600 MPa级钒氮微合金化热轧高性能钢筋的研制

李成军

（济钢集团有限公司，济南 250101)

600 MPa级钒氮微合金化热轧高性能钢筋的研制

李成军

（济钢集团有限公司，济南 250101)

介绍了济钢钒氮微合金化HRB600钢筋的生产实践。通过转炉冶炼、炉外精炼和全连续轧机进行了工业试制，应用光谱分析仪、显微镜、拉伸试验机、多功能焊机等设备对试制钢筋的成分、组织、性能，特别是钢筋的时效性、焊接工艺性能、疲劳性能进行了分析。结果证明，采用钒氮微合金化工艺试制的产品的屈服强度达到670 MPa、抗拉强度达到800 MPa，断后伸长率达到19%以上，钢筋具有在500万次高周疲劳应力下未发生断裂的疲劳性能，时效试验表明产品性能稳定，并且适用于多种焊接和机械连接方式，满足行业标准的要求，其生产工艺具有一定的经济优势。

钢筋 HRB600 钒氮微合金化 焊接性能

1 引言

目前，世界主要工业国家正在逐步淘汰强度小于400 MPa级水平的钢筋。如美国多采用屈服强度在400 MPa以上的钢筋，欧盟等国基本上采用500 MPa钢筋，并正在开展600 MPa级甚至更高级别钢筋的开发，而我国在2010年钢筋的产销量为1.36亿吨，其中HRB400高强度钢筋的应用比例为38%，HRB500钢筋的应用比例不到2%[1]。2011年，工信部与建设部等相关部门建立了联合推进高强度钢筋应用的机制，搭建起了推进高强钢筋应用的平台。随着

机制的运行，相信高强钢筋的生产与应用会得到快速的发展，大大改善当前建筑用产品品种结构，为实现资源节约型、环境友好型企业提供有力的支撑。

微合金化技术起源于20世纪60年代，单一或复合铌、钒、钛在微合金化设计、工艺配合、应用等方面积累了丰富的经验和实践，被誉为20世纪钢铁工业最突出的物理冶金成就之一。微量铌、钒、钛等元素被誉为钢中的维生素，可显著改善钢的强度与韧性等综合性能[2]。其中钒微合金化的作用主要体现在：（1)通过在钢中增氮，会使钒在钢中的存在形式由固溶态为主转变为钒的碳氮化物的析出态，增强淀强化作用;（2)析出的氮化钒可以起到铁素体相变中形核核心的作用，增加形核质点，诱导铁素体析出，从而细化晶粒尺寸[3]。

本文通过在合金元素中加入微量V，并在钢中增氮，新开发了600 MPa级高强度钢筋，并对其微观察组织与性能进行了研究。

2 成分和工艺设计

2.1 成分设计

成分设计主要考虑两个方面，一是较高的屈服强度和抗拉强度的要求，二是钢筋要有良好的焊接性，以保证产品普遍应用的要求。成分的设计参照国家标准GB1499.2—2007，钢中的五大元素和碳当量仍沿用标准GB1499.2—2007中HRB500钢筋的要求，设计的成分见表1。通过钢中增氮和轧制工艺的优化，充分发挥了钒在钢中沉淀强化和细晶强化的作用，保证了钢的机械性能和焊接性能。

表1 成分设计 /%

2.2 工艺设计

HRB600钢筋的生产工艺流程为：45 t转炉冶炼→脱氧合金化→LF精炼→CCM方坯连铸→剪切→检验→计量→加热→轧制→冷床冷却→定尺剪切→检验→包装→计量→入库。

用45 t转炉进行窄成分控制冶炼，内控范围满足表1要求。转炉冶炼终点碳控制在0.08%以上，控制钢水的氧化性，终点温度控制在1 620～1 680℃;加热温度控制为1 100～1 200℃，从而既保证了微合金元素的充分固溶，又兼顾了防止奥氏体晶粒的粗化，终轧温度在950℃以下，充分发挥了第二相粒子的析出作用。

3 试验结果分析

3.1 拉伸试验

用100 t或200 t液压微机伺服万能试验机对开发的4个规格的钢筋进行了拉伸试验。结果显示：钢筋的屈服强度在645～685 MPa，抗拉强度在785～810 MPa，断后伸长率为18%～25%，各指标满足HRB600钢筋的技术要求（即屈服强度不小于600 MPa、抗拉强度不小于730 MPa、断后伸长率不小于15%)。钢筋的力学性能结果见表2。

