CN111041369A - 一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法 - Google Patents

一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Nb‑Ti‑N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法，所述Nb‑Ti‑N微合金化热轧带肋钢筋包括如下重量百分比的化学成分：C0.22～0.25％，Si0.40～0.60％，Mn1.25～1.35％，Nb0.012～0.018％，Ti0.005～0.015％，N0.0060～0.0090％，P≤0.045％，S≤0.045％和不可避免的杂质；在生产工艺中，转炉出钢进行底吹氮气，增加钢液N与Nb化合形成NbN，并控制轧制过程的工艺参数使晶界析出起到析出强化的作用，提高强度，确保力学性能合格；并提高连铸过程矫直温度在1000℃以上，避开第三脆性区引起的铸坯表面裂纹，根据本发明的方法得到的Nb‑Ti‑N微合金化热轧带肋钢筋的各项性能均能满足GB1499.2‑2018的要求。

Description

一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法
技术领域
本发明属于钢筋制备技术领域，具体涉及一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法。
背景技术
400MPa级HRB400热轧带肋钢筋是工程建筑混凝土结构中的重要材料。自2005年以来，HRB400钢筋市场需求量不断增加，使HRB400钢筋的生产规模迅速扩大，产量大幅度增加，由于在生产HRB400钢筋中采用V微合金化技术，造成钒氮价格大幅度上升。因钒氮价格的提高，企业生产HRB400钢筋的成本增加，利润下降。
为降低冶炼的合金成本，国内钢厂着手开展铌代钒技术生产。而铌微合金化生产HRB400，在连铸生产中的应力作用易造成铸坯表面横裂纹等缺陷，造成钢筋表面翘皮、折叠等缺陷。且采用单独的钒、铌或钒铌复合微合金化技术生产400MPa级钢筋都一定程度上增加了生产成本，严重影响企业利润。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法。本发明以Nb-Ti-N微合金化的成分设计工艺，降低了螺纹钢的生产成本，在生产工艺中，转炉出钢进行底吹氮气，增加钢液N与Nb化合形成NbN，并控制轧制过程的工艺参数使晶界析出起到析出强化的作用，提高强度，确保力学性能合格；并提高连铸过程矫直温度在1000℃以上，避开第三脆性区引起的铸坯表面裂纹。根据本发明的方法得到的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋的各项性能均能满足GB/T1499.2-2018的要求。
本发明采取的技术方案为：
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，所述Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋包括如下重量百分比的化学成分：C0.22～0.25％，Si0.40～0.60％，Mn1.25～1.35％，Nb0.012～0.018％，Ti0.005～0.015％，N0.0060～0.0090％，P≤0.045％，S≤0.045％和不可避免的杂质。
进一步地，所述Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋优选为包括如下重量百分比的化学成分：C0.23～0.25％，Si0.46～0.48％，Mn1.29～1.31％，Nb0.013～0.015％，Ti0.007～0.010％，N0.0070～0.0082％，P≤0.035％，S≤0.025％和不可避免的杂质。
本发明提供的所述Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋的各组分及作用机理如下：
C起到固溶强化作用，除能够提高钢材强度的同时，还能够提高强屈比，但是含量过高影响焊接性能，降低塑性，因此本发明中，C元素的含量为0.22～0.25％，优选为0.23～0.25％。
Si起固溶强化作用，能够提高钢材强度，但是含量过高会降低钢材韧性和塑性，因此本发明中，Si元素含量为0.40～0.60％，优选为0.46～0.48％。
Mn起到固溶强化作用，显著提高钢材强度及淬透性，提高珠光体含量，提高强屈比，但提高Mn元素会造成生产成本的增加，同时促进晶粒粗大；因此本发明中，Mn元素含量为1.45～1.55％，优选为1.29～1.31％。
Nb是主要强化元素，铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，能显著提高强度，但Nb(C，N)易沿晶界析出，当Nb≥0.020％时易形成铸坯表面裂纹不利于轧钢轧制，且过高的Nb元素使用造成成本的增加，因此本发明中，Nb元素含量为0.012～0.018％，优选为0.013～0.015％。
Ti能细化晶粒，在加热过程中TiN能抑制奥氏体晶粒长大，轧制过程中，形变诱导析出的微合金碳氮化物阻止奥氏体再结晶晶粒长大，Ti能提高再结晶温度、促进铁素体形核，细化晶粒，改善含Nb钢铸坯的表面质量；TiC稳定性极强，也有阻碍晶粒长大的作用，当温度低于800℃时，钢中的固溶Ti几乎全部析出，改善延迟断裂；但钢中Ti含量过高会降低塑性及韧性，因此本发明中，Ti元素含量为0.005～0.015％，优选为0.007～0.010％。
本发明还提供了所述的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：转炉冶炼、出钢合金化及软吹过程底吹氮、LF炉精炼、连铸、轧制工序。
所述转炉冶炼工艺中，炉后出钢过程中进行微合金化，并且出钢过程进行钢包底吹氮方式搅拌钢液；出钢后期加入白灰。
进一步地，为保证钢包钢水前期快速化渣，吹氮压力为1.2～1.5MPa，氮气流量为800～200NL/min，待形成泡沫渣后，再采用底吹氮弱搅拌模式避免钢液吸气氧化，产生氧化物等夹杂。因此，采用先强后弱的搅拌模式，持续时间为5～7min，后改为软吹底吹氮为5～10min，流量为40～80NL/min。
