英標500 M Pa級帶肋鋼筋的開發(fā)

李東旭，馮治勝，楊清山（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

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英標500 M Pa級帶肋鋼筋的開發(fā)

李東旭，馮治勝，楊清山
（天津鋼鐵集團有限公司技術中心，天津300301）

[摘要]天津鋼鐵集團有限公司為適應國外用戶需求，開展了英標500 MPa螺紋鋼筋開發(fā)工作。通過將鉻元素的含量控制在0.30% ~0.40%，適當降低碳元素、硅元素、錳元素含量，制定合理的軋制工藝，在軋制速度控制為6.9~7.7 m/s，QTB出口溫度為500~520℃，冷床溫度為630~650℃的工藝條件下，成功開發(fā)出符合BS4449標準要求的螺紋鋼筋。

[關鍵詞]螺紋鋼筋；淬透性；溫度；性能

修回日期：2015-04-06

1　引言

螺紋鋼作為現(xiàn)代建筑行業(yè)中的重要材料，一直受到極大關注。螺紋鋼從最初的335 MPa級鋼筋逐漸發(fā)展為400 MPa、500 MPa級別，甚至達到600 MPa級別。目前，500 MPa級螺紋鋼筋成為國內(nèi)外應用較為廣泛的鋼筋之一。B500是英標螺紋鋼筋中的主要品種之一，根據(jù)不同的建筑要求，又分為A、B、C三類，天津鋼鐵集團（以下簡稱天鋼）目前已具備生產(chǎn)B級B500螺紋的生產(chǎn)條件，并大量銷售于國外，受到了用戶的認可。之前我國對于加入硼元素0.0008%以上的出口鋼材根據(jù)不同用途給予9%或13%的出口退稅政策。然而近年來，隨著含硼鋼出口的激增，貿(mào)易摩擦也在不斷地加重。國家于2015年1月1日正式取消含硼鋼出口退稅政策，同時出臺了新的出口退稅政策，新政策對于出口退稅元素進行了重新界定，主要包括硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯等元素。天鋼根據(jù)自身情況，從生產(chǎn)工藝、原料、利潤空間等多發(fā)面權衡后擬定出口螺紋鋼在原成分基礎上通過調(diào)整碳、錳元素并添加鉻元素的工藝來生產(chǎn)螺紋鋼筋，經(jīng)過反復優(yōu)化調(diào)試，已經(jīng)正式投入大生產(chǎn)中。

鉻元素作為改變鋼材性能的重要元素被廣泛應用于現(xiàn)代冶金行業(yè)，在鋼中加入適量的鉻元素能夠提升強度、硬度、耐磨性及淬透性。同時還能改變相變曲線，減弱晶粒長大傾向，使得鋼材組織得到細化[1-2]。由此可見，螺紋鋼在加入鉻元素后工藝必定會發(fā)生改變，需要在反復調(diào)試中不斷摸索，針對不同規(guī)格，不同切分方式都需從新制定工藝。本文僅對椎32 mm規(guī)格B500B鋼筋進行介紹。

2　加鉻鋼筋B500　B的研制與開發(fā)

2.1技術要求

B500B螺紋鋼筋執(zhí)行英國標準BS 4449，其中關于定義、符號、常規(guī)檢驗、試驗方法等項目可與英國標準BS EN 10080結合使用。其力學檢測項目包括屈服強度、強屈比、最大力下總伸長率、正彎、反彎。其拉伸性能特征值以及鋼筋化學成分要求如表1所示。

表1　B500B化學成分及性能要求　/w%

2.2成分設計與原理

由于硼元素與鉻元素同屬于提升鋼材淬透性的合金元素，以鉻元素替代硼元素不僅需要進行理論計算，而且還需結合自回火工藝等元素綜合考慮。因此，在保證性能的前提下，應盡量降低鉻元素的含量，合理控制淬透層深度、分配回火索氏體與鐵素體珠光體的比例。通過反復調(diào)試，最終決定將鉻元素的含量控制在0.30% ~0.40%。同時，由于性能相對偏高，在原成分的基礎上碳元素降低了0.01%，硅元素降低了0.20%，錳元素含量降低了0.10%。我公司生產(chǎn)椎32 mm規(guī)格B500B螺紋鋼筋坯料鋼種為20MnSi，最終成分設計如表2所示。

