（机械工程专业论文）低成高性能hrb400热轧带肋钢生产技术研究.pdf

摘要 摘要 南昌长力钢铁股份公司( 现方大特钢科技股份有限公司) 生产4 0 0 m p a 级热 轧带肋钢筋一直采用2 0 m n s w 钢坯，成本居高不下，机械性能富余量小，难以 适应市场要求和南钢公司发展的需要。g b l 9 9 9 2 2 0 0 7 钢筋混凝土用热轧带肋 钢筋中对h r b 4 0 0 热轧带肋钢筋的化学成分只规定了上限，没有规定下限， 即在确保钢筋性能合格的前提下可自主确定其化学成分。 项目组在对国内外先进轧制工艺作了大量调研工作后，结合本厂实际设备 和工艺状况，提出通过铌微合金化结合控轧控冷工艺开发低成本高性能热轧带 肋钢筋，获得成功。本文主要研究内容如下： 确定了在现有设备条件下，用高碳低硅低锰低铌的2 0 m n s i n b 钢坯采用高水 压控制冷却工艺，细化晶粒，提高钢筋强度。在此基础上，转炉炼钢可大幅度 降低钢坯中m n 、n b 的含量，以达到降低冶炼成本的目的。 试验制定了转炉冶炼的化学成分，并对其进行优化，确定了4 0 0 m p a 级钢筋 最佳成分设计方案为：c ：0 2 , - 4 ) 2 5 ，m n ：1 0 9 1 2 5 ，s i ：0 4 5 o 6 ， n b ：0 0 0 6 , - , 0 0 0 9 。 研究了钢坯加热温度对钢筋性能的影响，结合钢筋力学性能和现场设备能 力，确定加热温度控制在1 0 5 0 最佳。 研究了穿水后钢筋温度和自回火温度对钢筋性能的影响，确定了穿水后钢 筋温度在5 0 0 5 5 0 ，自回火温度在6 8 0 7 0 0 。c 的控制冷却工艺要求。 通过优化化学成分，改进工艺参数，提高钢筋塑性指标，解决了屈服点不 明、塑性指标差、横筋冷弯开裂等现场问题。 试验证明：只要合理地控制各关键工序参数，项目组研发生产的低成本高 强度带肋钢筋力学性能完全可以达到国家h r b 4 0 0 热轧带肋钢筋标准要求， r r r 仑5 4 0 m p a ，r e 仑4 0 0 m p a ，而且质量稳定，经济效益十分显著。 关键词：热轧带肋钢筋；低成本；控轧控冷；力学性能 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 e4 0 0 m p ag r a d eh o tr i b b e db a r s ，p r o d u c e db yn a n c h a n gs t e e lf a c t o r y , u s i n g 2 0 m n s i v2 l sr o wm a t e r i a lf o ral o n gp e r i o d i t sc o s t ss t i l lr e m a i na tah i g hl e v e l ，a n d i t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a n tm e e tt h en e e d so fm a r k e ta n d d e v e l o p m e n to f n a n c h a n gs t e e lf a c t o r y i nr e c e n ty e a r s ，a r c h i t e c t u r a lm a t e r i a l sm a r k e ti sc o m p l i c a t e d a n dc o n f u s e d ，t h ep r i c eo ft h ep r o d u c t i o nc h a n g e df r e q u e n t l y , t h em a i np r o d u c t i o ni n n a n c h a n gs t e e lf a c t o r yi ss c r e wt h r e a dr e i n f o r c e db a r , 晰mt h es i m p l eb r e e d ，i tc a n t a d a p tt ot h ed e v e l o p m e n to fm a r k e t s o ，i t si m p e r a t i v et oe x p l o r et h el o wc o s ta n d b e t t e rm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sh o tr i b b e db a r s i ng b19 9 9 2 2 0 0 7 ，t h e r ea r eu p p e rl i m i ti nc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fh r b 4 0 0 h o tr i b b e db a r s ，b u ti td o n th a v el o w e rl i m i t ，i nt h ec o n d i t i o no fg o o dp r o p e r t i e s ，t h e m a n u f a c t u r e rc a nd e s i g nt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o ni n d e p e n d e n t l y s o ，n a n c h a n gs t e e l 。 