HRB400E熱軋帶肋鋼筋增氮強(qiáng)化的生產(chǎn)實(shí)踐

康建光，戰(zhàn)東平，王榮健，楊永坤，劉 新，談昕暉

（1.無錫新三洲特鋼有限公司，江蘇 無錫 214000；2.東北大學(xué) 冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.浙江長興同昕爐料有限公司，浙江 湖州 313100）

新版國家標(biāo)準(zhǔn)GB1499.2—2018《鋼筋混凝土用鋼—第2 部分：熱軋帶肋鋼筋》對熱軋帶肋鋼筋的質(zhì)量提出明確要求。熱軋帶肋鋼筋的金相組織主要是鐵素體和珠光體，不得有影響使用性能的其它組織存在，晶粒度為9級或更細(xì)。螺紋鋼如何在不增加Si、Mn、Nb、V 等合金成本的同時，達(dá)到國家新標(biāo)準(zhǔn)的要求是生產(chǎn)企業(yè)面臨的新課題［1］。

V 微合金化是發(fā)展高強(qiáng)度熱軋鋼筋的主要技術(shù)路線之一，在鋼液中加入適量含V合金，可以形成具有強(qiáng)化作用的細(xì)小彌散分布的碳氮化物。研究表明［2］，氮是含V微合金鋼中十分有效的合金化元素，與V具有較強(qiáng)的親和力，鋼中增氮能促進(jìn)含V 第二相的析出，起到細(xì)化晶粒的作用，進(jìn)而改善鋼的強(qiáng)韌性。含V鋼中每增加10×10-6的氮可提高強(qiáng)度8 MPa，可節(jié)約20%～40%的V，有效降低鋼材生產(chǎn)成本［3-5］。目前，向鋼液中增氮主要有兩種方式：一種是加入富氮合金，鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較易精確控制，但成本較高；另一種是吹入氮?dú)庠龅睙挸杀据^低，但是鋼中氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制不穩(wěn)定，且易造成鋼液溫度降低。

某特鋼公司嘗試采用微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)工藝，在降低生產(chǎn)成本的同時，充分利用合金元素的沉淀析出強(qiáng)化作用，生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋可以滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)度、韌性等性能要求。

1 熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)工藝

某特鋼公司采用目前螺紋鋼筋生產(chǎn)企業(yè)普遍使用的設(shè)備和工藝，生產(chǎn)流程：600 m3高爐鐵水—60 t 轉(zhuǎn)爐吹煉—吹氬站—連鑄—加熱爐—連軋。轉(zhuǎn)爐用鐵水成分：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.5%～4.8%，硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%～0.5%，錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%～0.2%，磷、硫和鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別控制在0.14%、0.05%和0.07%以下。轉(zhuǎn)爐出鋼過程加入FeSi 合金、MnSi 合金、FeNb 合金（或FeV 合金）進(jìn)行脫氧合金化，并加入4.5～5.0 kg/t 的增氮強(qiáng)化劑（成分為：CaO 40%，Al2O323%，Re 25%，N 10%，SiO22%），出鋼全程底吹氮?dú)膺M(jìn)行充分?jǐn)嚢?。在爐后吹氬站使用碳包芯線進(jìn)行成分微調(diào)，鋼水處理時間確保8 min 以上。鋼包全程加蓋保護(hù)，并保持18 min 澆注周期的快節(jié)奏生產(chǎn)模式，減少鋼水轉(zhuǎn)移和澆注過程中的溫度損失，確保鋼水的潔凈度。

加熱爐預(yù)熱段、加熱段、開軋、上冷床溫度控制分別為800～850、1 020～1 040、1 000～1 050、850～900 ℃。采用18架Pomini平立交替連軋機(jī)組：6架粗軋機(jī)、6架中軋機(jī)、6架精軋機(jī)。中軋后進(jìn)行預(yù)穿水，穿水壓力0.5～0.6 MPa。采用精軋Ⅰ架預(yù)切分和Ⅲ架切分的軋制模式，其中Φ10、Φ12、Φ14 規(guī)格四切分軋制，Φ16、Φ18、Φ20規(guī)格三切分軋制，Φ22和Φ25規(guī)格兩切分軋制，Φ28規(guī)格單線軋制。步進(jìn)式冷床下部設(shè)置風(fēng)機(jī)，針對不同規(guī)格采取差異化的冷卻速率，確保鋼材組織的均勻和性能的穩(wěn)定。

2 微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋實(shí)踐結(jié)果

2.1 原工藝與新工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋成分及力學(xué)性能

原工藝包括V 微合金化和V-Nb 微合金化生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋，新工藝包括V微合金化+增氮強(qiáng)化和Nb 微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋。表1 為原工藝和新工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋的控制方式。其中V以VN16合金加入進(jìn)行合金化處理，Nb以FeNb60合金加入進(jìn)行合金化處理，N以加入特制增氮劑配合底吹氮?dú)夤餐刂破滟|(zhì)量分?jǐn)?shù)。

