CN116103576A - 一种屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋及其制造方法，属于金属材料加工技术领域。该钢筋化学成分质量百分比为0.20％≤C≤0.25％，0.30％≤Si≤0.60％，1.20％≤Mn≤1.60％，0.02％≤Nb+V+Ti≤0.06％，N≤0.01％，碳当量0.42％≤Ceq≤0.50％，其余为Fe和不可避免杂质。制备时，高温连铸坯经热轧后带肋直条钢筋送至步进冷床，对热轧带肋钢筋进行强制冷却至其珠光体相变温度区间后，经自然空气冷却至室温。得到直条钢筋的屈服强度为510～550MPa，抗拉强度≥630MPa，抗拉强度与屈服强度之比≥1.25，断后伸长率≥18％，均匀伸长率≥9％，断面硬度差ΔHV≤30，其显微组织为铁素体+珠光体。该带肋钢筋可增强细晶强化和弥散强化效果，降低坯料的合金成本。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及一种屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋及其制造方法。
背景技术
热轧带肋钢筋作为钢筋混凝土结构的主要原材料，在我国房屋建筑和土木工程中，起到重要作用。随着我国建筑业的飞速发展及社会需求的不断提高，生产具有高强度、良好塑初性和焊接性能的钢筋己成为必然，而采用传统生产工艺得到的钢筋难以充分满足性能要求。在这样的大趋势下，钢筋行业目前已经彻底取消了335MPa级钢筋，500MPa级钢筋市场需求量日益增加，高强化钢筋已成为主流发展趋势。2018年新国标《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》对于螺纹钢HRB500的金相组织及力学性能进行了严格要求。新国标条件下如何通过优化钢筋合金成分达到节约资源的目的，同时通过改进控制工艺保证产品性能达标，已成为目前研究的重点。
目前生产屈服强度500MPa高强螺纹钢生产主要有两个手段：(1)采用微合金化技术(主要是V、Nb、Ti)；在C、Si、Mn等元素的基础上添加微合金元素V、Nb、Ti，均可不同程度提高钢材的屈服强度与抗拉强度；一方面是由于合金元素在钢中发挥了固溶强化、沉淀强化等作用；另一方面还可以促进奥氏体向珠光体相变，使钢材珠光体比例增加，从而使屈服强度与抗拉强度升高，采用微合金化技术有较好的综合性能，但成本相对较高，而且受到V、Nb、Ti等微合金资源紧张的制约。(2)采用控轧控冷工艺技术。通过在轧钢过程中采用不同的冷却速度，可以产生不同的金相组织与晶粒尺寸，最终影响产品的屈服强度与抗拉强度。其中的控制冷却技术，可以有效防止晶粒长大，避免了强度过度降低；但冷却速度则需要对轧后冷却速率进行合理控制，既要保证冷却效果又不能冷却过快，从而使合金元素与冷却工艺相互匹配，能够保证屈服强度与抗拉强度达到合理范围。但如何能够在获得要求力学性能的同时，又可以实现低成本生产是企业生产需要解决的技术问题。有鉴于此，通过调整钢材的元素含量和比例，在少量合金元素的情况下获得高性能钢筋已成为重要的研究方向，在不增加合金含量的基础上大幅度提高钢材的性能，通过控轧控冷工艺获得超细组织，是新一代钢铁生产技术的重要发展方向。
一种绿色小规格HRB500E钢筋控轧控冷生产方法(202110555487.X)，通过对钢筋进行一系列控轧控冷工艺，采用合理的初轧温度、精轧与上冷床温度，达到细化了晶粒尺寸的效果；所述热轧带肋钢筋的主要合金元素含量(wt％)为C：0.21-0.25，Si：0.60-0.80，Mn：1.30-1.60，S≤0.045，P≤0.045，V：0.040-0.060，其余为Fe元素；所述热轧带肋钢筋的显微组织主要为铁素体+珠光体，不存在淬硬层，屈服强度在520Mpa以上，此方案中涉及多道热处理工艺复杂，且易造成成品表面氧化皮严重，会在表面出现锈蚀，高强度钢筋锈蚀后其力学性能会有明显下降。
一种HRB500E铌钛微合金高强度抗震钢筋生产方法(201910724803.4)，通过合理匹配铌、钛的含量，充分实现析出强化和细晶强化，同时利用铌推迟铁素体相变，促进珠光体生成，提高大规格高强度钢筋的强屈比，使得钢筋的屈服强度Rp0.2≥500Mpa、其特征在于，所述钢筋化学成分按质量百分比如下：C：0.20～0.25％，Ti：0.005～0.03％，Nb：0.01～0.04％，Si：0.60～0.80％，Mn：1.40～1.60％，P≤0.045％，S≤0.045％，其余为Fe和不可避免的杂质，本发明涉及多种微合金元素复合，一是在实际生产中受工艺条件及环境影响大，要求工艺苛刻。二是近年来原材料价格上涨，铌铁、钒铁生产成本变高，企业效益锐减。
《氮微合金化生产HRB500E钢筋试验研究》中利用氮微合金化制备HRB500E高强抗震钢筋，所述钢筋化学成分按质量百分比如下：C：0.20～0.25％，Si：0.30～0.55％，Mn：1.30～1.55％，P，S≤0.040％，V：0.060～0.080％，N：0.01～0.014％，Ceq＝0.5％，其余为Fe和不可避免的杂质，该研究对于氮含量控制要求严格，工艺复杂，且钢中氮含量波动对钢筋性能影响较大。