f a c t o r yp r e p a r e dt od e v e l o pl o wc o s th o tr i b b e db a r sb yc o n t r o l l i n gt h er o l l i n ga n d c o o l i n gp a r a m e t e r s i nt h i sp a p e r , t h es t r e n g t ho fh o tr i b b e db a r su s i n g2 0 m n s i v 嬲 m a t e r i a la r ei m p r o v e db yh i g hp r e s s u r ec o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s s ，a tt h es a m et i m e ， c o n v e r t e rf u m a c es m e l tc a r ld e c r e a s e dt h ec o n t e n to fm na n dn b ，a l s o ，l o w e rt h ec o s t mc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h es t e e lw a sd e s i g n e d ，a n ds o m ed e v e l o p m e n t sw a s m a d e f i n a l l y ，b e s tc h e m i c a lc o m p o s i t i o no ft h es t e e lw a sc l e a r e d2 l sf o l l o w e d ： c ：o 2 d 2 5 ，m n ：1 0 9 1 2 5 ，s i ：o 4 5 o 6 ，n b ：o o o 每加0 0 9 n 圮e f f e c t so ft h e h e a t i n gt e m p e r a t u r et ot h ep r o p e r t yo ft h es t e e lw a s i n v e s t i g a t e d ，a s s o c i a t ew i t ht h ep r o p e r t i e so ft h ep r o d u c t sa n dt h ec a p a b i l i t yo ft h e e q u i p m e n t s ，t h em o s ts u i t a b l eh e a t i n gt e m p e r a t u r es h o u l db e10 5 0 c t h ew a t e rc o o l i n ge q u i p m e n t sa r et h ec r u c i a lp a r t ，t h ec o o i n gr a t e ss h o u l db e 5 0 0 - 6 0 0 s 耽ee f f e c t so ft h es t e e lt e m p e r a t u r ea n dt h ec h a n g eo ft h i st e m p e r a t u r et ot h e p r o p e r t i e so ft h i ss t e e la f t e rw a t e rc o o l i n gw a si n v e s t i g a t e d 1 1 1 et e m p e r a t u r eo ft h e s t e e la f t e rw a t e rc o o l i n gw a sf i x e da t5 0 0 - 5 5 0 ，t h eh i g ht e m p e r a t u r es h o u l db e 6 8 0 - 7 0 0 mw o r k sa r e 硒f o l l o w s ，d e s i g no fp r o j e c t ，s e l e c t i o na n di n s t a l l a t i o no f i i a b s t r a c t e q u i p m e n t ，d e b u g g i n gi nl o c a l eo fp r o d u c t i o n , a n a l y s i sa n ds u n l 。