表2　加Cr與加B螺紋鋼成分對比

2.3工藝流程

高爐寅轉(zhuǎn)爐寅吹氬、調(diào)溫寅方坯連鑄寅堆冷寅步進式加熱爐寅粗軋寅中軋寅精軋寅QTB穿水寅冷床寅定尺剪寅收集寅標牌入庫。

3　試軋工藝與試制結果

3.1冶煉與連鑄工藝

3.1.1煉鋼工藝

在原料上，對鐵水和廢鋼均有嚴格要求，所有操作必須嚴格執(zhí)行操作規(guī)程，以保證熔煉分析成分，廢鋼及輔料要求凈潔、干燥。從高爐中運出的鐵水在冶煉環(huán)節(jié)不進行鐵水的預處理和精煉處理，而將脫P、S、控溫、鋼包合金化等任務全部放在轉(zhuǎn)爐工序完成。在這種工藝條件下，對煉鋼工序要求較高。首先，入爐鐵水的磷、硫需要控制在一定范圍內(nèi)，一般要求S臆0.040%，P臆0.10%，Si臆0.85%。轉(zhuǎn)爐出來的鋼水終點碳含量須大于0.08%，杜絕后吹等操作，將終點溫度控制在1 680~1 710益范圍。出鋼后要進行吹氬處理，吹氬時間不低于8 min，保證鋼水成分均勻，并完成脫氣、去除夾雜的任務。

3.1.2連鑄工藝

在連鑄過程中，為防止鋼水二次氧化并進一步去除夾雜物，提高鋼水純凈度，連鑄過程采用全程保護澆鑄，在鋼水由鋼包轉(zhuǎn)入中間包及中間包轉(zhuǎn)入結晶器過程中使用保護套管，在開澆前中間包要求進行氬氣置換，并使用方坯專用保護渣和結晶器、終端電磁攪拌等手段，使得鑄坯氣體、夾雜上浮并細化鑄坯晶粒。此外中間包要執(zhí)行恒重和恒拉速連鑄操作，避免由于鋼水液面的劇烈波動而導致卷渣。

3.2加熱制度與軋制工藝

鋼材的加熱過程簡單來說就是鋼的奧氏體化過程，同時也是降低鋼材軋制抗力的過程。溫度過低或者過高都會對軋制過程及軋后性能產(chǎn)生影響。一般來說加熱溫度越高，加熱時間越長，奧氏體晶粒吞并長大現(xiàn)象越明顯。但是，某些合金元素具有改變奧氏體形成溫度，抑制奧氏體晶粒長大的作用，例如鉻、鎳、鈦等元素。因此，鋼中加入鉻元素之后，鋼材的性能就會發(fā)生一定改變，由于鉻元素具有提高鋼材淬透性和抑制晶粒長大的作用，在同樣的工藝條件下含鉻的鋼坯軋后性能要高于未加合金元素的鋼材。

3.2.1加熱爐

天鋼加熱爐為蓄熱式步進梁加熱爐，燃料采用高爐煤氣與轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣，具有節(jié)能降耗、高效燃燒的特點，在保證完全燃燒的前提下，降低爐氣內(nèi)自由氧的濃度，并使爐內(nèi)維持正壓狀態(tài)。加熱爐內(nèi)分三段加熱：一段爐溫為800益，二段溫度為990~1 120益，均熱段為1 090~1 150益?？偧訜釙r間不少于60 min。

3.2.2軋制工藝

天鋼的軋制設備采用意大利達涅利公司棒材生產(chǎn)線技術裝備，該設備采用6（粗軋）+8（中軋）+4（精軋）的軋機機組，軋制能力強，性能好，能滿足各個規(guī)格、各個鋼種的軋制需求。在中軋后預留有LTR水冷系統(tǒng)，精軋后擁有QTB水冷系統(tǒng)，可滿足不同規(guī)格、不同性能的控軋控冷工藝要求。

天鋼軋制椎32 mm規(guī)格B500B的工藝如下：步進梁加熱爐寅6架粗軋寅8架中軋寅4架精軋寅QTB水箱穿水冷卻寅倍尺剪寅冷床寅定尺寅收集、稱重、入庫。在粗軋與中軋階段采用微張力軋制，精軋段采用活套無張力軋制。

3.2.3 QTB冷卻系統(tǒng)

QTB冷卻系統(tǒng)作為余熱淬火工藝中非常重要的環(huán)節(jié)之一，有著極其重要的作用[3-4]。余熱淬火工藝的原理是：將具有一定溫度的鋼筋（通常在奧氏體溫度區(qū)間）穿過高壓水冷系統(tǒng)，經(jīng)過淬火處理使鋼筋表層金屬急速冷卻至馬氏體轉(zhuǎn)變溫度區(qū)間，形成馬氏體組織。由于穿水時間和水壓的影響，鋼筋芯部溫度并不會降低太多，在空冷過程中芯部溫度通過熱傳導向表面?zhèn)鬟f，溫度梯度由內(nèi)而外，從而使馬氏體組織溫度升高，碳元素遷移、析出，產(chǎn)生回火現(xiàn)象，將硬而脆的馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性、強度平衡的回火索氏體。