原工藝與新工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋成分如表2 所示。C、Si、Mn、P、S 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在規(guī)定范圍內(nèi)，V、Nb和N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制范圍有所不同。與原工藝V 微合金化相比，采用新工藝V 微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)時，鋼筋中V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了0.020%～0.025%，N的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了0.009%～0.010%。與原工藝V-Nb 復(fù)合微合金化相比，采用新工藝Nb 微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)時，鋼筋中Nb 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少了0.012%～0.013%，N 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加了0.010%～0.011%，且不用加入V合金。

表1 原工藝與新工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋的控制方式Tab.1 Control methods of hot rolled ribbed steel bars produced by original and new processes

表2 原工藝與新工藝工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%Tab.2 Chemical compositions of hot rolled ribbed bars produced by original and new processes(mass fraction)，%

每種工藝隨機(jī)選擇10～12爐，對原工藝和新工藝生產(chǎn)的Φ18 mm HRB400E熱軋帶肋鋼筋進(jìn)行力學(xué)性能分析，結(jié)果如表3和圖1所示。與原V微合金化工藝相比，采用新工藝V 微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)時，在降低V 質(zhì)量分?jǐn)?shù)、節(jié)約生產(chǎn)成本的同時，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均略高于原V 微合金化工藝產(chǎn)品，其中平均屈服強(qiáng)度高7.17 MPa，平均抗拉強(qiáng)度高3.83 MPa。與原V+Nb 復(fù)合微合金化工藝相比，采用新工藝Nb 微合金化+增氮強(qiáng)化生產(chǎn)時，在省去V合金加入、降低Nb質(zhì)量分?jǐn)?shù)、節(jié)約生產(chǎn)成本的同時，抗拉強(qiáng)度與原工藝生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋相當(dāng)，而平均屈服強(qiáng)度增加11.25 MPa。

表3 生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋力學(xué)性能，MPaTab.3 Mechanical properties of hot rolled ribbed bars，MPa

2.2熱軋帶肋鋼筋微觀組織

原工藝和新工藝生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋微觀組織如圖2 所示。新工藝生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋組織與原工藝相同，均以鐵素體和珠光體為主，未見異常組織，組織形態(tài)相近，珠光體和鐵素體組織含量相當(dāng)。隨機(jī)選取兩種新工藝生產(chǎn)的10爐熱軋帶肋鋼筋進(jìn)行鐵素體晶粒度分析統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3 所示。兩種新工藝生產(chǎn)的帶肋鋼筋均能滿足新版國家標(biāo)準(zhǔn)，晶粒度等級均能達(dá)到11 級，其中采用Nb微合金化+增氮強(qiáng)化工藝生產(chǎn)的鋼筋晶粒度等級比V微合金化+增氮強(qiáng)化工藝更為穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

（1）某特鋼公司通過在轉(zhuǎn)爐出鋼過程中增N降V和增N降Nb兩種微合金化工藝，探索了一種穩(wěn)定控制鋼中N 含量的工藝技術(shù)，有效提高了鋼水中N 元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，充分利用合金元素沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，實(shí)現(xiàn)了Ⅲ級抗震螺紋鋼筋的穩(wěn)定生產(chǎn)。

（2）采用V 微合金化+增氮強(qiáng)化工藝和Nb 微合金化+增氮強(qiáng)化工藝生產(chǎn)的Φ18 mm HRB400E熱軋帶肋鋼筋與原V 微合金化工藝和V-Nb 復(fù)合微合金化工藝相比，分別節(jié)約了0.020%～0.025%V和0.012%～0.013%Nb+0.005%～0.010%V。

（3）采用V微合金化+增氮強(qiáng)化工藝生產(chǎn)的Φ 18 mm HRB400E熱軋帶肋鋼筋與常規(guī)V微合金化生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋相比，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均略有增加，其中平均屈服強(qiáng)度增加7.17 MPa，平均抗拉強(qiáng)度增加3.83 MPa。

（4）采用Nb 微合金化+增氮強(qiáng)化工藝生產(chǎn)的Φ18 mm HRB400E 熱軋帶肋鋼筋與常規(guī)V-Nb 復(fù)合微合金化生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋相比，抗拉強(qiáng)度與原工藝生產(chǎn)的帶肋鋼筋保持相當(dāng)，而平均屈服強(qiáng)度增加11.25 MPa。

（5）采用微合金化+增氮強(qiáng)化工藝生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋組織與常規(guī)微合金化工藝生產(chǎn)的熱軋帶肋鋼筋組織相同，均以鐵素體和珠光體為主，未見異常組織。