CN111893371A - 一种提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法，属于金属材料加工与成型技术领域。针对不同规格热轧钢筋，添加不同钒含量，控制钒含量为0.065‑0.09％，使添加的钒与钢中的碳、氮原子形成细小的碳化物和碳氮化物，这些碳化物和碳氮化物在轧制及轧后冷却过程中后逐渐析出，析出物在细化钢筋室温组织同时，也阻碍晶格中的位错运动，产生沉淀强化的作用，最终达到提高钢的强韧性，同时降低了高强度钢筋生产成本。采用本发明制备的热轧带肋屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥680MPa，延伸率A≥20％，Agt/％≥12％，具有优良的抗震性能，强屈比合格率可达99％以上。

Description

一种提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法
技术领域
本发明属于金属材料加工与成型技术领域，具体提供了一种提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法。
背景技术
随着我国经济运行全球化、工业技术现代化和社会结构都市化的迅速发展，对建筑结构安全可靠性和使用寿命提出了更为严格的要求，从而对最主要的建筑材料钢筋提出了更高的性能质量要求，包括更高的强度级别、良好的可焊性和塑性成形能力、优良的抗震性能、耐低温性能、耐大气腐蚀能力以及耐火性能等。
近年来国内一些钢厂开展了HRB500E及HRB600E高强度钢筋的研制和推广应用，最主要的措施是在钢中添加钒氮合金进行合金化，同时采用控轧控冷工艺。钒是强碳氮化物形成元素,在钢筋中以固溶或析出形式存在，由于其存在形式的不同，起到的强化效果也不尽相同，其中以第二相粒子形式存在的析出物，强化效果明显。在不同的含钒钢中，钒的析出物组成、分布以及强化机理也有明显不同。在添加钒铁的钒钢中，固溶态形式的钒占其总含量的56.3％，仅有的35.5％以析出相V(C,N)的形式存在。而钒氮钢的情况完全相反，固溶态形式的钒仅占其总含量的20％，而70％的钒以析出相V(C,N)的形式存在。这说明钢中加入了合金元素氮后，使钒在各相中的存在形式以及分布发生改变，促使钒发生从固溶状态转变为以析出相的形式存在，从而通过细晶强化和沉淀强化的作用来提高强度。
氮是含钒钢中十分有益的合金元素，含钒钢中的氮含量每提高10ppm，其强度就可提高6MPa以上，且氮元素十分廉价，同时在含钒钢中增氮，还可有效降低钒的加入量，改善钒在钢中的析出动力学从而优化其析出状态，降低生产成本。
但随着氮含量的增加，氮会固溶到钢中，发挥其固溶强化作用，可使钢材的强度特别是屈服强度显著提高，塑性降低，造成强屈比指标合格率低，焊接性能变差，增加时效倾向及损坏钢的冷弯性能。
目前国内部分钢筋生产厂家在生产高强钢筋(HRB500E)时，钒氮比控制不是十分合理，成品钢筋的强屈比范围大多为1.23-1.28，约有25％左右的钢筋的强屈比指标达不到国标要求(≥1.25)，产品合格率低，影响了高强钢筋的生产和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法，解决了强屈比指标合格率低，焊接性能变差等问题，在保证热轧钢筋力学性能的基础上，通过控制钒氮的含量及钒氮原子比，从而提高热高强热轧带肋钢筋强屈比合格率。
本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的的起影响或者关键作用的合金元素钒和氮及钢筋生产工艺进行了深入的研究。
为了在保证性能的前提下，能够实现本申请所述的提高强屈比合格率，本申请提出了成分及工艺优化。主要是针对不同规格热轧钢筋，添加不同钒含量，控制钒含量为0.065-0.09％，使添加的钒与钢中的碳、氮原子形成细小的碳化物和碳氮化物，这些碳化物和碳氮化物在轧制及轧后冷却过程中后逐渐析出，析出物在细化钢筋室温组织同时，也阻碍晶格中的位错运动，产生沉淀强化的作用，最终达到提高钢的强韧性，同时降低了高强度钢筋生产成本。其次根据不同钒含量，严格限定N元素的相应含量，氮含量控制在0.013-0.017％，以控制钒氮原子比。一方面通过充分的VC和V(C，N)析出来尽可能利用钒的强化效果，提高钢筋强度；另一方面也不会因氮元素过多，加大了氮的固溶强化作用而引起强屈比不合格。
成分的优化，还需要匹配的工艺才行，因此，本申请经研究，工艺方面主要是采取了控制加热温度及加热时间以保证钒氮合金在铸坯中充分溶解，粗轧开轧温度1050～1100℃，终轧温度不高于1000，轧后采用控冷，控制上冷床温度920-980℃。
