鈦微合金化在熱軋帶肋鋼筋上的應用

余 劍，祝俊飛

（方大特鋼科技股份有限公司技術(shù)中心，江西 南昌330012）

隨著螺紋鋼新國標GB 1499.2—2018的實施，傳統(tǒng)的通過加入大量錳、硅元素來提高鋼的強度會消耗更多的成本，微合金化作用提高螺紋鋼的強度將會是螺紋鋼重要發(fā)展方向。微合金化元素鈮、釩、鈦以鈦的成本最為低廉，其技術(shù)經(jīng)濟性能非常優(yōu)越。鈦在鋼中具有重要的合金化作用，這與其存在形式有關(guān)，固溶鈦與各種含鈦第二相的作用具有顯著的差別[1]。Ti（C、N）具有控制晶粒長大作用，TiC具有沉淀析出強化作用，固溶鈦能夠阻止奧氏體再結(jié)晶從而大幅提升鋼的強度[2]。因此，本文通過在熱軋帶肋鋼筋中添加微量的鈦元素，并與未添加鈦元素的熱軋帶肋鋼筋力學性能和金相組織方面進行對比，以研究鈦元素微合金化對熱軋帶肋鋼筋的力學性能以及微觀組織的影響。

1 試驗思路及工藝

以現(xiàn)有生產(chǎn)工藝條件為基礎(chǔ)，通過向鋼種添加一定的Ti合金，在鋼水冷卻過程中使鋼中形成TiN或Ti（C，N）顆粒，這些在晶界析出的顆粒起到阻止晶粒長大的作用，從而使鋼的強度得到提升，最終實現(xiàn)“提鈦降錳”的目的。試驗采取含鈦鋼冶煉工藝、控軋控冷工藝措施，通過力學性能檢測和顯微組織分析驗證鋼的化學成分與力學性能的關(guān)系，在滿足GB 1499.2—2018力學性能和顯微組織要求的條件下，將鋼中化學成分控制在合理區(qū)間范圍內(nèi)，具體研制思路如下。

1.1 煉鋼工藝的確定

考慮到螺紋鋼冶煉的生產(chǎn)節(jié)奏無法連續(xù)實現(xiàn)LF精煉處理，試驗煉鋼工藝流程初定為轉(zhuǎn)爐→吹氬→連鑄。由于鈦在鋼中氧化性極強，鋼水澆注過程中易造成絮流現(xiàn)象，故采用喂絲工藝提升鈦鐵回收率，最終試驗煉鋼工藝流程確定為轉(zhuǎn)爐→吹氬后喂鈦線→連鑄機全程保護澆注。

1.2 轉(zhuǎn)爐關(guān)鍵控制點

鈦的化學性質(zhì)非?；顫?，實際生產(chǎn)中易與碳、氮、氧、硫等發(fā)生反應，優(yōu)先形成的TiO、TiS，這不但會消耗部分固溶鈦而且由于其尺寸較大會降低鋼的韌性。因此，轉(zhuǎn)爐工序確保終點w（C）大于0.12%，減少鋼水總氧含量，出鋼過程中優(yōu)先加入鋁粒和硅錳合金進行脫氧，鋼包大氬氣攪拌，保證脫氧劑、合金充分融化。

1.3 吹氬關(guān)鍵控制點

鈦與氧有很強親和力，出鋼過程中鋁粒加入量約1.5 kg/t，保證鋼中[O]含量較低，鈦線加入量180 m，喂線完成后保證軟吹時間大于10 min。

1.4 連鑄關(guān)鍵控制點

1）連鑄坯表面質(zhì)量控制。由于鈦在高溫時容易形成諸如氧化物、硫化物、硫碳化物等其他含鈦相，從而使得能夠形成TiC的有效鈦含量發(fā)生明顯的波動，因此需要確保連鑄坯表面溫度大于900℃，確保鈦的強化作用，減少連鑄坯表面裂紋。

2）連鑄工藝參數(shù)控制。連鑄生產(chǎn)過程中要求中間包溫度為1 535～1 545℃，拉速穩(wěn)定在（2.4±0.05）m/min，比水量為0.5～0.8 L/kg，結(jié)晶器水量為（110±2）t/h，矯直前鑄坯表面溫度910～950℃。

3）連鑄保護澆注控制。由于含鈦鋼水易氧化，所以過程保護澆注控制非常關(guān)鍵。鋼水軟吹結(jié)束后，鋼包、中間包表面及時加入覆蓋劑確保鋼水不裸露，鋼包長水口處采用氬封裝置，大包升降裝置實現(xiàn)全保護開澆，連鑄中間包配備整體式內(nèi)裝水口，保證了澆注過程順行。

