CN112143967B

CN112143967B - 一种低成本微钒超细晶钢筋及其轧制工艺

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Publication number: CN112143967B
Application number: CN202010870252.5A
Authority: CN
Inventors: 谢吉祥; 刁承民; 赵根社; 张宝富; 徐增举; 展卫星; 王康; 吴萌
Original assignee: Yancheng Lianxin Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Yancheng Lianxin Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2040-08-26
Also published as: CN112143967A

Abstract

本发明公开了一种低成本微钒超细晶钢筋，以质量百分比计，其化学成分如下，C：0.20％～0.25％，Si：0.30％～0.60％，Mn：1.10％～1.40％，V：0.003％～0.01％，N：0.008％～0.012％，P≤0.045％，S≤0.045％，余量为Fe及不可避免杂质。本发明还公开了一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺。本发明使用低温大变形精轧，实现VN的形变诱导析出，进而提高其大量析出的温度，使之与铁素体转变温度重合。利用诱导析出的VN细化新生铁素体晶粒，并最终细化室温组织。同时微量的VN还能起到析出强化和遇到高温时阻碍晶粒长大的作用。

Description

一种低成本微钒超细晶钢筋及其轧制工艺

技术领域

本发明涉及一种低成本微钒超细晶钢筋及其轧制工艺，属于金属材料技术领域。

背景技术

带肋钢筋是建筑领域重要的钢铁材料，要求具有较高的强度、韧性和低的成本。国标GB/T1499.2-2018实施后，添加V、Nb等微合金元素进行析出强化和细晶强化成为保证钢筋性能的主要手段。但是添加微合金元素的成本也成为了生产企业相互竞争的重要控制因素。专利CN 201910786403.6、CN 202010028735.0、CN 201910243512.3公开的生产HRB400(E)级钢筋中V、Nb元素添加量已经降低至0.01％～0.02％wt。东北大学申请公开的CN201910279655.X等一系列专利采用极微小的氧化物代替V(C,N)、Nb(C,N)细化晶粒，虽然降低了材料成本，但冶金难度极大，难以应用于实际生产。

目前，HRB400(E)级钢筋主要依靠控轧控冷工艺细化奥氏体晶粒；通过固溶的Nb及Nb(C,N)阻碍奥氏体再结晶，细化相转变后的室温组织，使实际晶粒度大于9级；通过在铁素体和珠光体中析出的V(C,N)提高钢筋的强度。由于析出温度的差别，Nb更多用来细化晶粒，V更多用来析出强化。复合添加Nb、V成本高，单独添加V元素需要达到一定含量才能发挥细化组织的效果。当V含量低于上述专利添加的下限0.01％wt时，VN大量析出温度约为700℃，此时铁素体转变已经结束，无法充分发挥细化铁素体晶粒的效果。

发明内容

本发明针对低成本HRB400(E)钢筋生产，提供一种低成本微钒超细晶钢筋及其轧制工艺，利用大变形量低温精轧，实现钢筋含V量低于0.01％wt，实际晶粒度大于13级，性能合格，成本进一步降低。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种低成本微钒超细晶钢筋，以质量百分比计，其化学成分如下，C：0.20％～0.25％，Si：0.30％～0.60％，Mn：1.10％～1.40％，V：0.003％～0.01％，N：0.008％～0.012％，P≤0.045％，S≤0.045％，余量为Fe及不可避免杂质。

一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，包括以下步骤：

S1：钢坯使用步进式加热炉加热，其中均热温度控制在1000±10℃；

S2：钢坯出炉并水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧和预精轧机组轧制，期间布置穿水冷却装置，保证钢坯进预精轧温度在850℃～900℃；

S3：预精轧后钢坯穿水冷却，保证进精轧温度控制在750℃～800℃，同时保证精轧总减面率大于65％；

S4：精轧后钢筋表面雾冷至500℃～550℃，冷速大于100℃/s；返温后上冷床温度750℃～780℃，缓冷，得成品钢筋。

精轧总减面率＝(精轧前截面积-精轧后截面积)/精轧前截面积。

所述成品钢筋心部的晶粒度大于13级。

所述成品钢筋为HRB400(E)级别钢筋。所述成品钢筋屈服强度大于430MPa，抗拉强度大于600MPa，断后伸长率大于23％，最大力延伸率大于10％，强屈比大于1.35，屈标比小于1.15。