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种在钒铌复合微合金化钢筋基础上并利用强制风冷工艺制备的HRB500热轧带肋钢筋的生产方法，避免轧后穿水冷却引起工件表面氧化皮的大量，并且采用微合金化处理，大大减少了生产成本。在生产过程中，热轧钢筋中尽可能少的添加合金元素，并优化控轧控冷工艺，通过控制其冷却过程的冷速及终冷温度，从而高效生产出低成本的符合国家标准的螺纹钢。
(注：焊接碳当量Ceq计算公式：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，式中的元素符号均表示该元素的质量分数。)
发明内容
本发明提供一种屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋及其制造方法，通过合理的匹配铌、钒及其他成分的含量，在尽可能少的添加合金元素的条件下，通过控制轧后冷却过程来生产屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋，实现低合金、高性能生产的目标，满足热轧带肋钢筋的组织性能要求。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：本发明的热轧带肋直条钢筋的化学成分质量百分含量为0.20％≤C≤0.25％，0.30％≤Si≤0.60％，1.20％≤Mn≤1.60％，0.02％≤Nb+V+Ti≤0.06％，N≤0.01％，碳当量0.42％≤Ceq≤0.50％，其余为Fe和不可避免杂质。其中，上述Nb、V、Ti元素包含其中至少一种。
优选的，该热轧带肋直条钢筋的制备方法，包括步骤如下：
优选的，S1，将热的连铸坯在850～1050℃终轧成热轧带肋直条钢筋；
优选的，S2，将热轧带肋直条钢筋输送至步进冷床，在冷床入口端对热轧带肋直条钢筋进行强制风冷；
优选的，S3，当S2中热轧带肋直条钢筋温度降低至500-700℃的珠光体相变温度区后，通过自然空气进一步冷却至室温，得到屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋。
具体的，所述S2中输送至步进冷床的热轧带肋直条钢筋的温度为950～800℃。
所述S2中冷床入口端强制风冷的风速为3m/s-9m/s。
所述S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的屈服强度为510～550MPa，抗拉强度≥630MPa，抗拉强度与屈服强度之比≥1.25。
所述S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的断后伸长率≥18％，均匀伸长率≥9％。
所述S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的断面硬度差ΔHV≤30。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果至少包括：
1)相比添加了大量Nb、V等微合金元素已有方法生产的屈服强度500MPa钢筋，在尽可能少的添加Nb、V微合金元素和其他合金元素的条件下，并较大幅度的提高了钢筋的抗拉强度、断后伸长率和均匀延伸率。屈服强度510～550MPa，抗拉强度≥630MPa，抗拉强度与屈服强度之比≥1.25，断后伸长率≥18％，均匀伸长率≥9％，表面与芯部硬度差ΔHV≤30。
2)与传统的控轧控冷工艺相比，通过调整钢筋在冷床上强制风冷的风速，控制钢材的冷却速度及终冷温度，从而简化生产流程，便于提高生产效率。
3)本发明的热轧带肋钢筋可广泛应用于建筑领域。
4)本发明的HRB500螺纹钢筋的制备方法与常规产线的HRB500钢筋相比，室温组织中铁素体晶粒更细小、珠光体片层间距更细小，可降低加入合金量，减少生产成本。
5)利用强制风冷技术形成和析出了大量细小弥散的碳氮化物析出相，进一步增加了奥氏体稳定性，降低了相变温度，使钢的强化效果明显改善。
6)本发明通过强制风冷工艺对含Nb、V碳氮化物析出强化和控冷工艺细晶强化综合作用来实现强化效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一部分实施例，对本领域普通技术人员来讲在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例中HRB500热轧带肋直条钢筋轧后自然空冷后金相组织图像；
图2为本发明实施例中HRB500热轧带肋直条钢筋轧后强制风冷至500-800℃后金相组织图像；
图3为本发明实施例中直条钢筋维氏硬度测点位置示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明旨在提供一种屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋及其制造方法。该热轧带肋直条钢筋的化学成分质量百分含量为0.20％≤C≤0.25％，0.30％≤Si≤0.60％，1.20％≤Mn≤1.60％，0.02％≤Nb+V+Ti≤0.06％，N≤0.01％，碳当量0.42％≤Ceq≤0.50％，其余为Fe和不可避免杂质。
其制备方法，包括步骤如下：
S1，将热的连铸坯在1050℃以下(一般为850～1050℃)终轧成热轧带肋直条钢筋；
S2，将热轧带肋直条钢筋输送至步进冷床，在冷床入口端对热轧带肋直条钢筋进行强制风冷；
S3，当S2中热轧带肋直条钢筋温度降低至500-700℃的珠光体相变温度区后，通过自然空气进一步冷却至室温，得到屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋。
