高強(qiáng)度鋼HTRB640E的開發(fā)與應(yīng)用研究

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)材料性能的要求日益提高。高強(qiáng)度鋼因其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的加工性能，在建筑、橋梁、機(jī)械制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。HTRB640E作為一種新型高強(qiáng)度鋼，具有更高的強(qiáng)度、更好的塑性和韌性，以及優(yōu)異的焊接性能，成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

本研究旨在開發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的HTRB640E高強(qiáng)度鋼，并探討其在實(shí)際工程中的應(yīng)用前景。通過(guò)系統(tǒng)的成分設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化和性能測(cè)試，我們期望為高強(qiáng)度鋼的開發(fā)和應(yīng)用提供新的思路和方法，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。

1HTRB640E高強(qiáng)度鋼的開發(fā)

HTRB640E高強(qiáng)度鋼的開發(fā)過(guò)程主要包括成分設(shè)計(jì)、冶煉工藝和軋制工藝三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在成分設(shè)計(jì)方面，我們采用了高碳、高錳的設(shè)計(jì)思路，并添加適量的微合金元素如鈮、釩、鈦等，以提高鋼材的強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，嚴(yán)格控制硫、磷等有害元素的含量，確保鋼材的純凈度。

1.1 化學(xué)成分及工藝設(shè)計(jì)

（1）化學(xué)成分

HTRB640E熱軋高強(qiáng)抗震鋼筋研發(fā)的難度在于在確保強(qiáng)度的情況下，必須滿足強(qiáng)屈比的要求，強(qiáng)度主要取決于熔煉成分的種類和數(shù)量，具體來(lái)說(shuō)主要取決于加入多少種類的合金。為保證良好的焊接性必須限定Ceq（碳當(dāng)量），這就使得起到強(qiáng)化作用的C、Mn元素添加量得到了限制，在鋼鐵材料的微合金強(qiáng)化方面，一般采用 Nb 、V、Ti三類合金，Nb、Ti元素的碳氮化合物回融溫度很高，析出數(shù)量較少，不能用于 640MPa 級(jí)別的熱軋鋼筋的主要強(qiáng)化元素，V元素的碳氮化合物回融溫度較低，在冷卻過(guò)程中能夠形成大量納米級(jí)析出物，可提高鋼筋強(qiáng)度，尤其是VN提高強(qiáng)度效果最為明顯，并且能夠細(xì)化品粒，增加產(chǎn)品強(qiáng)度及塑性，但是其缺點(diǎn)是會(huì)降低強(qiáng)屈比。因此，我們?cè)诔煞衷O(shè)計(jì)上以VN強(qiáng)化為主，同時(shí)添加少量Cr、Mo、Nb元素進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，在滿足強(qiáng)度指標(biāo)的同時(shí)，使強(qiáng)屈比達(dá)到1.25。根據(jù)相關(guān)研究資料，參考GB1499.2-2024中HRB600化學(xué)成分控制要求，在本公司現(xiàn)有工藝技術(shù)及HRB50OE基礎(chǔ)上，制定出釩/氮和鋸復(fù)合微合金化工藝試制HTRB640E高強(qiáng)抗震鋼筋的化學(xué)成分控制要求（見表1）。

表1HTRB640E鋼筋化學(xué)成分控制要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

（2）力學(xué)性能

參考GB1499.2-2024中HRB600及其以下級(jí)別鋼筋力學(xué)性能控制要求，HTRB640E高強(qiáng)抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求見表2，表2中，RoeL為鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度， Rom 為鋼筋實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度。

表2HTRB640E鋼筋力學(xué)性能控制要求

（3）工藝流程

HTRB640E高強(qiáng)抗震鋼筋生產(chǎn)工藝流程如下：高爐鐵水 $$ 轉(zhuǎn)爐冶煉 $$ 氬站 $$ 爐外精煉 $$ 連鑄 $$ 鑄壞檢查 $$ 壞料加熱 $$ 軋制 $$ 冷床自然冷卻 $$ 精整 $$ 檢驗(yàn) $$ 打捆包裝 $$ 過(guò)磅 $$ 標(biāo)識(shí) $$ 入庫(kù) $$ 出廠。