具体地，本发明采用S3工艺进行精轧时，可以产生形变诱导析出，大幅提高VN的析出温度。使VN大量析出的温度与铁素体转变温度重合，利用从奥氏体向铁素体转变时相间析出的细小VN阻碍新生铁素体晶粒长大，达到细晶强化的目的。极细的室温组织可以同时提高钢筋的强度和塑性。同时析出的细小VN还能起到析出强化和遇到高温时阻碍晶粒长大的作用。

具体地，本发明S1中对钢坯均热温度提出要求。当均热温度在1000±10℃时，既可以使微钒超细晶钢坯中的VN完全溶解并扩散均匀，又可以有效防止奥氏体晶粒长得过大。同时，低的均热温度还降低了钢坯开轧温度，提高各道次轧制细化晶粒的效果。

具体地，本发明S2中对钢坯进预精轧温度提出要求。当进预精轧温度在850℃～900℃时，可以获得细小的奥氏体晶粒，为精轧工艺做准备。

具体地，本发明S3中对钢筋精轧过程提出要求。精轧过程需要将微钒超细晶钢VN大量析出温度提高约50℃。因此需在750℃～800℃区间精轧，同时采用大变形量轧制，提高形变奥氏体缺陷密度和自由能，为形变诱导析出提供足够的驱动力。经实际生产验证，精轧变形量越大，VN大量析出温度越高。当钢筋精轧减面率大于65％时，可以达到VN与铁素体同时析出，细化晶粒效果理想。

具体地，本发明S4中对钢筋精轧后的冷却过程提出要求。精轧后需要快冷以阻止新生铁素体和形变铁素体再结晶后的长大，保留精轧细化晶粒的效果；同时抑制VN粗化，增加VN析出强化效果。当钢筋表面雾冷至500℃～550℃时，钢筋心部组织不再发生明显粗化，钢筋表面也不会形成贝氏体、马氏体等异常组织。成品钢筋宏观金相无封闭圈，各位置显微组织均为铁素体+珠光体。试验表明，雾冷时钢筋表面冷速应达到100℃/s以上。此时，钢筋返温后上冷床温度750℃～780℃。倍尺钢筋在冷床缓冷以释放应力、保证钢筋平直度和方便切定尺、收集。

本发明的有益效果在于：

(1)、使用本发明的轧制工艺，可以将HRB400(E)级别钢筋中添加的V元素质量百分比降低至0.003％～0.01％，进一步降低成本。同时，遇到高温时VN还可以起到阻碍晶粒长大的作用。

(2)、使用本发明的轧制工艺，可以充分发挥V元素细化晶粒的作用，成品钢筋心部实际晶粒度大于13级，且无异常组织出现。

(3)、使用本发明轧制工艺，成品钢筋屈服强度大于430MPa，抗拉强度大于600MPa，断后伸长率大于23％，最大力延伸率大于10％，强屈比大于1.35，屈标比小于1.15，性能完全满足HRB400(E)级别钢筋国标(GB/T1499.2-2018)和使用性能要求。

附图说明

图1是实施例1钢筋心部横截面金相组织；

图2是实施例2钢筋心部横截面金相组织；

图3是实施例3钢筋心部横截面金相组织；

图4是对比例1钢筋心部横截面金相组织；

图5是对比例2钢筋心部横截面金相组织；

图6为本发明中微钒超细晶钢筋的轧制原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种低成本微钒超细晶钢筋，具有如下的质量百分比化学成分：0.23％C、0.47％Si、1.30％Mn、0.017％P、0.020％S、0.005％V、0.010％N，余量为Fe及不可避免杂质。

一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，钢坯使用步进式加热炉加热，其中均热段温度1000℃，出钢温度980℃。水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧后穿水冷却。进预精轧温度880℃，出预精轧后水冷至790℃进精轧机组，精轧阶段减面率70％。精轧结束后雾冷，钢筋表面760℃上冷床缓冷，切定尺、集捆、包装。