实现上述目的的措施：
提高强屈比合格率的HRB500E热轧带肋钢筋，根据其规格不同，其钒含量、氮含量不同。
对于φ12-φ18mm钢筋，其钒含量、氮含量分别为：V：0.065～0.075％、N：0.013～0.014％，控制钒氮原子比为4.7-5.7。其余为Si、Mn、P、S、Fe及其他杂质元素。Si、Mn、P、S含量符合《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》GB/T 1499.2-2018中HRB500E的规定。
对于φ20-φ25mm钢筋，其钒含量、氮含量分别为V：0.07～0.08％、N：0.014～0.015％，控制钒氮原子比为4.7-5.7。其余为Si、Mn、P、S、Fe及其他杂质元素，Si、Mn、P、S含量符合《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》GB/T 1499.2-2018中HRB500E的规定。
对于φ28-φ40mm钢筋，其化学成分按重量比其钒含量、氮含量分别为V：0.08～0.09％、N：0.015～0.017％，控制钒氮原子比为4.8-5.8。其余为Si、Mn、P、S、Fe及其他杂质元素，Si、Mn、P、S含量符合《钢筋混凝土用钢第2部分:热轧带肋钢筋》GB/T 1499.2-2018中HRB500E的规定。
本发明的工艺步骤及控制的技术参数如下：
1)常规冶炼并铸坯：采用转炉冶炼。吹炼后出钢，出钢时，按照0.2-0.4kg/t钢加入铝铁合金预脱氧；按照20-22kg/t钢加入硅锰、1.3-1.5kg/t钢加入硅铁、0.8-1.0kg/t钢加入氮化硅；根据轧制的钢筋规格不同，加入不的钒氮合金数量不同，用于轧制φ12-φ18mm钢筋时，0.8-0.9kg/t钢加入钒氮合金；用于轧制φ20-φ25mm钢筋时，0.85-0.95kg/t钢加入钒氮合金；用于轧制φ28-φ40mm钢筋时，0.95-1.05kg/t钢加入钒氮合金；。出钢过程必须全程吹氩，吹氩时间须控制在4-5分钟，所有合金必须干燥且在出钢2/3时加完。钢水出炉后，经方坯连铸机铸成方坯。
2)铸坯热装至加热炉里加热：加热炉各段温度控制为预热段800-950℃；加热段1120-1150℃；均热段1160-1170℃。总加热时间约100-120min，其中1100℃以上的加热时间保持在60-70min；
3)铸坯出炉后进行轧制：控制其开轧温度1000～1050℃，终轧温度不超过950-980℃，精轧后采用控制冷却，使得钢筋上冷床时表面温度在920-1000℃，空冷至室温。
本发明具有下列优点和效果：采用上述方案，根据不同钢筋规格，只需在炼钢过程中加入适量钒氮合金和少量氮化增强剂得到所需成分钢坯后，再通过热轧工艺控制加热温度、开轧温度，终轧温度和轧后冷却，即可充分发挥V的沉淀析出强化作用和晶粒细化作用，使钢筋的强屈比明显提高，本发明生产的HRB500E高强度钢筋具有工艺力学性能稳定，强屈比1.25-1.30，合格率可达99％以上。和常规工艺相比，钒氮合金加入量减少，吨钢成本降低，经济效益显著；本发明钒氮微合金加入量明显降低，有利于稀有矿产资源的保护及合理利用，促进社会的可持续发展。本发明从根本上解决了现有钒氮微合金化热轧工艺生产高强度钢筋存在的生产成本高，强屈比合格率低，企业生产动力不足，产量无法规模化等问题，对HRB500E钒氮高强度抗震钢筋的推广和应用起到了较好的促进作用。
本发明与现有技术相比，屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥680MPa，延伸率A≥20％，Agt/％≥12％，具有优良的抗震性能，强屈比1.25-1.29，强屈比合格率在99％以上。焊接性能优良，在各种焊接工艺下，拉伸后断裂位置均发生在母材上，弯曲检验也合格，没有因为铸坯低倍缺陷而引起的改判事故或者质量问题。
附图说明
图1为本发明的金相组织图(放大500倍，标尺长度100um)。
图2为本发明的金相组织图(放大100倍，标尺长度25um)
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
A、钢水冶炼。采用转炉冶炼。吹炼后出钢，出钢时，按照0.25kg/t钢加入铝铁合金预脱氧；按照21kg/t钢加入硅锰、1.4kg/t钢加入硅铁、0.8kg/t钢加入氮化硅、0.82kg/t钢加入钒氮合金。出钢过程全程吹氩，吹氩时间须控制在5分钟，钢水出炉后，经方坯连铸机铸成方坯，连铸坯断面为165mm×165mm。钢坯成分：C：0.23％、Si：0.55％、Mn：1.35％、V：0.065％、N：0.0135％、S：0.018％、P：0.021％，其余为Fe以及不可避免的不纯物。
