铌钒复合微合金化400MPa级钢筋的研制与生产 .doc

铌钒复合微合金化400MPa级钢筋的研制与生产 王学忠，李成军，张万庆 （济南钢铁集团总公司 技术中心，山东 济南 250101） 摘 要介绍了采用铌钒复合微合金化技术研制开发HRB400钢筋的工艺和产品性能，分析了冶炼、轧制工艺及合金元素对钢筋性能的影响规律，并应用回归分析方法确定了铌、钒元素对性能影响的经验公式，对开发铌钒微合金钢具有很好的指导意义。实践证明，采用铌钒复合技术生产HRB400钢筋，不仅其机械性能良好，而且具有低成本优势。 关键词铌钒复合微合金化；400MPa级钢筋；产品开发；力学性能；低成本 中图分类号TG335.64；TG142.41 文献标识码A 文章编号1004-4620（2007）02-0032-03 Development and Production of Nb/V Microalloyed 400MPa Grade Rebar WANG Xue-zhong, LI Cheng-Jun, ZHANG Wan-Qing （The Technology Center of Jinan Iron and Steel Group General Company, Jinan 250101, China） AbstractThe process and properties of HRB400 developed with Nb /V microalloying technology are introduced, and smelting and rolling process and infection rules of alloying elements on the properties. The empiric ula of the effect of Nb/V on properties is determined by regression analysis , which is of well instructive for developing Nb/V microalloyed steel. The practices prove that Nb/V microalloyed HRB400 rebar not only has well mechanical properties but has the advantage of low cost also. Key wordsNb/V microalloying; 400MPa grade rebar; product development; mechanical properties; low cost 1 前 言 从2002年4月开始，国家建设部把400MPa级钢筋纳入GB50010-2002混凝土结构设计规范，并在规范中明确提出HRB400钢筋作为我国钢筋混凝土结构的主力钢筋。新规范的实施，加快了HRB400钢筋的推广应用，促进了冶金企业高强度钢筋的研制生产力度。 生产HRB400钢筋采用的主要工艺技术为（1）V、Nb、Ti、VN微合金化技术；（2）细晶轧制技术；（3）穿水轧制技术。从目前应用的工艺技术看，微合金化技术，是冶金企业生产HRB400钢筋的首选技术。该技术不需对生产工艺制度做任何改动就可组织生产。根据合金的市场价格，Nb合金技术生产成本较低，但应用以来，在连铸生产过程中连续发生铸坯表面横裂纹和矫直前后漏钢事故，成品钢筋剪切后弧形弯曲度超标，直接影响连铸和轧钢的正常生产，为此，济南钢铁集团总公司（简称济钢）研制铌钒复合微合金化HRB400钢筋，并成功纳入正常生产。 2 试验方案 试验工艺路线优质铁水（废钢）→LD转炉冶炼→钢包微合金化→钢水炉外处理（底吹氩、调温）→方坯连铸→保温车热装热送→方坯热装加热→控制加热时间、温度→控温连续轧制→钢筋成品。 2.1 设计方案 试验冶炼、轧制钢种20MnSiNb，执行标准GB1499-1998，试验钢筋牌号HRB400，规格直径φ12～φ32mm，微合金化采用铌钒复合技术。熔炼成分、力学性能设计参数见表1。 表1 熔炼成分、力学性能设计参数 熔炼成分/％ 力学性能 C Si Mn P，S V Nb σs/MPa σb/MPa δ5/％ 0.18～0.25 0.30～0.70 1.30～1.60 ≤0.045 0.010～0.030 0.012～0.040 410～520 ≥580 ≥16 2.2 工艺要求 终点温度1640～1670℃，终点碳含量大于0.10％。合金加入量按钢筋的生产规格，铌铁加入量0.2～0.5kg/t，钒铁0.2～0.4kg/t，硅锰铁、高碳锰铁、硅铁按常规配加。