使用本实施例的轧制工艺生产的钢筋心部横截面金相照片参见附图1，心部实际晶粒度评级和拉伸性能见表1。钢筋各位置显微组织为铁素体+珠光体，无异常组织，心部实际晶粒度13.0级，拉伸性能完全满足HRB400(E)钢筋国标(GB/T1499.2-2018)和使用要求。

实施例2：

一种低成本微钒超细晶钢筋，具有如下的质量百分比化学成分：0.25％C、0.60％Si、1.39％Mn、0.025％P、0.023％S、0.01％V、0.012％N，余量为Fe及不可避免杂质。

一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，钢坯使用步进式加热炉加热，其中均热段温度1010℃，出钢温度980℃。水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧后穿水冷却。进预精轧温度900℃，出预精轧后水冷至800℃进精轧机组，精轧阶段减面率75％；精轧结束后钢筋表面雾冷至550℃，雾冷的冷速为120℃/s；返温后钢筋表面750℃上冷床缓冷，切定尺、集捆、包装。

使用本实施例轧制工艺生产的钢筋心部横截面金相照片参见附图2，心部实际晶粒度评级和拉伸性能见表1。钢筋各位置显微组织为铁素体+珠光体，无异常组织，心部实际晶粒度13.5级，拉伸性能完全满足HRB400(E)钢筋国标(GB/T1499.2-2018)和使用要求。

实施例3：

一种低成本微钒超细晶钢筋，具有如下的质量百分比化学成分：0.20％C、0.30％Si、1.10％Mn、0.022％P、0.019％S、0.003％V、0.008％N，余量为Fe及不可避免杂质。

一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，钢坯使用步进式加热炉加热，其中均热段温度990℃，出钢温度970℃。水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧后穿水冷却。进预精轧温度850℃，出预精轧后水冷至750℃进精轧机组，精轧阶段减面率65％；精轧结束后钢筋表面雾冷至500℃，雾冷的冷速为100℃/s；返温后钢筋表面780℃上冷床缓冷，切定尺、集捆、包装。

使用本实施例轧制工艺生产的钢筋心部横截面金相照片参见附图3，心部实际晶粒度评级和拉伸性能见表1。钢筋各位置显微组织为铁素体+珠光体，无异常组织，心部实际晶粒度13.0级，拉伸性能完全满足HRB400(E)钢筋国标(GB/T1499.2-2018)和使用要求。

对比例1：

钢筋具有如下的质量百分比化学成分：0.24％C、0.36％Si、1.22％Mn、0.021％P、0.017％S、0.004％V、0.009％N，余量为Fe及不可避免杂质。

钢坯使用步进式加热炉加热，其中均热段温度1000℃，出钢温度980℃。水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧后穿水冷却。进预精轧温度880℃，出预精轧后水冷至860℃进精轧机组，精轧阶段减面率70％。精轧结束后雾冷，钢筋表面780℃上冷床缓冷，切定尺、集捆、包装。

使用上述轧制工艺生产的钢筋心部横截面金相照片参见附图4，心部实际晶粒度评级和拉伸性能见附1。钢筋各位置显微组织为铁素体+珠光体，无异常组织，心部实际晶粒度11.5级。本对比例中，由于进精轧温度明显高于本发明所述轧制工艺S3中“保证进精轧温度控制在750℃～800℃”，导致变形能被变形奥氏体晶粒的回复过程消耗，无法诱导VN在高于700℃的温度区间大量析出，不能进一步细化相变的铁素体晶粒，导致钢筋室温组织明显粗大。拉伸性能接近国标GB/T1499.2-2018对HRB400(E)钢筋的要求下限，难以达到实际使用要求。

对比例2：

钢筋具有如下的质量百分比化学成分：0.23％C、0.47％Si、1.35％Mn、0.022％P、0.022％S、0.007％V、0.011％N，余量为Fe及不可避免杂质。

钢坯使用步进式加热炉加热，其中均热段温度1000℃，出钢温度980℃。水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧后穿水冷却。进预精轧温度880℃，出预精轧后水冷至770℃进精轧机组，精轧阶段减面率55％。精轧结束后雾冷，钢筋表面760℃上冷床缓冷，切定尺、集捆、包装。