B、将上述钢坯送入均热段炉温为1160℃的加热炉中，加热110分钟，使钢坯开轧温度为1100℃，对加热后的钢坯粗轧6个道次，中轧6个道次，精轧6个道次，轧制成φ12mm钢筋，控制终轧温度为1000℃；轧后控冷，上冷床温度为920-940℃。
C、将B步骤的精轧钢材送冷床自然空冷至室温，即获得HRB500E高强度抗震钢筋，该钢筋的屈服强度为≥530MPa，抗拉强度为≥680MPa，断后延伸率为22-24％，均匀延伸率为13.5-15％，强屈比为1.28-1.30，强屈比合格率为99％。基体组织为铁素体加珠光体。
实施例2
A、钢水冶炼。采用转炉冶炼。吹炼后出钢，出钢时，按照0.25kg/t钢加入铝铁合金预脱氧；按照22kg/t钢加入硅锰、1.4kg/t钢加入硅铁、0.85kg/t钢加入氮化硅、0.88kg/t钢加入钒氮合金。出钢过程全程吹氩，吹氩时间须控制在5分钟，钢水出炉后，经方坯连铸机铸成方坯，连铸坯断面为165mm×165mm。钢坯成分：C：0.25％、Si：0.65％、Mn：1.55％、V：0.076％、N：0.0145％、S：0.015％、P：0.026％，其余为Fe以及不可避免的不纯物。
B、将上述钢坯送入均热段炉温为1165℃的加热炉中，加热100分钟，使钢坯开轧温度为1100℃，对加热后的钢坯粗轧6个道次，中轧4个道次，精轧4个道次，轧制成φ25mm钢筋，控制终轧温度为1000℃；轧后控冷，上冷床温度为940-960℃。
C、将B步骤的精轧钢材送冷床自然空冷至室温，即获得HRB500E高强度抗震钢筋，该钢筋的屈服强度≥535MPa，抗拉强度≥685MPa，断后延伸率为21-25％，均匀延伸率为13-15％，强屈比为1.27-1.28，强屈比合格率为99.5％。基体组织为铁素体加珠光体。
实施例3
A、取下列化学成分的钢坯：C：0.23％、Si：0.52％、Mn：1.45％、V：0.085％、N：0.0170％、S：0.025％、P：0.035％，其余为Fe以及不可避免的不纯物；连铸坯断面为165mm×165mm。
B、将上述钢坯送入均热段炉温为1170℃的加热炉内，加热105分钟，使钢坯开轧温度为1080℃，在粗轧6个道次，中轧4个道次，精轧2个道次，控制终轧温度为995℃，轧后空冷，上冷床温度为960-980℃。
C、将B步骤的精轧钢材送冷床自然空冷至室温，即获得HRB500E钒氮高强度抗震钢筋，该钢筋的屈服强度≥535MPa，抗拉强度≥690MPa，断后延伸率为20-24％，均匀延伸率为12.5-14％，强屈比为1.27-1.29，强屈比合格率为99.5％。基体组织为铁素体加珠光体。

Claims (2)

1.一种提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法，其特征在于：工艺步骤及控制的技术参数如下：
1)采用转炉冶炼：吹炼后出钢，出钢时，按照0.2-0.4kg/t钢加入铝铁合金预脱氧；按照20-22kg/t钢加入硅锰、1.3-1.5kg/t钢加入硅铁、0.8-1.0kg/t钢加入氮化硅；根据轧制的钢筋规格不同，加入不的钒氮合金数量不同：
用于轧制φ12-φ18mm钢筋时，0.8-0.9kg/t钢加入钒氮合金；
用于轧制φ20-φ25mm钢筋时，0.85-0.95kg/t钢加入钒氮合金；
用于轧制φ28-φ40mm钢筋时，0.95-1.05kg/t钢加入钒氮合金；
出钢过程必须全程吹氩，吹氩时间须控制在4-5分钟，所有合金必须干燥且在出钢2/3时加完；钢水出炉后，经方坯连铸机铸成方坯；
2)铸坯热装至加热炉里加热：加热炉各段温度控制为预热段800-950℃；加热段1120-1150℃；均热段1160-1170℃。总加热时间约100-120min，其中1100℃以上的加热时间保持在60-70min；
3)铸坯出炉后进行轧制：控制其开轧温度1000～1050℃，终轧温度不超过950-980℃，精轧后采用控制冷却，使得钢筋上冷床时表面温度在920-1000℃，空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的提高高强热轧带肋钢筋强屈比合格率的方法，其特征在于：高强热轧带肋钢筋性能为：屈服强度≥530MPa，抗拉强度≥680MPa，延伸率A≥20％，Agt/％≥12％，强屈比1.25-1.29，强屈比合格率在99％以上。
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