HRB400鋼的潔凈度及性能研究*

宋方方 姚家華，2 李京社 唐海燕 吳國(guó)慶，3

(1.北京科技大學(xué); 2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司; 3.新興鑄管股份有限公司)

HRB400鋼的潔凈度及性能研究*

宋方方1姚家華1，2李京社1唐海燕1吳國(guó)慶1，3

(1.北京科技大學(xué); 2.天津鋼管集團(tuán)股份有限公司; 3.新興鑄管股份有限公司)

針對(duì)某鋼廠生產(chǎn)HRB400高強(qiáng)度帶肋鋼筋的不同合金化工藝，對(duì)轉(zhuǎn)爐出鋼至成品鋼筋全流程生產(chǎn)過(guò)程取樣分析，研究其在不同釩氮合金加入量下的鋼水潔凈度，及合金化對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響。分析結(jié)果表明:吹氬過(guò)程中并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的吸氣;鑄坯T［O］含量在50×10－6左右，夾雜物以MnO－SiO2復(fù)合夾雜物以及硫化物夾雜為主，粒徑基本在10 μm以下;VN合金加入量對(duì)于鋼中夾雜物的類(lèi)型沒(méi)有產(chǎn)生明顯影響，而對(duì)鋼筋抗拉強(qiáng)度影響較大，研究顯示釩氮合金加入量為0.18 kg/t鋼時(shí)鋼的抗拉強(qiáng)度較高且穩(wěn)定。

HRB400 潔凈度 夾雜物 力學(xué)性能

0 引言

HRB400螺紋鋼筋是我國(guó)目前工程建材中的一種常用材料，它廣泛地應(yīng)用于橋梁、工業(yè)、民用建筑和船舶制造等方面，其性能好壞直接影響工程的質(zhì)量［1］。鋼中非金屬夾雜物的性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸及含量不同，直接影響鋼材性能。在受力過(guò)程中，部分鋼中夾雜物不能隨金屬相應(yīng)變形，容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，會(huì)導(dǎo)致微裂紋的產(chǎn)生，為材料的破壞提供了受力的薄弱區(qū)，從而破壞鋼的性能［2］。筆者針對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼廠目前HRB400螺紋鋼的生產(chǎn)工藝，進(jìn)行全流程取樣，分析了該鋼種在不同工位處鋼水的潔凈度水平，同時(shí)檢測(cè)了不同釩氮合金加入量對(duì)鋼筋成品力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。

1 研究方法

1.1 工業(yè)試驗(yàn)冶煉工藝

該鋼廠現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)裝備80 t轉(zhuǎn)爐兩座，出鋼溫度控制在1640℃～1680℃，出鋼過(guò)程嚴(yán)格擋渣出鋼，并進(jìn)行脫氧合金化，順序?yàn)?①出鋼前向鋼包內(nèi)加約2/3總量的SiCaBa脫氧劑;②出鋼至1/4～1/3時(shí)開(kāi)始加入SiFe，SiMn;③2/3～3/4時(shí)加余下部分的SiCaBa以及VN增氮?jiǎng)?出鋼完后鋼包進(jìn)行吹氬精煉，使鋼液成分、溫度均勻化并為增氮?jiǎng)┨峁┝己玫娜芙鈩?dòng)力學(xué)條件，時(shí)間不少于2.5 min;吹氬完畢上連鑄平臺(tái)，進(jìn)行保護(hù)澆注，時(shí)間約30 min;連鑄機(jī)為8流弧形連鑄機(jī)，拉速為 1.8 m/min～2.2 m/min，生產(chǎn) 150 mm ×150 mm的方坯，并選擇性進(jìn)行電磁攪拌。定義第1流結(jié)晶器加電磁攪拌，第2流結(jié)晶器不加電磁攪拌。鑄坯冷送至軋鋼車(chē)間，進(jìn)行軋制生產(chǎn)。該鋼廠軋鋼車(chē)間共28架軋機(jī)，開(kāi)軋溫度控制在1020℃左右，終軋溫度980℃左右，生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行穿水冷卻。

本次工業(yè)試驗(yàn)鋼種是HRB400熱軋帶肋鋼筋，鋼液基本化學(xué)成分見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用VN合金增氮?jiǎng)┑幕瘜W(xué)成分和物理性能見(jiàn)表2。

1.2 取樣及分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共進(jìn)行了6個(gè)爐次的試驗(yàn)，包括無(wú)釩，半釩，全釩三種工藝各兩爐，即在脫氧合金化過(guò)程中分別加入0 kg，15 kg，25 kg VN合金，依次標(biāo)號(hào)為1#～6#，以分析VN合金對(duì)鋼中夾雜物及鋼筋性能的影響。試驗(yàn)過(guò)程中，分別在轉(zhuǎn)爐冶煉終點(diǎn)出鋼時(shí)，鋼包吹氬前、后，中間包處取圓餅樣，截取2流鑄坯斷面，線切割加工制成15 mm×15 mm×15 mm試樣拋磨后制成金相試樣，利用電子顯微鏡及電子探針?lè)治鰥A雜物的類(lèi)型及成分;同時(shí)截取Φ5 mm×20 mm小棒制成氣體樣，利用惰氣脈沖紅外熱導(dǎo)法(ASTME1019－2008)分析鋼中 T［O］、［N］含量;截取 Φ8 mm ×200 mm鋼筋樣通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)定其力學(xué)性能。

