高強(qiáng)度新級(jí)螺紋鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用

高強(qiáng)度新級(jí)螺紋鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用

新技術(shù)級(jí)鋼筋具有優(yōu)越的抗振性、抗疲勞動(dòng)性和焊接性能，可以節(jié)省10%15%的木材和5%的鋼筋資本，在工程中推廣應(yīng)用顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。國(guó)際上大量使用400MPa級(jí)鋼筋,占鋼筋用量的70%～80%,而我國(guó)88%為Ⅱ級(jí)(20MnSi)螺紋鋼,消耗了大量的資源。Ⅲ級(jí)螺紋鋼的市場(chǎng)潛力巨大。我國(guó)的新Ⅲ級(jí)螺紋鋼主要是20MnSiV。2004年因釩鐵消耗量大,導(dǎo)致價(jià)格飛漲,造成生產(chǎn)20MnSiV成本增加。20MnSiNb使用鈮作為微合金化元素,噸鋼加入量只需要0.5kg,生產(chǎn)成本大大降低,性能仍然符合GB1499-1998標(biāo)準(zhǔn),因此以鈮代釩生產(chǎn)Ⅲ級(jí)螺紋鋼將成為降低生產(chǎn)成本的必然選擇。1中以指定方式出出的鐵素體鈮對(duì)碳和氮有很高的親和力,在鋼中極易形成穩(wěn)定難溶的NbC,Nb(CN)。它們?cè)讦?鐵(奧氏體)基體中能充分溶解,并能在奧氏體和鐵素體中以指定方式再次析出,在鐵素體中的析出有明顯的強(qiáng)化作用。鈮在低碳鋼中的溶解度隨著溫度的上升而增加,析出規(guī)律可用歐文公式表示:lg[Nb][C+1214N]=2.26?6770Tlg[Νb][C+1214Ν]=2.26-6770Τ鈮在鋼中的作用主要體現(xiàn)為:①細(xì)化晶粒;②沉淀強(qiáng)化;③固氮作用,消除自由氮,改善韌性,消除應(yīng)變時(shí)效。因此含鈮鋼筋無應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象,抗震、強(qiáng)度高、韌性好,能滿足建筑安全需求。2工業(yè)試驗(yàn)2.1化學(xué)成分的控制根據(jù)GB1499-1998標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合南昌鋼鐵有限責(zé)任公司(南鋼)的實(shí)際情況,制定了20MnSiNb鋼內(nèi)控化學(xué)成分(表1)。2.2矯直溫度的要求鈮鋼冶煉必須嚴(yán)格控制化學(xué)成分,保證成分均勻,確保吹氬時(shí)間。由于含鈮鋼在凝固過程中應(yīng)力較大,連鑄坯容易產(chǎn)生裂紋,為避開鋼的熱塑性低谷區(qū),應(yīng)保證合適的矯直溫度。(1)轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)采用高拉碳工藝,以避免終點(diǎn)碳過低引起鋼中氧含量高、氧化物夾雜多的問題;(2)為保證連鑄坯質(zhì)量,煉鋼時(shí)盡量降低鋼中硫和氧含量,加強(qiáng)吹氬,減少氣體與夾雜物;(3)連鑄過程中,二冷采用弱冷卻制度,鋼坯矯直溫度要求大于等于950℃;(4)連鑄時(shí)中間包鋼水盡量保持較小的過熱度。2.3均熱和開軋溫度鈮的作用之一是通過相變后從鐵素體中析出NbC達(dá)到沉淀強(qiáng)化的效果,為了能充分發(fā)揮沉淀強(qiáng)化的作用,必須在鑄坯加熱時(shí)保證鈮全部或絕大部分溶解,并在軋制過程中及終軋后能充分析出。南鋼公司棒材廠為熱連軋機(jī)組,升溫軋制,過高的出鋼溫度會(huì)造成終軋后晶粒粗大。因此采取較低的均熱溫度和開軋溫度,保證適宜的終軋溫度。部分未能溶解的Nb(CN)有利于阻止在加熱和粗軋過程中奧氏體的晶粒長(zhǎng)大粗化,利用細(xì)化晶粒效果可提高鋼的強(qiáng)度和韌性。