2 過(guò)程工藝控制

2.1 煉鋼工藝

（1）轉(zhuǎn)爐冶煉控制

使用 120t 氧氣轉(zhuǎn)爐進(jìn)行頂?shù)讖?fù)合吹煉，終點(diǎn)控制要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)為： ，W（P） lt;0.030% ，出鋼溫度 ≥1630^°C ，氬前溫度?1545^°C 。出鋼過(guò)程使用鋁鐵脫氧劑、硅鐵、硅錳合金、釩氮合金和鈮鐵進(jìn)行脫氧合金化，全程使用底吹氬工藝，促進(jìn)鋼水成分、溫度的均勻和非金屬夾雜物的上浮排除，擋渣出鋼，防止大量下渣鋼水回磷。

（2）IF精煉控制精煉過(guò)程進(jìn)行成分微調(diào)，對(duì)鋼水溫度進(jìn)行控制，精煉終點(diǎn)鋼水成分達(dá)到成分目標(biāo)控制要求，溫度控制在1550～1560 C ，以保證鋼水連鑄穩(wěn)定性。精煉結(jié)束保證鋼包軟吹氬8min 以上，促進(jìn)鋼中夾雜物上浮排除。

（3）連鑄澆注控制

澆鑄在7機(jī)7流連鑄機(jī)上進(jìn)行，鋼坯斷面為170mmx170mm 方壞，全程保護(hù)澆鑄。針對(duì)鈮微合金化鋼連鑄坯裂紋敏感性較高，影響連鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題，結(jié)合本公司實(shí)際控制情況及相關(guān)研究，連鑄過(guò)程結(jié)晶器保護(hù)渣使用低合金鋼專用保護(hù)渣，二冷采用低合金配水模式，中包過(guò)熱度 ?35^°C ，拉速為 2.0～2.5m/min ，鑄坯矯直區(qū)溫度 gt;900^°C 。

2.2軋鋼工藝

適量鋸微合金化與釩微合金化結(jié)合，不僅能夠增加細(xì)晶強(qiáng)化效果，同時(shí)鈮、釩的析出也能顯著改善鋼的力學(xué)性能，但鈮、釩的碳氮化物析出溫度和位置不同，釩的碳氮化物析出溫度為700～900^°C ，主要在奧氏體/鐵素體相變過(guò)程中以及相變后的鐵素體中析出，鈮的碳氮化物析出溫度 gt;950^°C ，主要在奧氏體中析出。鈮的加入提高了其全固溶溫度，擴(kuò)大了高溫析出的溫度區(qū)域，并且在降溫過(guò)程中其析出量也顯著增多。為了保證鋸、釩細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化效果、提高HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋抗震性能，軋制過(guò)程采用側(cè)進(jìn)側(cè)出雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐進(jìn)行加熱，出爐溫度為 1050～1100^°C ，開軋溫度為 1020～1070^°C ，軋制速度為 13～15m/s ，預(yù)水冷第一段必須投入，進(jìn)精軋溫度 1000±20^°C ，上冷床溫度：目標(biāo)860% ，范圍 860±10^°C ，冷床空冷至室溫。在17架出口位置上一段 Φ60mm 短穿水管總成一套，調(diào)節(jié)上冷床溫度，消除成品表面氧化鐵皮。

3檢驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能

鋸釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB60OE高強(qiáng)抗震鋼筋力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3HTRB640E鋼筋力學(xué)性能結(jié)果

由表3可知，采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB60OE鋼筋，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求，且屈服強(qiáng)度具有 25MPa 余量，性能波動(dòng)較小，鋼筋強(qiáng)韌性和抗震性良好，綜合性能優(yōu)異。

3.2 時(shí)效性能

對(duì)部分HRB60E高強(qiáng)抗震鋼筋分別進(jìn)行3、7、10和15d自然時(shí)效力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可以看出，其15d內(nèi)鋼筋力學(xué)性能存在小幅波動(dòng)，但整體性能穩(wěn)定，且符合抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求。

