以鈮代釩生產(chǎn)級(jí)螺紋鋼產(chǎn)品工藝簡(jiǎn)介

以鈮代釩生產(chǎn)級(jí)螺紋鋼產(chǎn)品工藝簡(jiǎn)介

1替代鋼的選擇與子級(jí)鋼筋相比，熱交換率400mpa的鋼筋具有強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、抗疲勞防滑性能好、板材節(jié)省等優(yōu)點(diǎn)。2003年，南昌鋼業(yè)有限公司（南鋼）開始開發(fā)和生產(chǎn)20萬噸抗興螺釘。但由于成本高發(fā)生虧損,迫切需要開發(fā)成本低的替代鋼種,經(jīng)調(diào)查,鈮鐵由于關(guān)稅的下降等原因價(jià)格逐漸下降,而釩鐵的價(jià)格則明顯上升,以鈮代釩生產(chǎn)Ⅲ級(jí)螺紋鋼具有好的經(jīng)濟(jì)效益。然而鈮微合金化鋼筋自然冷卻條件下強(qiáng)度偏低,加上負(fù)偏差軋制,強(qiáng)度不合格可能性較大,此鋼必須采取穿水冷卻或一定程度提高成分使強(qiáng)度有所富余,然而這樣做又會(huì)造成大批試樣屈服不明甚至少部分試樣可能出現(xiàn)脆斷。為此,在20MnSiNb試驗(yàn)及大批量生產(chǎn)階段進(jìn)行質(zhì)量跟蹤分析并反饋改進(jìn)就顯得及其重要。2生產(chǎn)工藝2.1出鋼合金化連鑄連軋穿水冷卻冷床南鋼公司目前生產(chǎn)Φ10mm～Φ32mm規(guī)格螺紋鋼,生產(chǎn)工藝流程:高爐鐵水+廢鋼→60t轉(zhuǎn)爐→吹氬→出鋼合金化→連鑄→軋制加熱→[[DQ(]小型分廠(Φ18mm、Φ20mm)橫列式軋機(jī)軋制棒材分廠(其余規(guī)格)連軋→穿水冷卻[DQ)]]→→[[DQ(]小型分廠(Φ18mm、Φ20mm)橫列式軋機(jī)軋制棒材分廠(其余規(guī)格)連軋→穿水冷卻[DQ)]]→冷床冷卻→包裝。2.2出鋼時(shí)合金化的要求轉(zhuǎn)爐冶煉應(yīng)準(zhǔn)確、穩(wěn)定控制化學(xué)成分在所定范圍內(nèi)。為了使鋼水成分均勻,出鋼時(shí)合金化,鋼包應(yīng)確保足夠的吹氬時(shí)間。由于含鈮低碳鋼連鑄時(shí)在應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋,連鑄時(shí)應(yīng)控制好冷卻。2.3出鋼溫度的確定為了獲得最佳效果,選擇鋼坯均熱溫度應(yīng)考慮在開軋前,使鈮盡可能多地溶入奧氏體中,以提高鋼筋強(qiáng)度。然而根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況,棒材廠為連軋機(jī)組,是升溫軋制,過高的出鋼溫度會(huì)造成終軋后晶粒粗大,出鋼溫度應(yīng)相對(duì)較低;而小型廠為橫列式軋機(jī),是降溫軋制,可采取較高的出鋼溫度,但考慮到加熱爐為推鋼式,溫度過高易產(chǎn)生粘鋼現(xiàn)象,并且過高的出鋼溫度不利于晶粒細(xì)化,因此出鋼溫度應(yīng)相對(duì)較高。棒材廠根據(jù)不同的規(guī)格采取相應(yīng)的軋后穿水冷卻以提高螺紋鋼的性能。320質(zhì)量分析：mnsinb試驗(yàn)階段的質(zhì)量分析3.1材料的力學(xué)性能2005年3月份,南鋼公司初步試驗(yàn)了一批不同規(guī)格的20MnSiNb,首先從鈮Ⅲ級(jí)螺紋鋼成分制定入手,在生產(chǎn)的20MnSiV成分基礎(chǔ)上,用鈮替釩進(jìn)行試生產(chǎn),部分產(chǎn)品的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1,表2。