釩氮微合金化HRB500E 鋼筋的制備及熱處理

供稿|李維華

內(nèi)容導(dǎo)讀

通過(guò)對(duì)化學(xué)成分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，同時(shí)控制冶煉過(guò)程、連鑄過(guò)程、熱軋過(guò)程和熱處理過(guò)程，制備了1#～7#釩氮微合金化HRB500E 鋼筋試樣，并測(cè)試了1#～8#試樣的力學(xué)和沖擊性能，結(jié)果表明，1#～7#試樣的力學(xué)性能和沖擊性能明顯優(yōu)于8#試樣，其中1#試樣沖擊功接近8#試樣的2 倍，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要與煉鋼工藝、熱軋工藝和熱處理工藝有關(guān)。

HRB500E 是新國(guó)標(biāo)GB1499.2—2018《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》里面普通熱軋鋼筋的一個(gè)高等級(jí)牌號(hào)，其屈服強(qiáng)度不低于500 MPa，與普通的鋼筋相比，HRB500E 具有更高的強(qiáng)屈比、屈屈比和最大力總伸長(zhǎng)率，當(dāng)使用HRB500E 鋼筋作混泥土骨架的建構(gòu)筑物遭遇地震時(shí)，HRB500E 鋼筋能延長(zhǎng)從形變到斷裂的時(shí)間，起到延長(zhǎng)逃生時(shí)間的作用，有利于減少災(zāi)難遇難人數(shù)[1-3]。因HRB500E 鋼筋具有較高的強(qiáng)度和塑韌性，人們對(duì)其制備工藝展開了大量的研究，主流制備工藝包括：①煉鋼工藝：化學(xué)成分采用V-N 合金化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)爐或電爐冶煉、LF 精煉和小方坯連鑄，制得方坯[4-6]；②軋鋼工藝：控制鋼坯在加熱爐的加熱方法、控制軋制過(guò)程溫度和軋制速度、上冷床后的冷卻控制[7-8]。其中不同研究的異同點(diǎn)主要在煉鋼化學(xué)成分控制和軋鋼鋼筋組織控制兩方面，上述制備工藝都是在鋼筋軋制完成后直接進(jìn)行冷卻，因在軋制過(guò)程中，鋼筋本身溫度較高，直接冷卻導(dǎo)致鋼筋內(nèi)部或多或少會(huì)存在應(yīng)力集中，導(dǎo)致鋼筋使用性能降低，難以正常發(fā)揮鋼筋優(yōu)異性能。本文主要研究在鋼筋制備的基礎(chǔ)上再進(jìn)行熱處理研究，解決鋼筋內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題，提高鋼筋的斷裂強(qiáng)度和韌性[9-10]。

HRB500E 鋼筋的制備

結(jié)合公司設(shè)備、工藝和技術(shù)情況，釩氮微合金化HRB500E 鋼筋的制備工藝流程為：原輔料(鐵水、廢鋼和溶劑等)→100 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 鋼包精煉→6 機(jī)6 流165 mm×165 mm 方坯連鑄→鋼坯→步進(jìn)式蓄熱加熱爐→18 架無(wú)扭連軋機(jī)組→冷床→熱處理→試樣，具體控制情況如下。

化學(xué)成分設(shè)計(jì)

綜合考慮C、Si、Mn、P、S、Ti、Ni、V 和N 等元素在鋼筋中所起的作用，以及其對(duì)鋼筋本身力學(xué)性能和沖擊性能影響，同時(shí)參考國(guó)標(biāo)GB/T 700-2006 規(guī)定的化學(xué)范圍要求，設(shè)計(jì)的釩氮微合金化HRB500E 鋼坯的化學(xué)成分如表1 所示。

表1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

冶煉過(guò)程控制

轉(zhuǎn)爐裝入制度采用定量裝入，總裝入量為115～125 t，鐵水溫度控制在1380～1480 °C，Si 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.60%，P 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.200%，S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于0.045%，鐵水成分與溫度異常時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整裝入量；槍位控制采用變壓變槍法，工作氧壓控制在0.80～0.85 MPa，流量控制在20000～26000 m3/h，吹煉過(guò)程中槍位的控制結(jié)合化渣情況來(lái)匹配；造渣操作采用分批加料法，渣料提槍前3 min 加完；終點(diǎn)C 質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.06%～0.12%，終點(diǎn)溫度控制在1630～1660 °C；出鋼擋渣成功率控制在95%以上，脫氧采用預(yù)脫氧和終脫氧操作，脫氧合金化操作完成后鋼水的氧含量控制在30×10-6以下；吹氬時(shí)間不少于240 s。

