
经过铁水预脱硫，将铁水、废钢等加入公称容量120吨转炉后进行顶底复吹冶炼，冶炼至钢液中C含量低于0.06％、P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeV合金和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，控制钢液V含量为0.040％；钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氮气，吹入氮气4min，使加入的各类合金充分熔化和均匀；钢水包达到LF炉后进行电加热，LF炉精炼后在钢包内喂入含Nb、N包芯线，控制钢液中Nb含量为0.015％，控制钢液中N含量为0.0260％，成分微调处理后送连铸机进行浇铸；在6机6流方坯连铸机上浇铸成160mm×160mm铸坯时采用保护浇铸，铸坯堆垛自然冷却至室温；铸坯冷却后送至连续式棒材生产线，在加热炉加热温度1225℃，均热温度1210℃，加热和均热总时间100min，经6架粗轧、6架中轧、精轧，精轧温度1015℃，轧后不穿水，上冷床温度为1010℃。在冷床上自然冷却至200℃以下，精整剪切即获得热轧带肋钢筋。
实施例2
本实施例的钢筋，各组分如表1所示，其制备方法为：
经过铁水预脱硫，将铁水、废钢等加入公称容量120吨转炉后进行顶底复吹冶炼，冶炼至钢液中C含量低于0.06％、P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeV合金和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，控制钢液V含量为0.060％；钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氮气，吹入氮气4min，使加入的各类合金充分熔化和均匀；钢水包达到LF炉后进行电加热，LF炉精炼后在钢包内喂入含Nb、N包芯线，控制钢液中Nb含量为0.020％，控制钢液中N含量为0.0295％，成分微调处理后送连铸机进行浇铸；在6机6流方坯连铸机上浇铸成160mm×160mm铸坯时采用保护浇铸，铸坯堆垛自然冷却至室温；铸坯冷却后送至连续式棒材生产线，在加热炉加热温度1100℃，均热温度1150℃，加热和均热总时间120min，经6架粗轧、6架中轧、精轧，精轧温度980℃，轧后不穿水，上冷床温度为975℃。在冷床上自然冷却至200℃以下，精整剪切即获得热轧带肋钢筋。
实施例3
本实施例的钢筋，各组分如表1所示，其制备方法为：
经过铁水预脱硫，将铁水、废钢等加入公称容量120吨转炉后进行顶底复吹冶炼，冶炼至钢液中C含量低于0.06％、P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeV合金和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，控制钢液V含量为0.080％；钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氮气，吹入氮气4min，使加入的各类合金充分熔化和均匀；钢水包达到LF炉后进行电加热，LF炉精炼后在钢包内喂入含Nb、N包芯线，控制钢液中Nb含量为0.030％，控制钢液中N含量为0.0340％，成分微调处理后送连铸机进行浇铸；在6机6流方坯连铸机上浇铸成160mm×160mm铸坯时采用保护浇铸，铸坯堆垛自然冷却至室温；铸坯冷却后送至连续式棒材生产线，在加热炉加热温度1010℃，均热温度1120℃，加热和均热总时间150min，经6架粗轧、6架中轧、精轧，精轧温度930℃，轧后不穿水，上冷床温度为930℃。在冷床上自然冷却至200℃以下，精整剪切即获得热轧带肋钢筋。
对比例
本对比例的钢筋为普通加VN16合金的HRB500E，各组分如表1所示，其制备方法为：
经过铁水预脱硫，将铁水、废钢等加入公称容量120吨转炉后进行顶底复吹冶炼，冶炼至钢液中C含量低于0.06％、P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、VN16和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，VN16加入量为吨钢1.39kg；钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氮气，吹入氮气4min，使加入的各类合金充分熔化和均匀；在LF炉精炼脱氧、脱硫及成分微调处理后送连铸机进行浇铸；在6机6流方坯连铸机上浇铸成160mm×160mm铸坯时采用保护浇铸，铸坯堆垛自然冷却至室温；铸坯冷却后送至连续式棒材生产线，在加热炉加热温度1100℃，均热温度1150℃，加热和均热总时间120min，经6架粗轧、6架中轧、精轧，精轧温度980℃，轧后不穿水，上冷床温度为975℃。在冷床上自然冷却至200℃以下，精整剪切即获得热轧带肋钢筋。
实施例1～3及对比例钢筋的各成分，按重量百分比计算，如表1所示，余量为Fe。
表1实施例1～3及对比例钢筋成分(wt.％)
项目 C Si Mn P S V Nb N
对比例 0.23 0.60 1.40 0.025 0.019 0.103 － 0.0202
实施例1 0.20 0.59 1.54 0.024 0.018 0.043 0.015 0.0283
实施例2 0.23 0.52 1.41 0.027 0.012 0.062 0.021 0.0305
实施例3 0.25 0.38 1.24 0.011 0.020 0.079 0.030 0.0345
效果试验例
力学性能测试参照《GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》进行，测定钢筋的屈服强度(Rel)、抗拉强度(Rm)、断后伸长率(A)、最大力总延伸率(Agt)、强屈比和屈标比。
金相组织测试参照《GB/T 13298-2015金属显微组织检验方法》进行，测定钢筋的金相组织组成。
试验结果如表2所示
表2实施例1～3及对比例钢筋的力学性能及金相组织
由表2可看出，采用本发明设计成分和制备方法生产的HRB500E钢筋较普通加VN16合金的HRB500E钢筋强度高、塑性好、强屈比高，屈服强度在550MPa以上，抗拉强度在820MPa以上，断后伸长率在22％以上，最大力总延伸率在12％以上，强屈比在1.45以上，实现了优异的强度指标和抗震性能指标。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (7)

1.500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材，其特征在于，化学成分为：按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.生产如权利要求1所述500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材的方法，包括依次进行的以下步骤，电炉或转炉冶炼、LF精炼、小方坯连铸、钢坯加热、连续式棒材轧制生产线轧制、冷床冷却，其特征在于：在电炉或转炉冶炼出钢过程中，加入FeV调整V的含量，LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线调整Nb和N的含量，所述棒材化学成分按重量百分比计，C：0.20％～0.25％、Si：0.35％～0.65％、Mn：1.20％～1.60％、P≤0.035％、S≤0.035％、V：0.040％～0.080％、Nb：0.010％～0.030％、N：0.0250％～0.0350％，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材的生产方法，其特征在于：冶炼至钢液中C含量低于0.06％，P、S含量低于0.035％出钢，出钢进行至1/3～2/3时向钢液中加入FeSi、FeMn、FeV和无烟煤进行Si、Mn、V和C元素合金化，控制钢液V含量为0.040％～0.080％。
4.根据权利要求2或3所述的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材的生产方法，其特征在于：LF炉精炼过程中喂入含Nb、N包芯线，调整钢液Nb含量为0.010％～0.030％，N含量为0.0250％～0.0350％。
5.根据权利要求2～4任一项所述的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材的生产方法，其特征在于：所述钢坯加热和轧制过程中，钢坯加热温度1000℃～1230℃，均热温度1100℃～1210℃，加热和均热总时间100min～150min，经粗轧、中轧、精轧，精轧温度控制在930℃～1020℃，精轧后不穿水，上冷床温度为920℃～1030℃。
6.根据权利要求1所述的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材，其特征在于：所述钢筋棒材规格为
7.根据权利要求1所述的500MPa级含V、Nb微合金高强屈比抗震钢筋棒材，其特征在于：所述钢筋棒材下屈服强度≥540MPa，抗拉强度≥760MPa，断后伸长率≥20％，最大力总延伸率≥12％，强屈比≥1.40，显微组织为铁素体和珠光体。
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