HRB400E热轧带肋钢筋增氮强化的生产实践

2021-01-27康建光战东平王荣健杨永坤谈昕晖

辽宁科技大学学报 2020年6期

康建光，战东平，王荣健，杨永坤，刘新，谈昕晖

（1.无锡新三洲特钢有限公司，江苏无锡 214000；2.东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819；3.浙江长兴同昕炉料有限公司，浙江湖州 313100）

新版国家标准GB1499.2—2018《钢筋混凝土用钢—第2 部分：热轧带肋钢筋》对热轧带肋钢筋的质量提出明确要求。热轧带肋钢筋的金相组织主要是铁素体和珠光体，不得有影响使用性能的其它组织存在，晶粒度为9级或更细。螺纹钢如何在不增加Si、Mn、Nb、V 等合金成本的同时，达到国家新标准的要求是生产企业面临的新课题［1］。

V 微合金化是发展高强度热轧钢筋的主要技术路线之一，在钢液中加入适量含V合金，可以形成具有强化作用的细小弥散分布的碳氮化物。研究表明［2］，氮是含V微合金钢中十分有效的合金化元素，与V具有较强的亲和力，钢中增氮能促进含V 第二相的析出，起到细化晶粒的作用，进而改善钢的强韧性。含V钢中每增加10×10-6的氮可提高强度8 MPa，可节约20%～40%的V，有效降低钢材生产成本［3-5］。目前，向钢液中增氮主要有两种方式：一种是加入富氮合金，钢中氮质量分数较易精确控制，但成本较高；另一种是吹入氮气增氮，冶炼成本较低，但是钢中氮质量分数控制不稳定，且易造成钢液温度降低。

某特钢公司尝试采用微合金化+增氮强化生产工艺，在降低生产成本的同时，充分利用合金元素的沉淀析出强化作用，生产的热轧带肋钢筋可以满足国家标准的强度、韧性等性能要求。

1 热轧带肋钢筋生产工艺

某特钢公司采用目前螺纹钢筋生产企业普遍使用的设备和工艺，生产流程：600 m3高炉铁水—60 t 转炉吹炼—吹氩站—连铸—加热炉—连轧。转炉用铁水成分：碳质量分数4.5%～4.8%，硅质量分数0.3%～0.5%，锰质量分数0.1%～0.2%，磷、硫和钛质量分数分别控制在0.14%、0.05%和0.07%以下。转炉出钢过程加入FeSi 合金、MnSi 合金、FeNb 合金（或FeV 合金）进行脱氧合金化，并加入4.5～5.0 kg/t 的增氮强化剂（成分为：CaO 40%，Al2O323%，Re 25%，N 10%，SiO22%），出钢全程底吹氮气进行充分搅拌。在炉后吹氩站使用碳包芯线进行成分微调，钢水处理时间确保8 min 以上。钢包全程加盖保护，并保持18 min 浇注周期的快节奏生产模式，减少钢水转移和浇注过程中的温度损失，确保钢水的洁净度。

加热炉预热段、加热段、开轧、上冷床温度控制分别为800～850、1 020～1 040、1 000～1 050、850～900 ℃。采用18架Pomini平立交替连轧机组：6架粗轧机、6架中轧机、6架精轧机。中轧后进行预穿水，穿水压力0.5～0.6 MPa。采用精轧Ⅰ架预切分和Ⅲ架切分的轧制模式，其中Φ10、Φ12、Φ14 规格四切分轧制，Φ16、Φ18、Φ20规格三切分轧制，Φ22和Φ25规格两切分轧制，Φ28规格单线轧制。步进式冷床下部设置风机，针对不同规格采取差异化的冷却速率，确保钢材组织的均匀和性能的稳定。

2 微合金化+增氮强化生产热轧带肋钢筋实践结果

2.1 原工艺与新工艺生产热轧带肋钢筋成分及力学性能

原工艺包括V 微合金化和V-Nb 微合金化生产热轧带肋钢筋，新工艺包括V微合金化+增氮强化和Nb 微合金化+增氮强化生产热轧带肋钢筋。表1 为原工艺和新工艺生产热轧带肋钢筋的控制方式。其中V以VN16合金加入进行合金化处理，Nb以FeNb60合金加入进行合金化处理，N以加入特制增氮剂配合底吹氮气共同控制其质量分数。

原工艺与新工艺生产热轧带肋钢筋成分如表2 所示。C、Si、Mn、P、S 元素的质量分数控制在规定范围内，V、Nb和N的质量分数控制范围有所不同。与原工艺V 微合金化相比，采用新工艺V 微合金化+增氮强化生产时，钢筋中V的质量分数减少了0.020%～0.025%，N的质量分数增加了0.009%～0.010%。与原工艺V-Nb 复合微合金化相比，采用新工艺Nb 微合金化+增氮强化生产时，钢筋中Nb 的质量分数减少了0.012%～0.013%，N 的质量分数增加了0.010%～0.011%，且不用加入V合金。

表1 原工艺与新工艺生产热轧带肋钢筋的控制方式Tab.1 Control methods of hot rolled ribbed steel bars produced by original and new processes

表2 原工艺与新工艺工艺生产热轧带肋钢筋成分质量分数，%Tab.2 Chemical compositions of hot rolled ribbed bars produced by original and new processes(mass fraction)，%

每种工艺随机选择10～12炉，对原工艺和新工艺生产的Φ18 mm HRB400E热轧带肋钢筋进行力学性能分析，结果如表3和图1所示。与原V微合金化工艺相比，采用新工艺V 微合金化+增氮强化生产时，在降低V 质量分数、节约生产成本的同时，屈服强度和抗拉强度均略高于原V 微合金化工艺产品，其中平均屈服强度高7.17 MPa，平均抗拉强度高3.83 MPa。与原V+Nb 复合微合金化工艺相比，采用新工艺Nb 微合金化+增氮强化生产时，在省去V合金加入、降低Nb质量分数、节约生产成本的同时，抗拉强度与原工艺生产的热轧带肋钢筋相当，而平均屈服强度增加11.25 MPa。

表3 生产的热轧带肋钢筋力学性能，MPaTab.3 Mechanical properties of hot rolled ribbed bars，MPa

2.2热轧带肋钢筋微观组织

原工艺和新工艺生产的热轧带肋钢筋微观组织如图2 所示。新工艺生产的热轧带肋钢筋组织与原工艺相同，均以铁素体和珠光体为主，未见异常组织，组织形态相近，珠光体和铁素体组织含量相当。随机选取两种新工艺生产的10炉热轧带肋钢筋进行铁素体晶粒度分析统计，结果如图3 所示。两种新工艺生产的带肋钢筋均能满足新版国家标准，晶粒度等级均能达到11 级，其中采用Nb微合金化+增氮强化工艺生产的钢筋晶粒度等级比V微合金化+增氮强化工艺更为稳定。