u po fr e s u l t t h e r e a r eas e r i e so fp r o b l e m se m e r g e di nt h ee x p e r i m e n t ，s u c h 嬲，t h ey i e l dp o i n ta r en o t e v i d e n t ，p l a s t i cp r o p e r t yi sb a d ，t h eh o tr i b b e db a r ss p l i ti nt h ec o l db e n d i n gt e s t i n o r d e rt os e t t l et h e s ep r o b l e m s ，w ec o l l e c t e dal o to fd a t ea n ds a m p l e s ，a n a l y z e dt h e e f f e c to fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y , a n df i n d t h e c o r r e c t i v em e a s u r e s t h er e s u l ti s ，i ft h ek e yp r o c e s sp a r a m e t e r sc a i lb ec o n t r o l l e dp r o p e r l y , t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fl o wc o s ta n dh i g hs t r e n g t hp r o d u c e db yn a n c h a n gs t e e l f a c t o r yc a nm e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r d s ，r m 5 4 0 m p a ，r e 2 _ 4 0 0 m p a , a n d t h e p r o d u c t sh a v es t a b l eq u a l i t ya n dp r o m i n e n te c o n o m i cb e n e f i t s k e yw o r d s ：h o t - r o l l e dr i b b e db a r s ；l o wc o s t ；c o n t r o l l i n gt h er o l l i n ga n dc o o l i n g ； m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1h r b 4 0 0 级热轧带肋钢筋的现状与发展 随着我国建筑业的迅猛发展，大型建筑高层建筑迅速崛起，对建筑用钢的 性能提出了更高的要求。目前，欧美等工业发达国家，4 0 0 m p a 、5 0 0 m p a 级钢 筋已经广泛使用，3 3 5 m p a 钢筋( 即i i 级钢) 已基本淘汰，而i i 级钢筋是我国数 十年来一直使用的主要建筑用钢产品，目前仍然在广泛使用。由于i i 级钢材性 能较低，达到相同的结构要求需要使用更大量的钢材，这显然远远满足不了建 筑业对钢材性能日益提高及降低建筑成本的要求，但我国h r b 钢筋的生产水平 较低，与欧美工业发达国家相比差距很大，没有掌握高性能低成本钢筋的稳定 生产工艺技术。热轧带肋4 0 0 m p a 钢筋由于具有较高的强度和韧性，达到同样的 要求可以节省更多的钢材，产生巨大的经济效益，为尽快与国际接轨，我国正 在加速建筑用钢的更新换代工作，推广应用4 0 0 m p a 级钢筋【1 3 l 。 目前，国内建筑工程中使用的4 0 0 m p a 级钢筋较多的是微合金化钢材，以 2 0 m n s i v 居多。鉴于2 0 m n s i v 的生产都采用钒铁做原料，生产4 0 0 m p a 钢筋比 3 3 5 m p a 钢筋的成本要高出2 0 0 - 3 0 0 元，而且钒铁仍有涨价的趋势，所以不利于 该产品的推广应用【4 5 1 。与此同时，铌铁由于关税下降等原因价格逐渐下跌，所 以越来越多的钢铁企业正着手开发2 0 m n s i n b4 0 0 m p a 热轧钢筋。 目前开发4 0 0 m p a i 级热轧带肋钢筋的技术路线主要有以下几种： ( 1 ) 在原有2 0 m n s i 的钢种基础上加入微合金元素n b 、v 、t i ，以利用其 析出强化机理，提高钢的性能，其中以加入v 的效果最好。但钒铁价格较贵， 成本较之i i 级钢约提高2 0 0 3 0 0 元吨。 ( 2 ) 以美国技术为借鉴，加入v - n 合金可比v - f e 成本降低约7 0 元吨【6 】。 ( 3 ) 采用低温轧制，利用位错强化和细晶强化，提高钢的性能，生产出 h r b 4 0 0 i i i 级螺纹钢筋。