針對(duì)表1,表2力學(xué)性能試樣結(jié)果和材上組織及晶粒度分析如下:(1)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均大于國標(biāo)要求,有的超出國標(biāo)較多;小型分廠以及棒材分廠生產(chǎn)螺紋鋼抗拉強(qiáng)度偏高、屈服呈現(xiàn)無明顯屈服現(xiàn)象并且延伸率普遍偏低,個(gè)別爐號(hào)延伸率不合格、冷彎斷裂。延伸率低的拉斷試樣斷口平整,斷口無明顯的頸縮現(xiàn)象,表明鋼的脆性較大。(2)B5-02471Φ12mm以及B5-02755Φ25mm未穿水樣性能良好,B5-02755經(jīng)一組穿水冷后,抗拉強(qiáng)度提高10MPa,而塑性未下降,表明晶粒細(xì)化起良好的作用;B5-02471經(jīng)化驗(yàn)錳含量較高而且小規(guī)格穿水冷速快,強(qiáng)度比未穿水樣提高達(dá)45MPa,而塑性指標(biāo)嚴(yán)重下降,表明鋼中出現(xiàn)脆化組織。(3)小型生產(chǎn)的兩爐鋼強(qiáng)度較高而延伸率勉強(qiáng)合格,也與鋼中的脆化組織有關(guān)。(4)小型生產(chǎn)鋼以及棒材穿水鋼都不同程度存在粒狀貝氏體,鋼的組織中只要存在超過一定量(約15%)的粒狀貝氏體,在試樣冷變形過程中釘扎位錯(cuò)移動(dòng),從而屈服表現(xiàn)為連續(xù)屈服(不明顯屈服)。當(dāng)粒狀貝氏體含量不多時(shí),對(duì)性能有一定的好處,可較大提高強(qiáng)度,而降低塑性不明顯;當(dāng)粒狀貝氏體含量多時(shí),強(qiáng)度有大幅度提高,鋼的脆性也大幅增加。組織情況如圖1,圖2。(5)錳、鈮都是粒狀貝氏體形成元素,它們固溶于鋼中增加鋼的連續(xù)冷卻曲線的穩(wěn)定性,而且改變貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)形狀使該轉(zhuǎn)變區(qū)更加突出。當(dāng)奧氏體成分一定時(shí),冷速越大,冷卻曲線更易穿過貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。從化學(xué)成分來看:成分越高或加熱溶于奧氏體鈮越多,奧氏體越穩(wěn)定,使得CCT曲線向右移動(dòng),更有利于貝氏體的形成。從棒材生產(chǎn)的Φ22mm螺紋鋼檢驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,錳含量偏高同時(shí)穿水冷卻速度較快,不僅生成的貝氏體量增加,而且,貝氏體的脆性也變大。相反,若降低易形成粒狀貝氏體的錳含量同時(shí)控制一定的鈮含量,采用一定穿水冷卻速度,即使形成少量的粒狀貝氏體,中溫階段粒狀貝氏體組織中奧氏體小島也不會(huì)在隨后的冷卻中形成馬氏體,此時(shí)在力學(xué)性能上表現(xiàn):強(qiáng)度有較大的提高而塑性下降不明顯。(6)從棒材生產(chǎn)的Φ22mm螺紋鋼金相組織狀況來看,穿水樣邊部晶粒較細(xì)為7.0～8.0級(jí),往內(nèi)晶粒逐漸變粗,說明了終軋后穿水使得螺紋鋼從表層到一定深度范圍內(nèi)溫度降低到較低水平,保持了終軋后細(xì)化的再結(jié)晶晶粒;而鋼內(nèi)部溫度高,使得細(xì)化的再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大。施加合適的穿水冷卻,盡量保留細(xì)小的晶粒使其不易長(zhǎng)大,使抗拉強(qiáng)度得到一定的提高。3.2工藝調(diào)整3.2.1顆粒材料的選擇初次試生產(chǎn)的20MnSiNb采用的是中限化學(xué)成分,結(jié)果造成塑性不足,強(qiáng)度有余,主要原因鋼中存在較多粒狀貝氏體。錳、鈮都是粒狀貝氏體形成元素,鈮在鋼中起重要作用:不僅起晶粒細(xì)化作用而且起沉淀強(qiáng)化作用,降低錳含量是最佳的選擇。但錳是固溶強(qiáng)化的重要元素,每降低0.1%錳,大致使抗拉強(qiáng)度降低15MPa,為了保證強(qiáng)度指標(biāo),鈮含量保持一定量,碳含量應(yīng)相應(yīng)增加。