使用上述轧制工艺生产的钢筋心部横截面金相照片参见附图5，心部实际晶粒度评级和拉伸性能见表1。钢筋各位置显微组织为铁素体+珠光体，无异常组织，心部实际晶粒度12.0级。由于精轧阶段减面率明显低于本发明所述轧制工艺S3中“同时应保证精轧总减面率大于65％”，导致变形量不足，不足以将VN大量析出的温度提高至铁素体大量转变的温度，造成VN细化相变铁素体晶粒的作用明显减弱，导致钢筋室温组织明显粗大。拉伸性能接近国标GB/T1499.2-2018对HRB400(E)钢筋的要求下限，难以达到实际使用要求。

表1

如图6所示，钢坯中铁素体和VN的平衡态含量与温度关系如下，当温度大于870℃时，VN完全溶解；降温过程中，810℃时铁素体转变开始，696℃时转变结束；700℃时VN开始大量析出。因此，冷却时，从铁素体转变开始至几乎转变完成时，只有极少量的VN析出，不能起到有效细化铁素体晶粒的作用。低于700℃大量析出的VN只能在铁素体和珠光体中起到析出强化的作用。采用本发明的S3工艺进行精轧时，可以产生形变诱导析出，大幅提高VN的析出温度。使VN大量析出的温度与铁素体转变温度重合，利用从奥氏体向铁素体转变时相间析出的细小VN阻碍新生铁素体晶粒长大，达到细晶强化的目的。极细的室温组织可以同时提高钢筋的强度和塑性。同时析出的细小VN还能起到析出强化和遇到高温时阻碍晶粒长大的作用。

另外，如图6所示，精轧过程需要将所述微钒超细晶钢VN大量析出温度提高约50℃。因此需在750℃～800℃区间精轧，同时采用大变形量轧制，提高形变奥氏体缺陷密度和自由能，为形变诱导析出提供足够的驱动力。经实际生产验证，精轧变形量越大，VN大量析出温度越高。当钢筋精轧减面率大于65％时，可以达到VN与铁素体同时析出，细化晶粒效果理想。

综上所述，本发明随轧机能力的提升，精轧过程采用低温大变形成为可能。在略高于VN析出温度进行大变形量变形可以发生形变诱导析出，提高VN的析出温度，进而使微量的VN既可以发挥析出强化的效果，又可以发挥细晶强化的效果。从而进一步降低成本。此外，微量的VN还可以阻碍发生火灾等高温情景下细晶粒钢筋的晶粒长大，进而延缓钢筋软化，提供一定的安全保障。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，其特征在于：以质量百分比计，其化学成分如下，C：0.20%~0.25%，Si：0.30%~0.60%，Mn：1.10%~1.40%，V：0.003%~0.01%，N：0.008%~0.012%，P≤0.045%，S≤0.045%，余量为Fe及不可避免杂质；

包括以下步骤：

S2：钢坯出炉并水除鳞后连续轧制，经粗轧、中轧和预精轧机组轧制，期间布置穿水冷却装置，保证钢坯进预精轧温度在850℃~900℃；

S3：预精轧后钢坯穿水冷却，保证进精轧温度控制在750℃~800℃，同时保证精轧总减面率大于65%；

S4：精轧后钢筋表面雾冷至500℃~550℃，冷速大于100℃/s；返温后上冷床温度750℃~780℃，缓冷，得成品钢筋；

所述成品钢筋心部的晶粒度大于13级；

成品钢筋显微组织均为铁素体+珠光体；

精轧总减面率=（精轧前截面积-精轧后截面积）／精轧前截面积。

2.根据权利要求1所述的一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，其特征在于：所述成品钢筋屈服强度大于430MPa，抗拉强度大于600MPa，断后伸长率大于23%，最大力延伸率大于10%，强屈比大于1.35，屈标比小于1.15。

3.根据权利要求1所述的一种低成本微钒超细晶钢筋的轧制工艺，其特征在于：所述成品钢筋为HRB400E级别钢筋。