Nb微合金化在八鋼生產(chǎn)HRB400E的應(yīng)用

馮躍平，王建新

（新疆八一鋼鐵股份有限公司制造管理部）

1 前言

目前，我國的熱軋帶肋鋼筋中，HRB400E鋼筋是主要的建筑用鋼筋，占比在70%以上。在《鋼筋混凝土用鋼第二部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2018）中規(guī)定，生產(chǎn)HRB400E鋼筋可采用V、Nb、Ti等元素。鈮是強碳氮化物形成元素，在鋼中通常以Nb（CN）形式存在。鈮在鋼中的作用包括三個方面：細化晶粒；沉淀強化；固定鋼中自由氮，消除氮對鋼的韌性和時效的影響。高溫析出的Nb（CN）阻抑原始奧氏體晶粒長大，在軋制過程中阻礙變形奧氏體的再結(jié)晶，從而起到細化晶粒作用。在相變時或相變后析出的Nb（CN）對鐵素體有強烈的沉淀強化作用［1］。

以V-N合金生產(chǎn)的HRB400E鋼筋，性能比較穩(wěn)定。但V-N合金的價格資源緊張，價格大幅上漲，致使HRB400E鋼筋的合金成本急劇上升。在Nb價格相對穩(wěn)定和波動不大的情況下，以Nb生產(chǎn)HRB400E鋼筋成本相對較低。通過調(diào)整成分設(shè)計，優(yōu)化軋制的控制參數(shù)，八鋼棒線產(chǎn)線生產(chǎn)了符合國標(biāo)要求的HRB400E鋼筋，避免了鋼筋屈服點不明顯、屈服容易偏低的現(xiàn)象。降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品效益。

2 Nb鋼的成分設(shè)計和工藝路線

2.1 成分設(shè)計及性能要求

查詢資料表明，大多數(shù)生產(chǎn)廠使用Nb合金生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋，Nb含量為0.025%～0.045%。結(jié)合八鋼的實際情況，在八鋼第一煉鋼廠40t轉(zhuǎn)爐進行了Nb合金試驗，Nb含量為0.026%～0.034%，設(shè)計成分按表1化學(xué)成分進行控制。

表1 HRB化學(xué)成分及鋼筋力學(xué)性能

Rm，MPa Rel，MPa Agt % Rm。/Rel。 Rel。/Rel≥540 ≥400 ≥9 ≥1.25 ≤1.30

鋼筋的正常組織應(yīng)主要是鐵素體加珠光體，允許少量貝氏體。

2.2 工藝路線

40t轉(zhuǎn)爐→方坯連鑄→棒線軋機→檢驗→標(biāo)識→入庫。鋼坯尺寸為150mm×150mm,長度11800mm。

棒線軋機技術(shù)要求：開軋溫度1030～1070℃;上冷床溫度980～1010℃;冷卻方式采用空冷。軋制規(guī)格為φ12mm～φ25mm熱軋帶肋鋼筋。

3 降低Nb含量的生產(chǎn)試驗

3.1 第一次試驗

3.1.1 冶煉

試驗1爐，鋼坯化學(xué)成分見表2，Nb含量達到上限。

表2 第一次試驗鋼坯化學(xué)成分 %

3.1.2 軋制及產(chǎn)品性能

將3-267爐組兩批在一棒、二棒各試軋6支。一棒軋制規(guī)格Φ25mm：開軋溫度1060℃，上床溫度1001℃，軋機速度13m/s；二棒軋制規(guī)格Φ12mm×4：開軋溫度1038～1040℃，上床溫度1000～1010℃，成品速度13m/s。

力學(xué)性能見表3，屈服強度在檢測時，無屈服平臺，表現(xiàn)為屈服強度不顯現(xiàn)。

表3 第一次試驗鋼筋的性能

取軋材樣進行金相分析，結(jié)果見表4。

試驗結(jié)果分析：鋼材無屈服強度的原因是軋材組織存在大量貝氏體。貝氏體含量超過10%時,鋼筋很容易出現(xiàn)屈服點不明顯現(xiàn)象[2]。鈮元素雖然具有顯著的強化效果，但它同時又是增加淬透性的元素，促進貝氏體等異常組織的產(chǎn)生，如果加入過多，一旦形成貝氏體組織，就會出現(xiàn)屈服不顯現(xiàn)的情況。通過進一步試驗，降低Nb合金加入量，減少軋后成品材中貝氏體量，使屈服點顯現(xiàn)。