表1 試驗(yàn)鋼種化學(xué)成分 wt%

表2 增氮?jiǎng)┑幕瘜W(xué)成分和物理性質(zhì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鋼中［N］，T［O］含量變化

通過(guò)檢測(cè)鋼中的全氧量和總氮可以定量地描述鋼中的非金屬夾雜物的具體含量。鋼中的全氧量是自由氧和與非金屬夾雜物的結(jié)合氧之和。自由氧的含量主要受與脫氧劑之間的熱力學(xué)平衡控制，而且通常較為穩(wěn)定，所以全氧量就可以用來(lái)間接衡量鋼中氧化物夾雜總數(shù)量。鋼中氮含量的變化在一定程度上反映了鋼液吸氧的程度［3］。

因?yàn)閂N合金會(huì)增加鋼液中的氮含量，因此除了鋼液本身氮含量之外，鋼液的增氮可能來(lái)自空氣或者VN合金。不同合金化工藝中各工位鋼液氮含量變化如圖1所示。

圖1 HRB400鋼不同工藝下各工序的平均［N］含量變化

由圖1可以看出，鋼中氮含量有明顯的上升，在無(wú)釩，半釩，全釩工藝下，出鋼結(jié)束到氬站氮含量分別增加15 ×10－6，38 ×10－6，42 ×10－6。說(shuō)明鋼液出鋼過(guò)程中，鋼液攪拌劇烈，造成鋼液吸氣。比較不同工藝增氮量可以看出，鋼中氮含量的增加并不是與VN合金的加入量成直線上升趨勢(shì)，VN合金加入量達(dá)到一定量時(shí)鋼液增氮效果不明顯。同樣觀察到，無(wú)釩，半釩，全釩工藝下，氬前氬后氮含量分別增加了 7 ×10－6，2 ×10－6，2 ×10－6，增幅均較小，說(shuō)明鋼包吹氬過(guò)程中，鋼液裸露面積控制較合理，沒(méi)有造成明顯吸氣。

VN合金加入量對(duì)鋼液T［O］含量沒(méi)有明顯影響，以全釩工藝為例分析，HRB400鋼各工位平均T［O］含量的變化如圖2所示。

圖2 HRB400鋼全釩工藝下各工序的平均T［O］含量的變化曲線

由圖2可以看出，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)、吹氬前后鋼中氧含量均較高。由出鋼到氬站一段時(shí)間內(nèi)，T［O］含量相對(duì)增加不是很明顯，僅增加了30×10－6;說(shuō)明在出鋼過(guò)程中鋼液吸氣的同時(shí)，由于攪動(dòng)，鋼中夾雜物有一定上浮。由氬站到鑄坯，鋼中T［O］含量明顯降低，鑄坯 T［O］為 50 ×10－6左右，說(shuō)明中間包對(duì)于大型夾雜物，上浮去除效果顯著。

2.2 鋼中顯微夾雜物分析

通過(guò)掃描電鏡(SEM+EDS)對(duì)無(wú)釩，半釩，全釩工藝各工位下顯微夾雜物形貌類(lèi)型進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)釩氮合金的加入量對(duì)鋼中夾雜物的類(lèi)型和成分并沒(méi)有明顯的影響。鋼中各工位典型顯微夾雜物的類(lèi)型和成分分別如圖3和表3所示。

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼樣:主要以Al2O3－CaO復(fù)合夾雜物和Al2O3夾雜為主，及少量硫化物。夾雜物尺寸在50 μm以下，偶爾出現(xiàn)100 μm以上的含MgO的大型夾雜物，由轉(zhuǎn)爐爐襯侵蝕帶入。

吹氬前鋼樣:多為SiO2－MnO復(fù)合夾雜物外裹MnS夾雜物或者CaO－SiO2－Al2O3復(fù)合夾雜物，同時(shí)發(fā)現(xiàn)硫化物多以聚集形態(tài)出現(xiàn)，成條狀或球形，粒徑較小。仍然發(fā)現(xiàn)部分MgO含量較高的大型夾雜物。有可能是出鋼鋼水對(duì)鋼包沖刷侵蝕造成。

表3 不同階段鋼中典型的顯微夾雜物成分 wt%

圖3 不同階段鋼中典型的顯微夾雜物形貌

吹氬后鋼樣:夾雜物仍以SiO2－MnO或者M(jìn)nO－SiO2－Al2O3復(fù)合夾雜物為主，與吹氬前夾雜物類(lèi)型相似。出現(xiàn)大量類(lèi)球形的MnS夾雜，尺寸較小，在3～6μm之間。仍有Al2O3－SiO2－ MnO大型夾雜物的存在。