表2 钢筋的力学性能结果

图1为批号19858、Φ25 mm钢筋的拉伸应力-应变曲线，可观察到拉伸过程存在明显的屈服台阶，说明钢筋具有良好的延性，有利于建筑结构的抗震性。

图1 Φ25 mm钢筋的拉伸应力-应变曲线

批号19858、Φ25 mm钢筋拉断后的钢筋试样在拉伸过程出现了明显的“颈缩”，宏观断口呈“杯凸状”，见图 2（a)、（b)，属于韧性断裂。采用扫描电镜，对该试样拉伸断口的形貌进行分析，见图2（c)，可见断口中存在较多的韧窝。

图2 断口宏观和微观形貌

3.2 时效分析

为检验钢筋的时效性，对3批Φ12 mm钢筋，按试验批号每批在同一支钢筋上截取时效样3套，分别进行1周、1个月的自然时效性能检验，结果见表3。时效性能对比结果见表4。

表3 时效性能表

表4 时效性能对比结果

对力学性能比较分析可以看出，经7天（168 h)时效后，屈服强度和抗拉强度降低7～8 MPa;经30天（720 h)时效后，屈服强度和抗拉强度降低9 MPa，延伸率略有提高，总之，钢筋无明显的时效性，但是随着时效时间的延长，屈服强度和抗拉强度略有降低，延伸率略有上升。

3.3 金相组织

利用OLYMPUS光学显微镜，分别对试制的12、16、25、36 mm的钢筋进行了显微组织观察，钢的组织为铁素体和珠光体，晶粒度在9.5～10级，晶粒均匀。图3为批号19858、Φ25mm钢筋试样在100倍和500倍条件下的显微组织照片。

图3 批号19858、Φ25 mm的显微组织

3.4 焊接工艺评定

按照《钢筋焊接及检验规程》JGJ 18—2003国家行业标准的要求，分别采用闪光对焊、帮条焊、搭接焊、坡口焊、熔槽帮条焊、窄间隙焊、电渣压力焊、气压焊和机械连接九种方式进行了钢筋焊接和连接拉力试验，结果拉伸断口特征均为延性断裂，且拉伸断裂位置均为母材位置，该结果显示钢筋具有良好的焊接性能，适用于常规及特殊焊接方式进行连接。焊接拉伸后的照片见图4。

图4 焊接试样拉伸后照片

3.5 疲劳性能

按照疲劳试验取样标准，对Φ12、Φ25三个规格的钢筋送检国家建筑钢材监督检测中心，进行了应力幅值260 MPa、5×106次疲劳测试，所有试样均未断裂。

4 结论

应用钒氮合金化，可以生产600 MPa级的热轧状态的高强度钢筋，屈服强度可达680 MPa、抗拉强度达到800 MPa、延伸率保持19%以上，其产品具有机械性能稳定，时效性不明显，焊接性适用范围广等特点。

[1]苏世怀，完卫国，孙维，等.中国建筑用带肋钢筋、线材品种的优化[J].建材世界，2010，31（5)：36-39.

[2]刘建,王华昆.钒氮微合金化高强度钢的研究及应用[J].上海金属，2006，28（2)：56-60.

[3]杨才福，张永权.钒氮微合金化技术在HSLA钢中的应用[J].钢铁，2002，37（11)：42－47.

Development of 600 MPa Grade V-N microalloying Hot Rolled Rebar of High Performance

Li Chengjun
(Jigang Group Company Limited,Jinan 250101,China)

The production practice of V-N microalloying HRB600 rebar at Jigang is described.Industry trial was run through converter melting,LF refining and continuous rolling;the composition,structure and properties of the produced rebar,especially aging,weldability and fatigue,were analyzed by spectrometer,microscope,tensile testing machine and multifunction welder.Results showed over 670 MPa yielding strength,800 MPa tensile strength,over 19%elongation after fracture,non breakage fatigue under 5,000,000 times high cycle fatigue stress,and stable properties in aging test.Suitable for many welding and mechanical connection methods,the rebar meets the standard requirement by the industry and possessed economic advantages in production process.

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李成军（1975—)，男，山东高唐人，硕士，主要从事轧钢工艺、新材料和新产品的开发工作，E-mail：lichengjun7510@126.com。

（收稿 2012-02-20 编辑 潘娜)