表4 第一次試驗鋼筋金相分析

3.2 第二次試驗

3.2.1 成分調(diào)整

繼續(xù)在40t轉(zhuǎn)爐進行添加鈮鐵合金試驗，減少鋼中鈮含量。Nb含量0.015%～0.023%。鈮鐵合金在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中加入，吹氬時間必須≥4min。

冶煉：冶煉試驗1爐，爐號2-342，化學(xué)成分見表5。

表5 第二次試驗化學(xué)成分 %

3.2.2 軋制及產(chǎn)品性能

在一、二棒各試軋6支。一棒軋制規(guī)格Φ18mm×2：開軋溫度1065℃，上床溫度985～1000℃，軋機速度 11.5m/s。

二棒軋制規(guī)格Φ12mm×4：開軋溫度1020～1050℃，上床溫度980～1010℃，成品速度13m/s。

成品力學(xué)性能見表6，一棒軋制無屈服強度，二棒軋制力學(xué)性能滿足要求。

表6 第二次試驗鋼筋的性能

表7 第二次試驗鋼筋金相分析

取軋材樣進行金相分析，結(jié)果見表7。

試驗結(jié)果分析可知：鋼材力學(xué)性能檢測屈服強度不顯現(xiàn)的原因是軋材組織存在大量貝氏體，力學(xué)性能滿足要求的鋼材組織中出現(xiàn)少量的貝氏體。1812-0386試Rm達到681MPa及無屈服強度情況來看，Nb含量還可以下調(diào)。

3.3 第三次試驗

3.3.1 成分設(shè)計

繼續(xù)減少鋼中鈮含量，Nb含量范圍0.012%～0.018%，其它成分不變。其它試驗條件與第二次試驗工藝相同。冶煉試驗3爐，化學(xué)成分見表8。

表8 第三次試驗鋼坯化學(xué)成分

3.3.2 軋制及產(chǎn)品性能

二棒軋制規(guī)格Φ14mm開軋溫度1035～1050℃，上床溫度1005～1015℃，軋機速度13m/s。在一棒試軋6支。一棒軋制規(guī)格Φ22mm開軋溫度1064～1074℃，上床溫度991～1000℃，軋機速度13.9 m/s。力學(xué)性能滿足要求，見表9。取軋材樣進行金相分析，結(jié)果見表10。

表9 第三次試驗鋼筋的性能

表10 第三次試驗鋼筋金相分析

從試驗鋼筋的性能與金相分析可以看出：鋼中出現(xiàn)少量的貝氏體組織可以提高鋼的強度，如果貝氏體組織過多，拉伸檢驗時就會出現(xiàn)無屈服點現(xiàn)象。調(diào)整Nb含量后，力學(xué)性能滿足要求，屈服明顯。

4 大批量生產(chǎn)實績

根據(jù)三次試驗的結(jié)果，確定了工藝控制參數(shù)及合金Nb的加入量，進行了擴大批量的生產(chǎn)試驗。冶煉的化學(xué)成分實績見表11，鋼筋性能及金相組織見表 12、表 13。

表11 批量生產(chǎn)冶煉成分實績 %

在一棒機組和二棒機組軋制規(guī)格Φ12～Φ25mm，共91批，力學(xué)性能檢測結(jié)果見表12。

表12 批量生產(chǎn)鋼筋性能

表13 批量生產(chǎn)鋼筋金相抽查結(jié)果

從擴大試驗的檢測結(jié)果顯示，生產(chǎn)的鋼筋性能均能滿足GB1499.2-2018要求的HRB400E要求，組織正常，說明試驗的成分控制和軋制工藝穩(wěn)定，可以進行批量生產(chǎn)。

4 結(jié)束語

（1）采用最終確定的化學(xué)成分和軋制工藝，采用Nb微合金化批量生產(chǎn)了HRB400E鋼筋（Φ12、Φ14、Φ16、Φ20、Φ22、Φ25mm）等 6 種規(guī)格的鋼筋累計15.23萬t，檢測后的力學(xué)性能均符合GB1499.2-2018標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）通過該工藝生產(chǎn)的HRB400E鋼筋，試驗鋼在鈮微合金化工藝的基礎(chǔ)上，減少鈮鐵合金加入量。按試驗期合金價格計算，噸鋼降低成本25元以上。

（3）在生產(chǎn)HRB400E鋼筋過程中，合適的Nb含量以及軋后冷卻，可以避免成品組織中出現(xiàn)一定量的貝氏體，在拉伸試驗時屈服平臺明顯。