連鑄過(guò)程控制

連鑄工藝采用6 機(jī)6 流弧形連鑄機(jī)澆鑄，鑄坯斷面為165 mm×165 mm。大包溫度控制為連澆爐1570～1610 °C，采用下渣自動(dòng)檢測(cè)裝置，防止下渣；中間包過(guò)熱度控制在15～25 °C，拉速遵循典拉制度，保證液面高度穩(wěn)定；采用氮封保護(hù)澆鑄，結(jié)晶器液面采用自動(dòng)控制和電磁攪拌；二冷段采用氣霧冷卻和動(dòng)態(tài)配水工藝，保證鑄坯冷卻均勻。

熱軋過(guò)程控制

熱軋過(guò)程選取3 種成分的鋼坯進(jìn)行試驗(yàn)，分別為內(nèi)控樣1、內(nèi)控樣2 和對(duì)比樣，其中內(nèi)控樣1 和內(nèi)控樣2 為本文優(yōu)選試驗(yàn)，對(duì)比樣為普通鋼筋試樣，3 種成分的鋼坯如表2 所示。

表2 鋼坯化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

熱軋切分方式采用四切分軋制，軋制規(guī)格為φ8 mm，軋制工藝采用控軋控冷工藝，軋制順序?yàn)槌踯垺熊垺?，加熱裝置采用蓄熱式步進(jìn)加熱爐，軋制設(shè)備采用短應(yīng)力高剛度軋機(jī)，過(guò)程中控制好出爐溫度、水壓、穿水流量和終軋速度等相關(guān)工藝參數(shù)，具體情況如表3 所示，最終保證熱軋鋼筋產(chǎn)品溫度均勻，無(wú)異常金相和混晶組織，同時(shí)金相組織須為正常的鐵素體和珠光體，晶粒度在國(guó)標(biāo)范圍內(nèi)。

表3 控軋控冷工藝參數(shù)

鋼筋的熱處理

分別將含有內(nèi)控樣1、內(nèi)控樣2 和對(duì)比樣化學(xué)成分的鋼坯按照上述熱軋工藝進(jìn)行軋制和熱處理，得到表4 中的1#～8#HRB500E 鋼筋試樣，其中1#～6#試樣化學(xué)成分為內(nèi)控樣1，7#試樣化學(xué)成分為內(nèi)控樣2，8#試樣化學(xué)成分為對(duì)比樣，熱處理工藝及參數(shù)如表4 所示，其中8#未進(jìn)行熱處理。

表4 熱處理工藝參數(shù)

性能測(cè)試

力學(xué)性能測(cè)試

表5 力學(xué)性能測(cè)試

沖擊性能測(cè)試

沖擊性能測(cè)試方法是將HRB500E 鋼筋試樣制作成55 mm×10 mm×10 mm 和2 mm 深的U 型缺口標(biāo)準(zhǔn)式樣，在28±3 °C 條件下進(jìn)行450 J 的擺錘沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，從圖1 可以看出，1#～7#試樣沖擊韌性均明顯優(yōu)于8#試樣，其中1#試樣沖擊功接近8#試樣的2 倍，該現(xiàn)象主要與熱處理工藝有關(guān)。

結(jié)論

(1)通過(guò)采用相關(guān)的工藝控制，制備的1#～7#釩氮合金化HRB500E 鋼筋試樣的力學(xué)性能和沖擊韌性均優(yōu)于未進(jìn)行熱處理的8#普通鋼筋。

(2)所采用的HRB500E 鋼筋制備工藝與普通HRB500E 鋼筋的制備工藝基本相同，無(wú)需另外增加設(shè)備，使用傳統(tǒng)生產(chǎn)線即可，可大規(guī)模推廣。