3.3試軋結果分析

3.3.1力學性能

過去加硼螺紋鋼筋的生產(chǎn)過程中，經(jīng)過QTB穿水冷卻后螺紋鋼筋的溫度一般控制在470~500益范圍內(nèi)，而采用去硼加鉻工藝后，淬透性得到了一定程度的提升，在相同工藝溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過軋制后發(fā)現(xiàn)鋼筋性能過高，造成鋼筋強屈比降低，韌性下降。因此，需將QTB出口溫度提升以降低性能。經(jīng)過反復調(diào)試后將QTB出口溫度定在500~ 520益范圍內(nèi)，冷床溫度為630~650益，軋制速度為7.2 m/s。從其中隨機取了3組試樣，其力學性能如表3所示。

表3　加鉻螺紋鋼筋力學性能

由表3可以看出，成品的屈服強度控制在中線左右，給生產(chǎn)留出了適當?shù)恼{(diào)整余量，并給強屈比的保證奠定了基礎。強屈比控制在1.20左右，處于合理區(qū)間，并有適當?shù)陌踩嗔?。總伸長控制在9%左右，證明在用Cr元素穿水提高強度的同時，保證了良好的塑形。

3.3.2正彎反彎試驗

對按照上述工藝軋制的成品取正、反彎試樣各2支，按照BS 4449：2005規(guī)定進行正、反彎試驗要求進行彎曲試驗。實驗完成后檢查彎曲部分，發(fā)現(xiàn)表面良好，沒有出現(xiàn)任何裂紋或肉眼可見的明顯缺陷。由此可以證明，彎曲性能符合要求，韌性良好。

3.3.3微觀組織形貌

從試軋鋼筋上取小段進行拋光，隨后用4%硝酸酒精浸蝕，在光學顯微鏡下觀察可明顯發(fā)現(xiàn)3種組織形態(tài)，如圖1所示。其中圖1（a）為表層組織（回火索氏體），圖1（b）為過渡層組織（針狀鐵素體+珠光體+回火索氏體），圖1（c）為芯部組織（鐵素體+珠光體）。淬透層深度約為3.3 mm。

圖1　B500B螺紋鋼筋斷面微觀組織

4　生產(chǎn)結果

根據(jù)試制結果，在后續(xù)大生產(chǎn)中，天鋼生產(chǎn)含Cr元素椎32 mm規(guī)格B500B時，QTB水箱出口溫度控制范圍設定為500~520益，冷床溫度控制在630~650益，軋制速度為6.8~7.5 m/s。統(tǒng)計后續(xù)生產(chǎn)的20爐次椎32 mm規(guī)格B500B力學性能如表4所示。

表4　椎32 m m規(guī)格B500B大生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由大生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以看出，屈服強度控制在550~610 MPa，平均值為582 MPa，強屈比仍然落在1.20左右，表明生產(chǎn)控制穩(wěn)定；總伸長控制在10%左右，表明韌性較好。大生產(chǎn)總體控制穩(wěn)定，各項指

（下轉(zhuǎn)第19頁）

5　結論

在此工藝條件下，經(jīng)過一段生產(chǎn)實踐的檢驗得出以下結論：在原坯料的成分中用0.3% ~0.4%的鉻元素替換0.0008% ~0.0040%硼元素后，淬透性得到了提高，需要調(diào)節(jié)成分、軋速，并提高余熱淬火溫度以滿足鋼材性能要求。在實際生產(chǎn)中，將QTB水箱出口溫度控制范圍設定為500~520益，冷床溫度控制在630~650益，軋制速度為6.9 ~7.7 m/s，可生產(chǎn)出各項性能合格的B500B螺紋鋼筋。

參考文獻

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[3]董天真，梁云科，馬天右.英標460B高強度鋼筋的開發(fā)[J].天津冶金，2007（4）：37-40.

[4]楊清山，劉寶超，孔磊，等.Q460C圓鋼的研制與開發(fā)[J].天津冶金，2014（4）：20-22.

Developm entof500 M Pa Grade Ribbed Reinforced Barwith British StandardLIDong-xu,FENG Zhi-shengand YANG Qing-shan

(Technology CenterofTianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.,Tianjin 300301,China)

AbstractUpon the demand by foreign customers,Tianjin Iron and SteelGroup Co.,Ltd.proceeded the developmentof500 MPa grade rebarin accordance with British Standard.The said rebarin com原pliance with BS4449 Standard was successfully developed underthe process condition of6.9~7.7 m/s rollingspeed,500~520益QTB exittemperatureand 630~650益coolingbed temperature,through con原trolling chromium contentwithin 0.30% ~0.40% ,properly lowering the contentofcarbon,silicon and manganeseand formulatingreasonablerollingprocess.

Key wordsrebar;hardenability;temperature;performance

收稿日期：2015-03-15

doi：10.3969/j.issn.1006-110X.2015.04.002

作者簡介：李東旭（1986—），男，遼寧錦州人，碩士，主要從事棒材工藝研發(fā)工作。