表4HRB600E鋼筋時(shí)效力學(xué)性能

3.3金相組織及夾雜物

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)HRB60OE高強(qiáng)抗震鋼筋進(jìn)行金相組織（見圖1）及夾雜物（見圖2）檢驗(yàn)，其鋼的組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分?jǐn)?shù) gt;45% ，晶粒度 gt;10 級(jí)，晶粒均勻。夾雜物主要為A、C和D類夾雜物，均 lt;1.5 級(jí)，夾雜物數(shù)量少且尺寸較小，未出現(xiàn)粗細(xì)超尺寸夾雜物。

4HTRB640E高強(qiáng)度鋼的性能研究

對(duì)開發(fā)的HTRB640E高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了全面的性能測(cè)試。力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，該鋼材的屈服強(qiáng)度達(dá)到 680MPa 以上，抗拉強(qiáng)度超過(guò)800MPa ，延伸率保持在 15% 以上，最大力伸長(zhǎng)率在 9% 以上，強(qiáng)屈比 ?1.25 ，沖擊韌性優(yōu)異。這些性能指標(biāo)完全滿足高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的要求。

焊接性能研究表明，HTRB640E具有良好的焊接性，焊接接頭強(qiáng)度與母材相當(dāng)，熱影響區(qū)無(wú)明顯軟化現(xiàn)象。微觀組織分析顯示，HTRB640E主要由細(xì)小的鐵素體和貝氏體組成，這種組織特征是其優(yōu)異力學(xué)性能的基礎(chǔ)。通過(guò)透射電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鋼中存在大量納米級(jí)的碳氮化物析出相，這些析出相有效地提高了鋼材的強(qiáng)度。

5HTRB640E高強(qiáng)度鋼的工程應(yīng)用

HTRB640E高強(qiáng)度鋼在實(shí)際工程中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在建筑領(lǐng)域，該鋼材可用于高層建筑和大跨度結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件，有效減輕結(jié)構(gòu)自重，提高抗震性能。在橋梁工程中，HTRB640E可用于制造大跨度橋梁的主梁和橋墩，提高橋梁的承載能力和耐久性。

機(jī)械制造領(lǐng)域是HTRB640E的另一個(gè)重要應(yīng)用方向。該鋼材可用于制造重型機(jī)械的承力部件，如起重機(jī)臂架、挖掘機(jī)斗桿等，顯著提高設(shè)備的工作性能和可靠性。此外，HTRB64OE還可應(yīng)用于壓力容器、海洋平臺(tái)等特殊領(lǐng)域，滿足嚴(yán)苛的使用環(huán)境要求。

圖1試制HTR640E鋼筋基體的金相組織圖（ 500× ）

圖2試制HTR640E鋼筋的夾雜物觀察圖

6結(jié)論

通過(guò)鋸釩復(fù)合微合金化工藝，成功試制了HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋，同時(shí)，通過(guò)各項(xiàng)檢驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論。

1）采用鋸釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋的力學(xué)性能，及其自然時(shí)效15d后鋼筋力學(xué)性能，均符合其抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求，且屈服強(qiáng)度具有 25MPa 余量，鋼筋強(qiáng)韌性和抗震性良好，綜合性能優(yōu)異。

2）采用鋸釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋內(nèi)部顯微組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分?jǐn)?shù) gt;45% ，晶粒度 gt;10 級(jí)，晶粒均勻，夾雜物主要為A、C和D類夾雜物，均 lt;1.5 級(jí)，夾雜物數(shù)量少且尺寸較小，未出現(xiàn)粗系超尺寸夾雜物，鋼筋內(nèi)部質(zhì)量良好。

3）通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，該鋼材實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、良好塑性和韌性的完美結(jié)合。微觀組織分析揭示了其性能優(yōu)越的內(nèi)在原因。工程應(yīng)用案例證實(shí)了HTRB640E在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

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