3.2.2制裝配廠的調(diào)整普遍減弱穿水強(qiáng)度,按規(guī)格控制好相應(yīng)的穿水冷卻強(qiáng)度,使鋼筋得到良好邊部及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu),避免發(fā)生有害的貝氏體和馬氏體相變。420強(qiáng)度工序能力對(duì)正式生產(chǎn)階段的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見表3,發(fā)現(xiàn)20MnSiNb強(qiáng)度水平不僅低于20MnSiV,而且連續(xù)式軋機(jī)生產(chǎn)的鋼強(qiáng)度偏低的比例較高,部分爐號(hào)甚至由于低于企業(yè)內(nèi)控或國標(biāo)而改判Ⅱ級(jí)鋼;同時(shí)出現(xiàn)較多比例屈服不明現(xiàn)象,尤其以橫列式軋機(jī)生產(chǎn)的鋼居多。4.2強(qiáng)度偏低分析由表3分析:(1)20MnSiNb抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的平均水平低于20MnSiV的平均水平,而延伸率水平相差不大。從工序能力指數(shù)來看:兩個(gè)鋼種延伸率工序能力指數(shù)相近,20MnSiNb抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度的工序能力指數(shù)低于20MnSiV的平均水平,而其中抗拉強(qiáng)度工序能力指數(shù)明顯偏低,1≥Cp>0.67屬于工序能力不充分,此項(xiàng)性能相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)上可能不合格率為0.5%。在鈮鋼中,由于鈮具有細(xì)化晶粒和沉淀硬化兩重作用,必須有一定的量,由于過多的粒狀貝氏體可產(chǎn)生脆性,促進(jìn)粒狀貝氏體形成元素鈮的存在使得具有同樣作用的錳含量不宜偏高,這樣錳的固溶強(qiáng)化作用就減弱;而釩鋼中的錳可以更多地提高,以充分發(fā)揮錳的固溶強(qiáng)化作用。經(jīng)統(tǒng)計(jì):兩種微合金化鋼碳、硅平均含量相同,而鈮微合金化鋼筋平均錳含量比釩微合金鋼偏低約0.1%,因此鈮微合金化鋼筋強(qiáng)度水平就自然偏低。(2)經(jīng)統(tǒng)計(jì):棒材分廠連續(xù)軋機(jī)與小型分廠橫列式軋機(jī)所軋制的20MnSiNb螺紋鋼各主要元素的化學(xué)成分相差無幾,而棒材分廠抗拉性能平均值較小型分廠偏低約10MPa,說明軋制工藝對(duì)性能有較大的影響:①在鋼坯加熱的過程中,超過平衡量的未溶解鈮會(huì)以較粗的碳氮化鈮質(zhì)點(diǎn)形式出現(xiàn),這些質(zhì)點(diǎn)在加熱及開軋時(shí)可以阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,但細(xì)化晶粒效果并不卓越,只有選擇更高的鋼坯加熱溫度,使鈮盡可能多地溶入奧氏體中,這樣在一方面,隨著軋制溫度的降低,在應(yīng)力的作用下可促進(jìn)更多細(xì)小Nb(C,N)的析出,這種應(yīng)變析出物質(zhì)點(diǎn)阻止奧氏體再結(jié)晶,阻止晶界的移動(dòng),從而細(xì)化晶粒;在另一方面,在奧氏體向鐵素體的持續(xù)相變過程中,由于鈮、氮在鐵素體相溶解程度小,在變動(dòng)的兩相界面形成更為細(xì)小的Nb(C,N)沉淀物,相變前溶于奧氏體中的鈮越多,這種細(xì)小沉淀物的量也越多,強(qiáng)化效果也越強(qiáng);②終軋溫度是對(duì)性能影響的另一個(gè)重要因素,由于鈮有很強(qiáng)的抑制再結(jié)晶能力,終軋前軋料溫度降至950℃以下,就可實(shí)現(xiàn)未再結(jié)晶軋制,使得在拉長(zhǎng)的奧氏體晶粒內(nèi)獲得更為細(xì)小的鐵素體-珠光體組織,并且終軋溫度低再結(jié)晶晶粒也不易長(zhǎng)大;③另外,無論小型廠及棒材廠生產(chǎn)的鋼筋在成分上碳、錳含量過低,都會(huì)嚴(yán)重影響鋼筋固溶強(qiáng)化,造成抗拉強(qiáng)度指標(biāo)偏低。