所述转炉冶炼工艺中，冶炼过程采用高拉补吹氧的操作工艺，控制终点[C]≥0.10％，避免钢水发生过氧化现象。参照化学成分含量设计要求，优选为在钢水钢包出钢1/3过程时，将硅锰合金、硅铁合金和铌铁合金三种不易氧化的合金元素随出钢钢流加入钢包进行微合金化，利于合金的充分均匀溶解；随后钢包加入白灰500Kg/炉、精炼渣300Kg/炉，利于前期钢液快速脱氧成渣。
所述LF炉精炼工艺中，钛为活性元素，易发生氧化，因此应在LF炉精炼工序脱氧造渣结束后加入钛铁，钢水成分符合要求后，喂入适量Ca线，Ca线的喂入量为：开浇炉次50m/炉，连续浇铸炉次30m/炉；软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
所述连铸工艺中，全程保护浇注，由于该HRB400钢种的液相线温度为1500℃，为控制合理的中间包过热度25～40℃，故控制中间包温度为1525～1540℃，拉速过低影响浇铸台时产量，拉速过高，连铸坯容易形成中心疏松及缩孔、中间裂纹等缺陷，因此拉速设为2～2.3m/min，连铸坯的矫直温度为1000～1080℃，避开第三脆性区600～950℃，防止铸坯表面裂纹的产生。
所述轧制工序中，Nb、Ti元素的固溶温度需在一定加热温度下才能提高固溶强化作用、提高强度，而加热温度超过1190℃易使奥氏体晶粒粗大，降低强度及塑性，因此，加热温度为1140～1190℃，开轧温度为1030～1060℃，精轧温度980～1030℃，精轧后弱穿水工艺，采用1～2段文氏管穿水管，水压力1.0～1.5MPa，冷床回火温度为880～910℃，而后至冷床空冷至室温，此工艺的冷床温度的钢筋表面颜色呈亮蓝色，后续受外界环境影响不易锈蚀。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
1、成分容易控制，并可降低微合金加入量，有效降低生产成本，制备得到的热轧带肋钢筋的强度高、性能稳定，进而提高了产品的市场竞争力，增加了一种适应市场变化而采用较低成本的生产技术路线，为企业创造更多的利润；
2、提高了铸坯矫直温度，避开矫直段的第三脆性区温度区间，有效地降低了铸坯表面裂纹，提高了铸坯产品质量；矫直在第三脆性区温度及避开第三脆性区温度的铸坯表面酸洗后的对比照片如图1、2所示。
3、转炉底吹氮，增加钢液N含量，提高与Nb结合的机率，增加NbN、TiN等纳米颗粒的析出量，提高了热轧带肋钢筋的强度指标。
附图说明
图1为矫直在第三脆性区温度的铸坯表面酸洗后的照片；
图2为矫直在避开第三脆性区温度的铸坯表面酸洗后的照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.24％，Si0.46％，Mn1.29％，Nb0.013％，Ti0.008％，N0.0070％，P≤0.030％，S≤0.015％和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序；
其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.11％，出钢终点温度1635℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并在出钢后期加入白灰500kg，精炼渣300kg/炉，整个过程进行吹氮搅拌，氮气流量先强吹后弱吹，流量由750NL/min降至220NL/min，时间为5min，软吹底吹氮为5min，流量为55NL/min。
精炼炉工序中，在精练后期加入44kg的钛铁，待成分合适，喂入适量Ca线30m，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1527℃，平均拉速为2.3m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1020℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1150℃，开轧温度控制在1038℃，精轧温度1000℃，穿水管开1组，水压力1.2MPa，泵频率40Hz，冷床回火温度为902℃，并打捆空冷至室温。该实施例制备得到的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋表面较好，钢筋表面受外界环境影响不易氧化锈蚀，钢材性能见下表1。
实施例2
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.23％，Si0.47％，Mn1.31％，Nb0.014％，Ti0.010％，N0.0075％，P≤0.035％，S≤0.020％和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序；
其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.10％，出钢终点温度1640℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并钢包加入白灰500Kg，精炼渣300Kg/炉，整个过程进行吹氮搅拌，氮气流量先强吹后弱吹，流量由780NL/min降至230NL/min，时间为5min，软吹底吹氮为7min，流量为57NL/min。
精炼炉工序中，在精练后期加入46kg的钛铁，待成分合适，喂入适量Ca线30m，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1532℃，平均拉速为2.2m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1015℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1145℃，开轧温度控制在1035℃，精轧温度1010℃，穿水管开2组，水压力1.1MPa，泵频率35HZ，冷床回火温度为895℃，并打捆空冷至室温。该实施例制备得到的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋表面较好，钢筋表面受外界环境影响不易氧化锈蚀，钢材性能见下表1。