其中，S2中输送至步进冷床的热轧带肋直条钢筋的温度为950～800℃。冷床入口端强制风冷的风速为3m/s-9m/s。
S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的屈服强度为510～550MPa，抗拉强度≥630MPa，抗拉强度与屈服强度之比≥1.25；断后伸长率≥18％，均匀伸长率≥9％；断面硬度差ΔHV≤30。
在具体实施过程中，原始坯料的化学成分如表1所示，表1中成分1为HRB500牌号钢筋的化学成分，成分2为HRB400牌号钢筋的化学成分。
表1原始坯料的化学成分(质量分数，％)
将表1中两种成分原始坯料经常规工艺方法得到热轧带肋直条钢筋，其力学性能如下表2。
表2采用常规工艺方法生产的热轧带肋直条钢筋的力学性能
将表1中两种成分原始坯料经本发明方法制造得到热轧带肋直条钢筋，其力学性能如表3所示。
表3采用本发明方法制造的热轧带肋直条钢筋的力学性能
与常规技术相比，本发明的HRB500E热轧带肋直条钢筋控轧控冷生产方法具有如下有益效果：
1)本发明充分发挥控冷工艺的优势，通过强制风冷工艺，达到合理的冷却速度，进而控制终冷温度，最终细化了晶粒尺寸；在低合金成分设计体系下，仍可获得国标要求的金相组织与力学性能，大幅度减少了贵金属消耗，降低了生产成本。
2)另外，该HRB500E生产方法需要实际操作步骤相对简易，在实际生产线中，可进一步提高企业生产效率；成品钢材表层氧化皮无起泡和红色，金相组织为铁素体+珠光体，且组织均匀性良好，本发明方法完全适合大批量稳定生产HRB500E热轧带肋直条钢筋。
本实施例中HRB500热轧带肋直条钢筋轧后自然空冷后金相组织图像如图1所示，HRB500热轧带肋直条钢筋轧后强制风冷至500～800℃后金相组织图像如图2所示，其中，黑色部分为珠光体组织，白色部分为铁素体组织。按图3进行维氏硬度检验，试样截面维氏硬度测试的载荷为“5kg”，保持时间为10s。HV代表表面硬度，HV0代表芯部硬度。以规格为28mm的HRB500级别热轧带肋直条钢筋为例，采用常规工艺生产和本发明方法生产的直条钢筋其硬度分别如下表4、表5所示，平均硬度差值分别为27.6HV与23.8HV，风冷后其表面和芯部硬度差更小，说明本发明方法生产的钢筋具有良好的硬度均匀性，且符合国家标准的硬度差要求(不大于40HV)。
表4常规工艺生产Φ28mm规格HRB500钢筋各点硬度及平均硬度值
表5本发明方法生产Φ28mm规格HRB500钢筋各点硬度及平均硬度值
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋，其特征在于，热轧带肋钢筋的化学成分质量百分含量为0.20％≤C≤0.25％，0.30％≤Si≤0.60％，1.20％≤Mn≤1.60％，0.02％≤Nb+V+Ti≤0.06％，N≤0.01％，碳当量0.42％≤Ceq≤0.50％，其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋，其特征在于，所述Nb、V、Ti元素包含其中至少一种。
3.根据权利要求1所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
S1，将热的连铸坯在850～1050℃终轧成热轧带肋直条钢筋；
S2，将热轧带肋直条钢筋输送至步进冷床，在冷床入口端对热轧带肋直条钢筋进行强制风冷；
S3，当S2中热轧带肋直条钢筋温度降低至500-700℃的珠光体相变温度区后，通过自然空气进一步冷却至室温，得到屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋。
4.根据权利要求3所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于，所述S2中输送至冷床的热轧带肋直条钢筋的温度为950～800℃。
5.根据权利要求3所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于，所述S2中步进冷床入口端强制风冷的风速为3m/s-9m/s。
6.根据权利要求3所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于，所述S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的屈服强度为510～550MPa，抗拉强度≥630MPa，抗拉强度与屈服强度之比≥1.25。
7.根据权利要求3所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于，所述S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的断后伸长率≥18％，均匀伸长率≥9％。
8.根据权利要求3所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于，所述S3中得到的屈服强度500MPa的热轧带肋直条钢筋的断面硬度差ΔHV≤30。
9.根据权利要求3所述的屈服强度500MPa热轧带肋直条钢筋的制备方法，其特征在于：所述钢筋的微观组织包括铁素体和珠光体。
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