5粒度貝氏體分析2005年6～7月,20MnSiNb螺紋鋼強(qiáng)度有所提高,但在這時(shí)期有較大比例屈服呈現(xiàn)無明顯屈服(連續(xù)屈服)現(xiàn)象,強(qiáng)度低于內(nèi)控的比例相應(yīng)很少。而2005年4～5月20MnSiNb螺紋鋼強(qiáng)度相對(duì)偏低,較多部分強(qiáng)度低于內(nèi)控,為了尋找其中影響因素,把二段時(shí)期所生產(chǎn)的20MnSiNb性能進(jìn)行對(duì)比分析,(其中抗拉強(qiáng)度區(qū)間以620MPa為區(qū)間,經(jīng)統(tǒng)計(jì),抗拉強(qiáng)度大于此數(shù),屈服完全表現(xiàn)為無明顯屈服)。見表4。由表4看出:(1)無論小型和棒材生產(chǎn)的鋼都存在一定比率不明顯屈服現(xiàn)象,對(duì)屈服不明試樣進(jìn)行金相組織分析,都存在不同數(shù)量的粒狀貝氏體。螺紋鋼軋后穿水所形成的邊部細(xì)晶組織對(duì)性能的提高有限,強(qiáng)度指標(biāo)可提高15～20MPa,螺紋鋼中存在少量的粒狀貝氏體可較大提高強(qiáng)度指標(biāo)。含有少量粒狀貝氏體鋼相對(duì)無粒狀貝氏體鋼,其平均抗拉強(qiáng)度提高25～30MPa,而平均延伸率僅下降0.7%～1.4%。檢驗(yàn)中也存在極個(gè)別爐號(hào)延伸率低的狀況,其內(nèi)部組織存在過量的粒狀貝氏體。(2)棒材分廠2005年4～5月生產(chǎn)的20MnSiNb抗拉強(qiáng)度大于等于620MPa的爐數(shù)比率為31.5%,而在2005年6～7月抗拉強(qiáng)度大于等于620MPa的爐數(shù)比率高達(dá)67.7%;小型分廠生產(chǎn)的20MnSiNb在2005年4～5月抗拉強(qiáng)度大于等于620MPa的爐數(shù)比率為55.8%,而在2005年6～7月抗拉強(qiáng)度大于等于620MPa的爐數(shù)比率相近59.9%。對(duì)比兩段時(shí)期及同一生產(chǎn)時(shí)期抗拉強(qiáng)度高、低區(qū)間,各元素的含量及碳當(dāng)量的平均值極為相近,由此說明:目前因成分偏高而造成較多粒狀貝氏體現(xiàn)象為少數(shù),粒狀貝氏體所引起的強(qiáng)度偏高以及屈服不明現(xiàn)象有其它因素起作用,主要有以下因素:①出鋼溫度高造成溶解于奧氏體的鈮量也越多,經(jīng)終軋后析出的強(qiáng)化螺紋鋼質(zhì)點(diǎn)Nb(C,N)也越多,部分溶解狀態(tài)的鈮可促成貝氏體轉(zhuǎn)變;②鋼水澆注過熱度:鋼水過熱度過高,易造成連鑄鑄坯內(nèi)部粗大的等軸晶,粗大的等軸晶是成分嚴(yán)重的枝晶偏析,在隨后的軋制加熱中只能部分減輕偏析。盡管有的爐號(hào)成分偏低,但其內(nèi)部存在嚴(yán)重的枝晶偏析,鋼筋中部富炭、錳區(qū)域在隨后的冷卻中易形成粒狀貝氏體,而邊部區(qū)域盡管冷速相對(duì)快但其組織仍為鐵素體加珠光體;③穿水冷卻變強(qiáng)或者穿水冷卻波動(dòng)易造成在強(qiáng)冷卻階段發(fā)生粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變。6可顯著替代20mnsinb(1)釩微合金化鋼筋具有較高的塑性和強(qiáng)度配比,其性能受生產(chǎn)條件影響不大。相比之下,20MnSiNb要依靠