小型廠為橫列式軋機(jī),機(jī)架軋制能力低,且軋制過程屬降溫軋制。為確保鋼中的鈮充分溶解,利用鋼中固溶鈮提高奧氏體再結(jié)晶溫度和降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度的雙重作用,采用較高的軋鋼工藝溫度,獲得最大的強(qiáng)化效果。(1)棒材廠采用直接熱送連鑄坯進(jìn)加熱爐;小型廠裝爐時(shí),采用冷卻到500℃以下的連鑄方坯;(2)鋼坯加熱溫度控制為1050℃～1120℃,終軋溫度控制為1000℃～1050℃;(3)適當(dāng)降低軋制速度,在終軋機(jī)后增設(shè)穿水冷卻裝置。3工業(yè)試驗(yàn)的結(jié)果和分析2005年3月份,南鋼公司試生產(chǎn)了一批不同規(guī)格的20MnSiNb鋼筋,主要試驗(yàn)情況如下:3.1堿強(qiáng)化認(rèn)知化學(xué)成分(表2)基本在內(nèi)控成分范圍內(nèi),鈮控制在0.026%～0.032%。熔煉成分與鋼材成分相差不大。說明冶煉、吹氬和連鑄等工藝能夠達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)要求。3.2材料的冷彎斷裂力學(xué)性能見表3。(1)部分含鈮螺紋鋼筋抗拉強(qiáng)度偏高、延伸率偏低,甚至個(gè)別爐號(hào)延伸率不合格。冷彎斷裂的試樣斷口平整,斷口無明顯的頸縮,呈現(xiàn)脆性斷裂現(xiàn)象。(2)B5-02471為Φ12mm鋼筋,穿水冷卻速度快,強(qiáng)度比未穿水樣提高45MPa,而塑性嚴(yán)重下降,表明鋼中出現(xiàn)脆化組織。兩爐Φ20mm鋼筋強(qiáng)度較高而延伸勉強(qiáng)合格,也與鋼中出現(xiàn)脆化組織有關(guān)。3.3組織與粒度分析組織及晶粒度分析見表4。(1)粒度貝氏體的塑性當(dāng)粒狀貝氏體含量不多時(shí),可大幅提高強(qiáng)度,而塑性降低不明顯;當(dāng)粒狀貝氏體含量多時(shí),強(qiáng)度雖大幅度提高,但脆性也大幅增加,屈服表現(xiàn)為連續(xù)屈服(屈服不明顯)。組織情況如圖1、圖2。(2)邊部晶粒的測(cè)定從Φ22mm螺紋鋼金相組織狀況來看,鋼筋邊部晶粒較細(xì)為7.5～8.5級(jí),往內(nèi)晶粒逐漸變粗,說明通過穿水,保持了終軋后細(xì)化的再結(jié)晶晶粒;而鋼內(nèi)部溫度高,使得晶粒長(zhǎng)大。(3)采用含鋯鋼筋法容易產(chǎn)生貝氏體組織通過化學(xué)成分的調(diào)整和冶煉工藝的優(yōu)化,采用合理的軋制工藝,和適當(dāng)?shù)拇┧鋮s速度,能夠保證鋼筋強(qiáng)度提高而塑性下降不明顯。4工藝與正式生產(chǎn)的調(diào)整4.1生產(chǎn)工藝調(diào)整4.1.1碳含量的影響為了保證強(qiáng)度指標(biāo),鈮含量應(yīng)保持一定量,碳含量應(yīng)適當(dāng)增加。不同規(guī)格鋼筋的冷卻強(qiáng)度完全不同,應(yīng)根據(jù)軋制規(guī)格的不同而制訂出相應(yīng)的內(nèi)控化學(xué)成分(表5)。4.1.2調(diào)整后產(chǎn)品棒材廠減弱軋后穿水冷卻強(qiáng)度,分規(guī)格控制相應(yīng)的穿水冷卻強(qiáng)度,使鋼筋得到良好邊部及內(nèi)部組織,避免出現(xiàn)貝氏體和馬氏體相變。小型廠則嚴(yán)格控制終軋溫度,避免出現(xiàn)終軋后晶粒長(zhǎng)大,充分發(fā)揮細(xì)化晶粒強(qiáng)化帶來的塑性提高。按調(diào)整后的冶煉和軋制工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn),鋼筋質(zhì)量穩(wěn)定。