出钢后钢水进行炉外底吹氩处理，吹氩时间大于5min。吹氩后温度1570～1600℃。连铸中间包温度1515～1535℃，连铸拉速2.8～3.2m/min。二冷配水采用弱配水制度，矫直温度900～950℃。 铸坯采用热装热送，热送温度大于600℃，热装温度550℃，加热时间45～75min，加热温度1180～1250℃，开轧温度1050～1150℃，终轧温度小于850℃。按钢筋的生产规格，采用双切分和常规轧制。小规格直径φ12～φ20mm钢筋采用双切分轧制，大规格直径φ22～φ32mm钢筋按常规轧制。成品轧制速度10～17.5m/min。 3 试验及生产 按设计方案进行研制试验和批量生产，首先做具有代表性钢筋规格的试验，分析研究添加微量Nb、V元素后钢筋力学性能提高幅度，进一步优化成分设计，制定最佳化学成分和生产工艺方案。 3.1 试验结果 于2005年12月14日、20日进行两次试验，冶炼、轧制直径φ16、φ25mm钢筋各5炉批，熔炼化学成分符合设计目标，力学性能指标达到设计和标准要求，试验合格率100％，试验结果见表2。 表2 试验结果统计 炉号 规格 /mm 熔炼成分/ 力学性能 C Si Mn P S V Nb Ceq σs/Mpa σb/Mpa δ5/ 1-19761 16 0.22 0.52 1.55 0.025 0.029 0.015 0.020 0.48 455 645 24.5 1-19762 16 0.22 0.50 1.53 0.026 0.026 0.013 0.019 0.47 450 655 25.0 1-19763 16 0.22 0.51 1.53 0.026 0.030 0.013 0.019 0.48 455 650 25.0 1-19764 16 0.22 0.52 1.53 0.032 0.027 0.014 0.018 0.47 460 635 24.5 1-19765 16 0.19 0.50 1.49 0.031 0.03 0.014 0.020 0.44 455 660 24.5 4-19893 25 0.20 0.48 1.40 0.025 0.026 0.014 0.018 0.44 505 625 22.5 4-19894 25 0.20 0.51 1.46 0.025 0.023 0.015 0.022 0.44 505 625 20.5 4-19895 25 0.21 0.49 1.42 0.024 0.022 0.015 0.020 0.44 495 620 22.5 4-19896 25 0.21 0.52 1.48 0.026 0.028 0.014 0.020 0.45 500 620 21.0 1-19423 25 0.19 0.47 1.39 0.028 0.021 0.018 0.017 0.42 495 615 22.5 平均值 0.21 0.50 1.48 0.03 0.03 0.015 0.019 0.45 478 635 23.0 从表2试验结果分析，化学成分按设计要求的中限配加，力学性能指标达到标准的中上限，而且有较大富余量，充分说明成分的设计合理可行。 3.2 批量生产结果 根据试验结果，于2006年1月按设计方案进行批量生产，目前已累计冶炼HRB400钢筋用钢717炉，生产合格钢35483t，熔炼成分，铸坯表面质量合格率100％。分别轧制φ14、φ16、φ22、φ25、φ28、φ32mmHRB400钢筋822批，对成品成分、力学性能、外形尺寸、外形形状等进行检验。 3.2.1 熔炼成分 按轧制规格对熔炼成分做统计分析，结果见表3。由表3可知，化学元素含量在设计范围，熔炼成分合格率100％。 表3 批量生产HRB400钢筋熔炼成分统计 规格/mm 批数 C Si Mn P，S V Nb 14 119 0.190.25 0.021 0.380.56 0.47 1.351.51 1.42 ≤0.032 0.0080.027 0.014 0.0160.026 0.0219 16 130 0.190.24 0.021 0.400.58 0.48 1.341.54 1.43 ≤0.031 0.0100.022 0.014 0.0180.025 0.022 22 111 0.190.25 0.020 0.380.60 0.48 1.381.55 1.44 ≤0.038 0.0100.023 0.015 0.0150.025 0.022 25 265 0.190.25 0.021 0.370.55 0.47 1.351.55 1.43 ≤0.036 0.0080.028 0.014 0.0160.031 0.022 28 25 0.190.23 0.021 0.420.53 0.47 1.351.55 1.44 ≤0.036 0.0090.016 0.014 0.0210.024 0.023 32 23 0.190.23 0.020 0.400.49 0.45 1.311.47 1.44 ≤0.029 0.0090.017 0.012 0.0210.023 0.022 平均值 0.207 0.473 1.432 ≤0.025 0.0143 0.0219 3.2.2 力学性能 力学性能检验分析结果见图1、图2。