实施例3
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.25％，Si0.46％，Mn1.31％，Nb0.015％，Ti0.009％，N0.0082％，P≤0.024％，S≤0.017％和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序；
其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.11％，出钢终点温度1635℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并钢包加入白灰500kg，精炼渣300kg/炉，整个过程进行吹氮搅拌，氮气流量先强吹后弱吹，流量由800NL/min降至210NL/min，时间为6min，软吹底吹氮为5min，流量为55NL/min。
精炼炉工序中，在精练后期加入45kg的钛铁，待成分合适，喂入适量Ca线30m，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1525℃，平均拉速为2.1m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1010℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1155℃，开轧温度控制在1048℃，精轧温度1020℃，穿水管开2组，水压力1.2MPa，泵频率40HZ，冷床回火温度为908℃，冷床空冷收集。该实施例制备得到的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋表面较好，钢筋表面受外界环境影响不易氧化锈蚀，钢材性能见下表1。
实施例4
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.23％，Si0.48％，Mn1.30％，Nb0.014％，Ti0.007％，N0.0072％，P≤0.029％，S≤0.025和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序，其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.10％，出钢终点温度1645℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并钢包加入白灰500Kg，精炼渣300Kg/炉，整个过程进行吹氮搅拌，氮气流量先强吹后弱吹，流量由710NL/min降至202NL/min，时间为6min，软吹底吹氮为7min，流量为70NL/min。
精炼炉工序中，在精练后期加入41kg的钛铁，待成分合适，喂入适量Ca线30m，软吹氩气7min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1530℃，平均拉速为2.3m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1018℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1170℃，开轧温度控制在1047℃，精轧温度1010℃，穿水管开1组，水压力1.4MPa，泵频率45HZ，冷床回火温度为900℃，冷床空冷收集。该实施例制备得到的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋表面较好，钢筋表面受外界环境影响不易氧化锈蚀，钢材性能见下表1。
比较例1
一种热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.23％，Si0.48％，Mn1.30％，Nb0.013％，Ti0.001％，N0.0045％，P≤0.030％，S≤0.017％和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序；
其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.11％，出钢终点温度1635℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并钢包加入白灰500Kg，精炼渣300Kg/炉，整个过程进行吹氩搅拌，氩气流量先强吹后弱吹，流量由720NL/min降至215NL/min，时间为5min，软吹底吹氩为6min，流量为54NL/min。
精炼炉工序中，造渣脱氧，待成分合适，喂入适量Ca线，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1532℃，平均拉速为2.1m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1020℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1140℃，开轧温度控制在1032℃，进精轧温度1010℃，穿水管开2组，水压力1.2MPa，泵频率35HZ，冷床回火温度为897℃，并打捆空冷至室温。此冷床温度的钢材表面较好，钢筋表面受外界环境影响不易氧化锈蚀，但是其力学性能不合格，见表2。
比较例2
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.23％，Si0.44％，Mn1.32％，Nb0.015％，Ti0.009％，N0.0080％，P≤0.028％，S≤0.014％和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序；