1.5 軋制工藝控制點

鈦微合金鋼通常在1 250℃以上均熱后再進行軋制，確保鈦主要以TiN或非常富氮的Ti(C，N)形式沉淀析出，適當增大冷卻速度壓低實際沉淀溫度可使沉淀相尺寸細化，從而保證獲得有效阻止均熱態(tài)奧氏體晶粒長大的效果[3]。

按照以上理論基礎(chǔ)，軋制工藝思路是提高加熱溫度，在滿足國標宏觀金相要求的前提下降低精軋溫度。最終確定軋制工藝為加熱段爐溫1 290℃左右，加熱段在爐時間為45 min，均熱段爐溫為1 180℃左右，均熱段在爐時間為32 min，進軋溫度為1 000～1 100℃，上冷床溫度為820～870℃。

2 試驗材料及方法

試驗用鋼為方大特鋼科技股份有限公司生產(chǎn)的HRB400鋼坯，其化學成分見表1所示。其中成分1為常規(guī)不含鈦鋼，成分2為低鈦鋼，成分3為含鈦鋼。試驗用鋼冷坯裝爐后，經(jīng)相同加熱工藝、軋制工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋，分別軋制了Φ14 mm、Φ22 mm兩個規(guī)格熱軋帶肋鋼筋的試驗。其中在Φ14 mm規(guī)格進行了不含鈦HRB400、含鈦HRB400和不含鈦低溫軋制工藝的對比試驗；在Φ22 mm規(guī)格進行了含鈦HRB400擴大試驗。通過對應熱軋鋼筋成品頭、中、尾等相同位置進行取樣檢測后，進行對比分析三種成分在相同加熱工藝和軋制工藝下力學性能、顯微組織的變化。

表1 試驗鋼的化學成分 %

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鈦對力學性能測試結(jié)果分析

在Φ14 mm規(guī)格上進行了同生產(chǎn)工藝條件下的成分1和成分2的對比試驗，試驗的力學性能如表2所示。在Φ22 mm規(guī)格上進行同生產(chǎn)工藝條件下的擴大對比試驗，試驗的力學性能如表3所示。

表2 顯示，屈服強度和抗拉強度對比中成分2含鈦鋼較成分1不含鈦含鈮鋼明顯偏高，不含鈦鋼的屈服強度平均值低6 MPa，不含鈦鋼的抗拉強度平均值低13 MPa；斷后伸長率A和最大力下總伸長率Agt無明顯差異。而成分3不含鈦不含鈮鋼盡管降低了終軋溫度，但屈服強度最小值已低于國標要求，故不可取。表3 顯示，成分2含鈦鋼屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率A和最大力下總伸長率Agt均滿足國標

表2 試驗鋼Φ14 mm規(guī)格力學性能對比表

表3 試驗鋼Φ22 mm規(guī)格力學性能對比表

要求且與表2中Φ14 mm規(guī)格性能相當，說明含鈦鋼在較大規(guī)格上性能仍然穩(wěn)定。

3.2 鈦對熱軋帶肋鋼筋顯微組織的測試結(jié)果對比分析

圖1 含鈦鋼Φ14 mm規(guī)格顯微組織

圖1 為含鈦鋼顯微組織，從邊部到中心的微觀組織均得到典型的鐵素體-珠光體組織，其邊部的鐵素體晶粒尺寸較中心處細化效果明顯。

下頁圖2為不含鈦鋼顯微組織，其邊部到中心處均得到鐵素體-珠光體組織，中部組織晶粒度與圖1并無明顯差別，邊部組織晶粒度等級小于圖1。

不含鈦鋼、含鈦鋼顯微組織，其邊部到中心處均得到典型鐵素體-珠光體組織，其邊部、中心的晶粒度對比情況如下頁表4所示，鈦元素對熱軋帶肋鋼筋邊部晶粒有一定細化效果。

圖2 不含鈦鋼Φ14 mm規(guī)格顯微組織

表4 試驗鋼微觀組織平均值對比表

4 結(jié)語

通過煉鋼轉(zhuǎn)爐→吹氬后喂線→連鑄機全程保護澆注工藝、軋制控軋控冷工藝，成功實現(xiàn)了鈦微合金化螺紋鋼的生產(chǎn)。在現(xiàn)有熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)工藝不變的條件下，其力學性能、組織、晶粒度均滿足GB 1499.2—2018要求，對比含鈮螺紋鋼，噸鋼成本降低約30元。鈦微合金化螺紋鋼的生產(chǎn)實施，為企業(yè)微合金化螺紋鋼積累了技術(shù)儲備并提升了企業(yè)的核心競爭力。