由图1分析结果可以看出，屈服强度在410～490MPa范围，平均值448MPa，直方图呈正态分布，说明生产工序在管理控制状态。抗拉强度在580～690MPa，平均629MPa，直方图呈平顶型正态分布，分析认为与数据分组有关，图形证明生产工序在管理控制状态。批量轧制生产的822批钢筋，实物力学性能、外形尺寸、外形形状、质量指标检验，综合合格率100％,实际成材率达到97.8％。 250 （a）屈服强度直方图 （b）抗拉强度直方图 图１ 生产HRB400钢筋力学性能 3.2.3 回归分析 取熔炼成分与力学性能数据430组做回归分析，得出以下关系式 σs383.444.9C34.9Si-24.9Mn1127.4V2877.5Nb （1） σb530.594.5C13.8Si5.50Mn273.3V2913.9Nb （2） 从屈服强度σs、抗拉强度σb相关式（1）、（2）看出，钢中添加Nb元素后，屈服强度、抗拉强度明显提高。分析认为，Nb对力学性能的贡献明显比V元素高，这与元素的冶金特性基本吻合。 4 生产工序分析 4.1 炼钢工序 4.1.1 转炉终点 终点C含量在0.07～0.13％，平均C含量0.095％。C含量集中在0.08～0.12％，该范围数据占总量的91.54％，C含量不小于0.10％的有338炉，占总量的47.18％，C含量不小于0.12％的只有35炉，占4.93％。分析认为，大批量生产铌钒复合HRB400钢筋，终点C含量控制偏低，与设计目标值C含量不小于0.10％差距较大，应引起高度重视。提高终点C含量可有效减少钢中含氧量，降低钢水氧化性，也是提高合金元素回收率的重要措施。 4.1.2 Nb、V回收率 对V、Nb加入量严格按设计要求配加，使V、Nb回收率明显提高。按实际吨钢加入量计算，Nb元素回收率94.68，V元素回收率96.88。 4.1.3 炉外处理 吹氩后温度1578℃，比吹氩前降低29℃，温降为6℃/min。既符合设计参数目标值，也符合连铸工艺对大包钢水温度的要求。 4.1.4 连铸生产 拉钢过程中间包温度平均为1525℃，平均拉速3.12m/min。试验时发生4次拉矫直机漏钢事故，分析原因主要是矫直温度低，由于矫直外力作用，在钢坯振痕处矫裂，造成裂纹漏钢。为解决这一问题，把矫直温度由880℃调整为950℃以上，实践证明，连续拉钢717炉未发生漏钢事故，铸坯表面未发生裂纹缺陷，表面质量合格率100％。 4.2 轧钢工序 4.2.1 成品轧制速度 φ12～φ20mm钢筋采用双切分轧制，φ22～φ32mm钢筋采用常规不切分轧制。成品轧制速度按规格严格控制，不同的轧制规格采用不同的轧制速度，φ12～φ14mm轧制速度17.5m/s，φ16～φ20mm轧制速度14～15m/s，φ22、φ25mm轧制速度17.5m/s，φ28、φ32mm轧制速度12m/s。 4.2.2 剪切温度 成品钢筋上冷床温度小于950℃，在自然冷却10～15min后进行定尺剪切，定尺率99.37％。剪切温度小于320℃，解决了剪切后的钢筋弯曲现象。分析认为，采用铌钒复合技术，改善了钢筋相变温度参数，钢筋剪切不再发生弧形弯曲。 5 结 语 采用低铌钒复合铌微合金化技术，解决了铌微合金化连铸过程中漏钢和铸坯表面裂纹的问题。达到了生产成本最小化，合金生产成本比传统钒铁微合金化工艺降低197.5元/t。回归分析关系式对于铌钒复合HRB400钢筋的生产具有很好的指导意义。Nb含量每增加0.01％可提高屈服强度28.77MPa，抗拉强度29.13MPa，Nb、V合金元素对抗拉强度的影响大于对屈服强度的影响，并且Nb更有利于综合性能。严格控制转炉操作制度，提高终点C含量可有效减少钢中含氧量，降低钢水氧化性，通过合理的V、Nb加入制度，使V、Nb回收率明显提高。按钢筋的生产规格调整钒铁、铌铁的加入量，小规格钢筋铌钒加入量按成分下限配加，大规格钢筋按上限配加。 铌钒复合微合金化试验生产HRB400钢筋的成功，说明成分和工艺制度设计合理可行，再用于指导生产具有现实意义。