基于降硅合金优化降低钢材成本方案的可行性探究

2024-01-07李伟，王勇，桓杰

山西冶金 2023年7期

李伟，王勇，桓杰

（汉中钢铁有限责任公司，陕西汉中 724200）

0 引言

热轧带肋抗震钢筋是当前建筑用钢的核心产品之一，占据钢铁市场近30%的份额，对其进行工艺优化有着极为重要的作用。钢中添加合金元素是改善钢材性能最为有效、最为核心的方法，合金元素的添加会使钢材的性能、组织成分都发生改变。硅作为钢材中核心合金元素之一，对钢材性能有着重要的影响，同时硅元素影响钢材锰、钒对钢性能产生的作用。由于当前钢铁市场形势较为严峻，各地企业均在积极探求通过合金优化降低钢材成本的方法，降低硅含量也成为合金优化的重要方向。此外，受钢铁市场环境影响，优化合金成分成为钢铁企业低成本运行的重要手段，因此探究硅元素对钢材组织性能影响对于当前热轧带肋抗震钢筋后续发展有着极为深远的意义。

硅元素是钢材冶炼最为常用的脱氧元素，其在钢中不以碳化物形式存在，一般以固溶体形式存在于铁素体或奥氏体中。作为钢中存在的合金元素时，Si 能够提升钢材的强度、硬度以及弹性极限，同时对钢材的塑形、冲击韧性、冷弯性能有较为明显的影响。但伴随硅含量的增加，钢材的焊接性能会随之降低，这对热轧带肋抗震钢筋会产生一定的影响[1]。鉴于此，本文探究硅含量对热轧带肋抗震钢筋组织与力学性能的影响，在尽可能将硅对钢材的正向影响发挥到最大的同时，降低钢材合金成本，实现低成本运行。

1 实验材料及方案

为确保实验数据真实性与实用性，借助某大型钢铁企业生产设备进行实际生产数据记录。本实验为对比实验，实验对象选用具有代表性的Φ12 mm 规格的HRB400E，硅成分采用递减式设计，共选取20 组实验数据进行分析，其具体成分如表1、表2 所示。

表1 Φ12 mm HRB400E 化学成分

表2 降硅合金优化后Φ12 mm HRB400E 化学成分

本实验在该企业2 号棒线进行实际生产轧制，采用18 架轧机，Φ12 mm HRB400E 采用五切分轧制工艺，实际终冷温度大于900 ℃，开轧温度大于1 050 ℃。

在组织检测方面，采用金相实验观测金相内部组织，通过拉伸实验、弯曲实验测定钢材抗拉强度、屈服强度、强屈比。

2 实验结果

2.1 力学性能

20 组试样的力学性能如表3、表4 所示，本次实验共轧制80 余批次钢材，w（Si）跨度由0.60%减少到0.30%，屈服强度范围为440～475 MPa，抗拉强度范围为615～660 MPa。根据实验数据可发现，当w（Si）保持在0.40%～0.60%区间时，随着硅含量的减少，钢材整体力学性能呈下降趋势，近似可得w（Si）每降低0.01%，屈服强度降低1.5 MPa，抗拉强度降低4～5 MPa。当w（Si）低于0.40%时，硅对钢材性能影响较为微弱，随着硅含量进一步降低，其对刚才力学性能影响可近似忽略不计。

表3 Φ12 mm HRB400E 力学性能

表4 降硅合金优化后Φ12 mm HRB400E 力学性能

2.2 组织结构

根据试样金相可知，HRB400E 其金相组织为铁素体+珠光体，其珠光体含量与铁素体含量并无较为明显的差异变化。不同成分的试样金相显微形貌如图1—图3 所示。

图1 w（C）=0.24%、w（Si）=0.30%、w（Mn）=1.37%、w（V）=0.029%金相显微形貌

图2 w（C）=0.24%、w（Si）=0.44%、w（Mn）=1.35%、w（V）=0.030%金相显微形貌

图3 w（C）=0.24%、w（Si）=0.54%、w（Mn）=1.35%、w（V）=0.030%金相显微形貌

2.3 表面质量

在实验过程中发现随着硅含量的降低，钢材表面浮锈生成速度加快。选取w（Si）为0.58%、0.50%、0.42%、0.39%的四组试样放置于室温下的潮湿环境中，静置24 h 后取出，试样表面形貌如图4—图7 所示。根据试样表面产生锈蚀情况可以发现，硅含量越低，试样表面浮锈越明显。

图4 w（Si）=0.58%试样表面形貌

图5 w（Si）=0.50%试样表面形貌

图6 w（Si）=0.42%试样表面形貌

图7 w（Si）=0.39%试样表面形貌

3 结果讨论与分析

3.1 Si 对热轧带肋抗震钢筋组织的影响

Si 元素是铁素体形成元素，能够使奥氏体的高温转变曲线近似保持“C”形象不改变，仅促使奥氏体等温转变曲线向右移。同时在一定情况下能够促进先共析铁素体的形成。通过金相实验可以看出不同硅含量下HRB400E 仍为铁素体+珠光体组织结构，且铁素体与珠光体晶粒没有明显细化的痕迹，因而Si 元素只提供了固溶强化作用。

3.2 Si 对热轧带肋抗震钢筋力学性能的影响

根据实验数据可以发现，w（Si）最为明显的分界线为0.5%，当w（Si）高于0.4%，硅元素能够有效提升钢材的屈服强度与抗拉强度，w（Si）由0.5%上升至0.6%，屈服强度增加10 MPa，抗拉强度增加21 MPa。当w（Si）低于0.4%时，硅元素对钢材性能的影响微乎其微。由此可以发现，硅元素作为实际合金元素时能够提高钢材的强度，显著提高钢材抗拉强度与强屈比。在HRB400E 类热轧带肋抗震钢筋中，硅元素一般作为脱氧剂加入钢水冶炼过程中，实际钢材中w（Si）一般小于0.5%，且在现有的钒氮微合金化工艺下，单一硅元素对于钢材性能的影响远小于碳、氮、钒等。在该企业HRB400E 当前合金成分下，适当降低硅元素含量可以确保钢材的组织性能及各项指标合格，故可以采用降硅合金优化这一方法降低合金成本。

3.3 Si 对热轧带肋抗震钢筋表面质量的影响

值得一提的是，硅元素对于钢材除固溶强化作用外，还可以提高钢材的抗氧化能力；Si 元素可扩散至材料表面的氧化膜中，在膜层富集甚至形成SiO2，能够有效保护材料表面[1]，在实验过程中可以发现,随着硅含量的降低，钢材堆垛后其表面形成浮锈的时间也会缩短，因此过分追求较低的硅含量很容易造成钢材表面质量被破坏，如果采用控制冷却法轧制钢材，这一现象将更为显著。因此科学合理的调控Si 元素含量极为重要。