HRB400E抗震钢筋铌微合金强化机理研究与应用

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　　摘  要：研究Nb微合金化强化机理在轧制过程中的作用，结合轧制工艺的优化与应用，保证了产品组织性能符合GB1499.2-2018要求并实现稳定控制，降低了棒材HRB400E各规格抗震钢筋的成本，实现了Nb微合金化HRB400E抗震钢筋的稳定生产。
　　关键词：Nb微合金化;HRB400E抗震钢筋;轧制工艺;强化机理
　　中图分类号：TG142 文献标志码：A      文章编号：2095-2945（2019）14-0162-03
　　Abstract： The role of Nb microalloying strengthening mechanism in rolling process was studied. Based on the optimization and application of rolling process， the product structure and properties were guaranteed to meet the requirements of GB1499.2-2018 and stable control was achieved. The cost of various specifications of anti-seismic bar HRB400E was reduced， and the stable production of Nb microalloyed HRB400E anti-seismic bar was realized.
　　Keywords： Nb microalloying; HRB400E seismic steel bar; rolling process; strengthening mechanism
　　1 概述
　　2018年11月1日，GB/T 1499.2-2018熱轧带肋钢筋新国标正式实施，钒合金价格飞涨且供不应求，柳钢提前数月使用价格较低的铌铁合金开展强化机理研究与试验生产，应用铌微合金化技术结合棒材轧制工艺优化，充分利用各种强化机理，实现了φ12mm-φ32mm规格HRB400E钢筋的批量稳定生产，产品组织性能合格，降低了合金成本与轧钢工序成本。
　　2 Nb微合金化HRB400E抗震钢筋成分设计
　　铌微合金化HRB400E抗震钢筋主要性能强化元素为C、Si、Mn、Nb，其中C在铁碳合金中以Fe3C和石墨形式存在，依靠增加珠光体含量和固溶强化提高钢筋的强度[1-2] ，C含量按照上限控制0.21～0.25%;Si固溶于铁素体和奥氏体中，依靠强化铁素体增加钢的强度，依据Si对性能的影响曲线，按照0.30～0.60%控制;Mn以置换固溶的形式存在于铁素体和奥氏体中，具有增加珠光体含量、固溶强化和细晶强化作用，根据经验控制在1.30～1.45%;Nb对碳和氮有很高的亲和力，在钢中极易形成稳定难溶的NbC、Nb（CN），通过细晶强化、沉淀强化和相变强化提高钢的强度，按照0.025-0.035%控制。铌微合金化HRB400E抗震钢筋成分设计见表1。
　　3 轧制工艺
　　3.1 加热工艺
　　为保证Nb（CN）充分溶入奥氏体发挥其强化作用，理论上加热炉温控制在1250℃[3]，所有Nb全部溶解到奥氏体中，但加热温度超过1150℃，奥氏体晶粒开始长大粗化，降低细晶强化的效果，且过高的加热温度一定程度上造成加热炉待温频繁影响生产顺畅。
　　综合考虑以上三个因素，加热温度制定见表2。加热温度既保证铸坯中Nb绝大部分溶解于奥氏体，部分未溶解的Nb（CN）有利于阻止在加热和粗轧过程中奥氏体晶粒的长大，达到细化晶粒的效果。
　　3.2 轧制工艺