其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.11％，出钢终点温度1634℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并钢包加入白灰500Kg，精炼渣300Kg/炉，整个过程进行吹氮搅拌，氮气流量先强吹后弱吹，流量由700NL/min降至210NL/min，时间为6min，软吹底吹氮为7min，流量为41NL/min。
精炼炉工序中，在精练后期加入45kg的钛铁，待成分合适，喂入适量Ca线30m，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1527℃，平均拉速为2.0m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1008℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1161℃，开轧温度控制在1037℃，精轧温度1022℃，终轧后穿水，穿水管开1组，水压力1.2MPa，泵频率35HZ，上冷床回火温度为950℃，并打捆空冷至室温。此温度的钢材的表面颜色发亮蓝，钢筋表面受外界环境影响不易氧化锈蚀，但是其力学性能不合格，见表2。
比较例3
一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，包括如下重量百分比的化学成分：C0.24％，Si0.50％，Mn1.29％，Nb0.013％，Ti0.009％，N0.0076％，P≤0.027％，S≤0.016％和不可避免的杂质。
其生产工艺流程为转炉冶炼、吹氮、精炼、连铸、轧制工序；
其中，所述转炉冶炼工序中采用高拉补吹，控制终点[C]为0.10％，出钢终点温度1641℃，在放钢1/3过程对准钢流均匀加入硅锰、硅铁、铌铁合金进行合金化，并钢包加入白灰500Kg，精炼渣300Kg/炉，整个过程进行吹氮搅拌，氮气流量先强吹后弱吹，流量由685NL/min降至200NL/min，时间为5min，软吹底吹氮为6min，流量为43NL/min。
精炼炉工序中，在精练后期加入45kg的钛铁，待成分合适，喂入适量Ca线30m，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
连铸过程控制中间包温度平均值为1529℃，平均拉速为2.1m/min。连铸坯的在线矫直点温度为1017℃。
所述轧制工序的工艺参数为：加热温度1147℃，开轧温度控制在1031℃，精轧温度1019℃，终轧后穿水，穿水管开3组，水压力1.3MPa，泵频率45HZ，上冷床回火温度为827℃，并打捆空冷至室温。此冷床温度的钢材表面发暗，钢筋表面受外界环境影响易氧化锈蚀，其力学性能见表2。
表1实施例1～4中各规格400Mpa级抗震钢筋力学性能情况
Figure BDA0002339432840000111
表2对比例1～3中各规格400Mpa级钢筋力学性能情况
Figure BDA0002339432840000112
上述参照实施例对一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，其特征在于，所述Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋包括如下重量百分比的化学成分：C0.22～0.25％，Si0.40～0.60％，Mn1.25～1.35％，Nb0.012～0.018％，Ti0.005～0.015％，N0.0060～0.0090％，P≤0.045％，S≤0.045％和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋，其特征在于，所述Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋包括如下重量百分比的化学成分：C0.23～0.25％，Si0.46～0.48％，Mn1.29～1.31％，Nb0.013～0.015％，Ti0.007～0.010％，N0.0070～0.0082％，P≤0.035％，S≤0.025％和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的Nb-Ti-N微合金化热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括以下步骤：转炉冶炼、出钢合金化及软吹过程底吹氮、LF炉精炼、连铸、轧制工序。
4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼工艺中，炉后出钢过程中进行微合金化，并且出钢过程进行钢包底吹氮方式搅拌钢液；出钢后期加入白灰。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于，吹氮压力为1.2～1.5MPa，氮气流量为800～200NL/min，采用先强后弱的搅拌模式，时间为5～7min，后改为软吹底吹氮为5～10min，流量为40～80NL/min。
6.根据权利要求3或4所述的生产方法，其特征在于，所述转炉冶炼工艺中，在钢水钢包出钢1/3时，将硅锰合金、硅铁合金和铌铁合金随钢流加入钢包钢流冲击区进行微合金化，冶炼过程采用高拉补吹氧，控制终点[C]≥0.10％。
7.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述LF炉精炼工艺中，在精练后期加入钛铁，钢水成分符合要求后，喂入适量Ca线，软吹氩气≥5min，确保连铸的可浇性。
8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述连铸工艺中，全程保护浇注，控制中间包温度为1525～1540℃，拉速为2.0～2.3m/min，连铸坯的矫直温度为1000～1080℃。
9.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述轧制工序中，加热温度为1140～1190℃，开轧温度为1030～1060℃，精轧温度980～1030℃，精轧后弱穿水工艺，采用1～2段文氏管穿水管，水压力1.0～1.5MPa，冷床回火温度为880～910℃，而后至冷床空冷至室温。
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