中間包鋼樣:主要以MnO－SiO2－Al2O3復(fù)雜硅酸鹽為主，球形的MnS夾雜大量出現(xiàn)，MgO含量較高的大型夾雜物基本上浮排出。夾雜物尺寸在2 μm～25 μm 之間，10 μm 以下的居多，該工位大型夾雜物通過(guò)碰撞、聚合為簇狀?yuàn)A雜從而上浮去除［4］，數(shù)量明顯下降，僅在第1流中間包出現(xiàn)個(gè)別MnO－SiO2－Al2O3大型夾雜物。

鑄坯樣:仍然以SiO2－MnO夾雜物為主，夾雜物數(shù)量明顯減少，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大型夾雜物。電鏡下觀察到第1流鋼中夾雜物數(shù)量明顯低于第2流，且粒徑分布較均勻，夾雜物尺寸基本上在10 μm以下;第2流鋼中有部分粒徑10 μm～20 μm的夾雜。說(shuō)明電磁攪拌的應(yīng)用，能夠使結(jié)晶器內(nèi)的夾雜物向中心聚集上浮，被保護(hù)渣吸附去除，從而提高了鑄坯的潔凈度［5］。電磁攪拌進(jìn)一步促進(jìn)了較大夾雜物的去除。

2.3 鋼筋力學(xué)性能分析

試驗(yàn)中脫氧合金化時(shí)加入不同量的VN合金，以分析其對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響。已知隨鋼中釩含量的增高，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度均相應(yīng)提高［6］，并且V含量與抗拉強(qiáng)度近似滿足以下公式:

V含量與屈服點(diǎn)近似滿足以下公式:

式中:R2——相關(guān)系數(shù)。

V含量與強(qiáng)度指標(biāo)存在較好線性正相關(guān)。

經(jīng)調(diào)查，試驗(yàn)各爐次鋼筋的化學(xué)成分均滿足國(guó)家HRB400成分標(biāo)準(zhǔn)要求。VN加入量的增加對(duì)鋼中V含量有較大的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，基本上每提高0.1 kg/t VN，鋼中V提高0.005%。生產(chǎn)的鋼材具有滿足強(qiáng)度、韌性和焊接性能等方面的要求。各爐次的鋼筋力學(xué)性能如圖4所示。

圖4 各爐次鋼筋的力學(xué)性能

由圖4可以看出，各試驗(yàn)爐次鋼筋的屈服強(qiáng)度≥400 MPa，抗拉強(qiáng)度≥570 MPa，斷后延伸率≥14%，均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。本次試驗(yàn)鋼筋的屈服強(qiáng)度，延伸率沒(méi)有明顯的區(qū)別，對(duì)于半釩試驗(yàn)的兩爐鋼(3#，4#)的鋼筋，其抗拉強(qiáng)度較高，也很穩(wěn)定。故整體上看，從性能和成本角度出發(fā)，半加釩應(yīng)該是最佳方案。

3 結(jié)論

1)鑄坯 T［O］含量在50 ×10－6左右，鑄坯夾雜物以MnO－SiO2復(fù)合夾雜物以及硫化物夾雜為主，粒徑在10 μm以下，對(duì)于該鋼種， 該潔凈度處于較高水平。

2)中間包工位的保護(hù)澆注避免了鋼液二次氧化，鋼中大型夾雜物的上浮去除效果良好;電磁攪拌能夠進(jìn)一步促進(jìn)較大夾雜物的去除，提高鋼種潔凈度。

2)吹氬前后鋼中氮含量沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明吹氬過(guò)程控制較合理，沒(méi)有造成明顯的二次氧化;

3)不同VN合金加入下，鋼中夾雜物類(lèi)型無(wú)明顯影響。綜合力學(xué)性能分析，認(rèn)為半加釩是最佳方案，得到鋼筋的抗拉強(qiáng)度較高且穩(wěn)定。

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RESEARCH ON CLEANLINESS AND PROPERTIES OF HRB400 STEEL

Song Fangfang1Yao Jiahua1，2Li Jingshe1Tang Haiyan1Wu Guoqing1，3
(1.University of Science and Technology Beijing; 2.Tianjin Pipe(Group)Corporation; 3.Xinxing Ductile Iron Pipes Co.Ltd)

The cleanliness of the hot rolled ribbed bar 400 by different alloying process in a domestic steelmill is studied by the way of sampling systematically and comprehensive analysis.We also do research on the reinforced mechanics properties by kinds of alloy addition amount.The results show that the liquid steel do not inhale a large number of suction.The average total oxygen content is about 50×10－6in square billet and the main kind inclusion is MnO－SiO2and MnS with the radius of bellow 10 μm.The quantity of VN alloy added to steel has little influence on the style of inclusion，but lager influence on reinforcing steel pull resistant.Higher and stable tensile strength is obtained when 0.18 kg/ton steel added.

HRB400 cleanliness inclusion mechanical property

*聯(lián)系人:李京社，常務(wù)副院長(zhǎng)，教授，博士生導(dǎo)師，北京(100083)，北京科技大學(xué)研究生院;

2011—11—2