　　铌微合金化HRB400E抗震钢筋生产使用断面尺寸为1652mm×10000mm的坯料，小规格Ф12mm-Ф22mm螺纹钢采用切分孔型系统，大规格Ф25mm-Ф32mm螺纹钢采用圆-椭圆孔型系统。考虑各规格的道次、延伸及电机能力，轧制温度制度如表3。
　　4 轧制工艺优化
　　4.1 轧件变形抗力增加
　　Nb微合金化在轧制过程的主要作用：（1）未溶Nb（CN）阻止高温轧制过程中奥氏体晶粒的长大;（2）轧制过程中析出的Nb（CN）阻止形变奥氏体的再结晶。由于Nb在轧制中对奥氏体晶粒的细化作用，轧件变形抗力增加，各道次轧制力均有不同程度的提升，在实际生产中，导致粗中轧轧机断辊烧轴承现象激升，断辊比例较非Nb微合金化坯料轧制上升了20%左右，另一个隐患为精轧K1、K2因轧件强度提升，表现为轧辊不耐磨，孔槽过钢量下降20%左右，孔型崩孔现象增加。为解决轧辊轧制量、断辊烧轴承和崩孔，减少轧机电流，势必要降低轧件变形抗力，适量提高开轧温度15℃，调整为1040±30℃，加热段与均热段分别提高10℃，经过一段时间试验与批量生产，成效如下：
　　（1）性能较提温之前降低2Mp左右，有效作业率提高0.5%，生产更加顺畅，班产提高12吨，煤耗增加1.1m3/t，电耗降低1.5kWh/t，成材率提高0.12%，综合降成本3.41元/吨。
　　（2）棒材线K1辊的轧制量略有提升，但是K2辊轧制量提升13%。
　　4.2 切分工艺成品弯曲
　　Nb微合金化在轧制过程中的析出与温度密切相关，在切分工艺中，切分后靠中间边缘部分为原轧件芯部，与切分两边温差在50℃左右。切分轧制和轧后冷却过程中， Nb（CN）在整个奥氏体和铁素体断面析出的不均匀，形成变形应力差，在随后的剪切、收集过程中出现弯钢现象。弯钢在轧制过程中无法有效解决，主要控制成品的冷却均匀性，通过优化冷床上钢参数、裙板安装维护、剪切标准和安装变频地辊解决了弯钢现象。
　　4.3 连续屈服
　　试验过程中，φ12mm、φ18mm和φ25mm规格Nb微合金化HRB400E抗震钢筋均出现连续屈服的情况。分析原因，Mn降低钢的Ar1、Ar3、Ms温度和共析点的碳含量以及钢种相变速度，结果是铁碳相图中共析点向左下方移动，降低奥氏体分解速度，增加淬透性，Nb微合金化可提高贝氏体相变点，提高了贝氏体的温度区间。出现连续屈服的贝氏体含量达到10-30%，主要由于Mn含量过高和轧后冷却速度过快导致，通过降低Mn含量0.05%和降低上冷床温度控制贝氏体含量。
　　5 效果及分析
　　5.1 性能（见表4）HRB400螺纹钢性能全部符合GB1499.2-2018要求，且余量充足，强屈比≥1.25，冷弯合格，时效在15MPa以内，波动较小。
　　5.2 金相组织
　　Nb微合金化HRB400E抗震钢筋各规格金相组织为F+P+芯部（4-5%）B，铁素体晶粒度为9-10.5级，组织合格（图1）。
　　5.3 焊接性能
　　焊接试样拉伸位置远离焊缝，有明显的均匀延伸和缩颈，各规格焊接性能合格。
　　6 结论
　　（1）Nb微合金强化机理贯穿于加热、轧制和冷却的轧钢全流程，通过细晶强化、沉淀强化和相变强化提高钢的强度，各规格性能、金相和焊接全部合格。
　　（2）轧制温度控制优化能有效解决轧辊轧制量、断辊烧轴承和崩孔等问题，综合轧钢工序降成本3.41元/吨。
　　（3）适当减少Mn含量和降低上冷床温度能有效控制
　　贝氏体含量，解决连续屈服无屈服点的问题。
　　（4）Nb微合金化技术替代V强化工艺，综合合金降成本100元/吨左右，保证了生产的连续性。
　　参考文献：
　　[1]崔中圻，刘北兴.金属学与热处理原理[M].哈尔滨工业大学出版社，1998.
　　[2]完卫国，李德华，郭湛，等.节约型铌微合金化HRB400钢筋的成分与工艺研究[J].钢铁研究，2011（39）：18-22.
　　[3]谢国谊，毛景平.Nb微合金化生产小规格HRB400带肋钢筋的探讨[J].新疆钢铁，2008（2）：43-45.
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