到2005年年底冶煉20MnSiNb3584爐,軋制Φ12mm～Φ28mm鋼筋產(chǎn)量250871.199t,內(nèi)控達(dá)標(biāo)率達(dá)88%,合格率為99.88%。4.2mnsinb平均點(diǎn)強(qiáng)度20MnSiNb的屈服、抗拉及延伸均能滿足GB1499-1998標(biāo)準(zhǔn)對(duì)HRB400的要求。當(dāng)加入鈮含量達(dá)0.03%時(shí),平均屈服強(qiáng)度由20MnSi的379MPa提高到20MnSiNb的439MPa,提高了60MPa左右,平均抗拉強(qiáng)度由20MnSi的560MPa提高到20MnSiNb的615MPa,提高了55MPa左右。平均的延伸率由27.4%降到22.7%,降低了約4.7個(gè)百分點(diǎn)。4.3級(jí)螺紋鋼筋的平均晶粒度含鈮三級(jí)鋼筋的晶粒度一般控制在7.0～8.5級(jí),平均晶粒度為7.9。而二級(jí)螺紋鋼筋的平均晶粒度為6.3。相比提高了約1.6。組織基本為F+P,沒有再出現(xiàn)大量的粒狀貝氏體。說明鈮的細(xì)化晶粒的效果已經(jīng)得到體現(xiàn),目前的冶煉和軋制工藝能夠控制螺紋鋼筋的組織形態(tài)。4.4鋼筋抗應(yīng)變、抗震性能好含鈮鋼筋通過彎曲和反彎試驗(yàn),鋼筋表面完好,強(qiáng)度高、韌性好,除了常規(guī)力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)外,還具有以下特點(diǎn):鋼筋抗應(yīng)變時(shí)效,抗震性能好。鋼筋的調(diào)直、冷彎、焊接等工藝性能好,完全可以滿足施工的需要。5添加鈮鐵、鐵芯鋁等聚合物材料,確保初生長(zhǎng)鈮與氧的親和力較小,冶煉中合金收得率大大超過釩,可以達(dá)到95%以上。且鈮強(qiáng)化鋼筋能力顯著,鋼成分中只需含有0.03%左右即可滿足性能要求。2005年1～3月冶煉20MnSiV平均使用釩鐵1.14kg/t,硅錳合金20.84kg/t。2005年3～12月冶煉20MnSiNb平均使用鈮鐵0.54kg/t,鋼芯鋁0.25kg/t,硅鋁鈣鋇增加0.18kg/t,硅錳合金19.63kg/t,共生產(chǎn)20MnSiNb合格品250871.199t。按以上數(shù)據(jù)計(jì)算,與生產(chǎn)20MnSiV相比,節(jié)約合金成本5446.70萬元。含鈮鋼筋的開發(fā)成功,實(shí)現(xiàn)了低成本生產(chǎn)400MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋,極大的促進(jìn)了400MPa級(jí)熱軋帶肋鋼筋的推廣,經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。符合當(dāng)前低能耗可持續(xù)發(fā)展的基本國(guó)策。對(duì)開發(fā)更高強(qiáng)度的Ⅳ級(jí)螺紋鋼有借鑒作用。6現(xiàn)代機(jī)械制造的優(yōu)勢(shì)(1)摸索出了在先進(jìn)的連軋機(jī)組和老式的橫列式軋機(jī)上不同的生產(chǎn)工藝。通過對(duì)化學(xué)成分的調(diào)整和軋制工藝優(yōu)化,成功地在兩種軋機(jī)上都生產(chǎn)出了合格的鋼筋,反映本技術(shù)成熟先進(jìn),適應(yīng)性強(qiáng)。(2)鈮微合金化螺紋鋼筋易出現(xiàn)粒狀貝氏體組織。當(dāng)粒狀貝氏體含量超過一定范圍時(shí),強(qiáng)度雖大幅度提高,但延伸性能嚴(yán)重惡化。本項(xiàng)目通過對(duì)碳、錳、鈮等化學(xué)成分的控制和軋制加熱溫度的控制,實(shí)現(xiàn)了對(duì)貝氏體含量的控制,達(dá)到了性能的優(yōu)化。(3)成功解決了含鈮鋼坯的熱送熱裝技術(shù),減少了二次加熱的能源消耗,生產(chǎn)組織順暢,提高了軋鋼生產(chǎn)率。(