但低温轧制要求轧机、电机能力要大，一般现有轧机难 以胜任。 ( 4 ) 采用控轧控冷，综合利用位错强化、细晶强化和沉淀强化( 加少量v - f e ) ， 可进一步降低成本，并保证螺纹钢筋有良好的综合性能。 第一章绪论 1 2i 黜4 0 0 级热轧带肋钢筋的传统生产工艺 最近几年生产高性能的热轧带肋钢筋通常都利用低温轧制，轧后使用传统 的余热处理技术，以达到改变轧制中晶粒状态和改变轧后相变条件，细化晶粒， 最终提高综合性能的目的。目前，h r b 4 0 0 级热轧带肋钢筋的生产工艺主要有低 温轧制、轧后余热处理、微合金化、和超细晶粒钢生产等【7 1 。 1 2 1 低温轧制 低温轧制是利用奥氏体在未结晶区轧制能使相变后晶粒得到较大幅度细化 的工艺原理，轧制出较高综合性能的钢材。由于低温开轧使钢材表面氧化铁皮 减少，钢材表面质量大大改善，同时，避免了传统热加工轧制好的钢材，还要 单独进行热处理的繁杂工艺，节省人力、物力，降低了成本【8 】。 但低温轧制也有不利的一面，由于开轧温度的降低，使得轧制过程中轧件变 形抗力增大，轧辊易出现疲劳开裂，甚至崩断，造成频繁换辊，影响作业率； 同时，增加了电机的负荷，对轧辊主电机的能力提出更高的要求。另一方面， 在降低轧制温度的情况下，要加入较多的合金来优化轧制过程，细化晶粒效果， 增加冶炼成本；而且由于整个轧制过程中温度较低，不易发生回复再结晶现象， 易发生严重偏折现象，影响钢材的整体性能【9 】。 1 2 2 轧后余热处理 轧后余热处理的主要目的是通过对轧后钢材的快速冷却来控制相变产物和 细化晶粒，达到提高钢材性能的目的。其工艺原理是使终轧后热轧件直接进入穿 水快冷，使轧件表层温度迅速下降到m s 点以下，钢材表面层经淬火冷却后，变 形奥氏体相变成马氏体形成淬透层，空冷阶段发生自回火形成组织性能相对优 化的回火马氏体，芯部温度下降后则形成p + f 组织，对组织形态和晶粒度产生 影响的因素，除了化学成分外，可控的参数还有终轧温度、冷却速度，冷却时 间。该工艺的缺点在于存在时效性，淬透层的回火马氏体组织使得可焊性不高， 在应用中受到限n o o , n l 。 1 2 3 微合金化 微合金化生产工艺是在传统钢坯化学成分里增添一定量的n b 、v 、t i 等元 素，这些元素在钢坯里以c 、n 化合物形式存在，通过对钢材的固溶强化细化晶 2 第一章绪论 粒的作用优化轧制和冷却过程，获得性能良好的轧制产品。合金元素的加入量 一般很少，通常情况微合金化工艺所获得的钢材产品可以使钢材中c 含量降低， 从而增强可焊性，消除钢材的时效性，提高钢材的延伸率。在国外该工艺主要运 用在热板材和长材方面的生产，理论和工艺已趋完善，近几年我国也在大力研 发这种工艺 1 2 - 1 4 】。 n b 的强化作用是通过铁素体基体中的微细n b c 析出强化和n b 造成的晶粒 细化效果所起的强化作用。加入铌的钢坯轧制的钢材，铁素体晶粒度细化，主 要原因是固溶n b 可抑制奥氏体再结晶，提高再结晶温度，同时，在轧制时，n b c 析出可以抑制奥氏体的长大，使奥氏体的晶粒较细。如果钢材的原始奥氏体晶 粒粗大，冷却后所形成的铁素体晶粒度也较粗大，反之则铁素体晶粒较细，主 要原因是铁素体形核是在晶界处，晶粒细，形核点多，形成的铁素体晶粒多， 晶粒也细。因此，铌微合金化的钢，不仅可以通过沉淀强化提高钢的强度，还 可以得到较细的铁素体晶粒，提高钢材的综合性能。但是，固溶n b 也抑制铁素 体和珠光体相变，促进贝氏体和魏氏组织相变，不利于钢材的性能，有少部分 钢厂使用n b 作为微合金化元素，开发出2 0 m n s i n b i i i 级钢蒯1 5 1 7 1 。 1 2 3 1 铌在h r b 4 0 0 钢筋中的作用原理 在一般0 0 0 6 氮、0 2 碳的螺纹钢中，只有0 0 4 铌得以固溶。更多的铌 随着钢坯的加热固溶于奥氏体中，大于该温度下溶解度的铌以质点n b ( c 、n ) 形式析出。正是这些质点承担着在钢坯加热过程里阻止奥氏体长大的任务。因 此，铌钢筋在开轧时具有较细的奥氏体晶粒；可以在1 0 0 0 以上的温度下获得 更加细小的再结晶晶粒，由于它也提供转变所需的成核位置，使得在拉长的奥 氏体晶粒内获得更为细小的铁素体和珠光体组织，因此，强度及韧性同时得以 提高。 由于铌、氮在铁素体相溶解程度小，在奥氏体向铁素体的连续转变过程中， 在变动的两相界面形成大约2 r i m 的细小n b ( c 、沉淀物，由于n b 以n b ( c 、 n ) 沉淀物的形式在铁素体中存在，专家对n b ( c 、n ) 在铁素体中的沉淀强化作用 专门开展研究。结果表明：a s h b y o r o w a n 机制能控制r 9 5 0 再 a 由于反复的再 结晶而细化 低 加- - 0 高 高无无 阶段结晶a 区 d r = - 2 0 4 0 1 x r n 9 5 0 ，a r 3 a 晶粒被拉长导 第不发生再 阶段结晶的a 入变形带和位错低 - - 0 o 低高微量无 使f 晶粒细化 区 a 晶粒不再进一 第 0 6 ) ，并不会产生 魏氏组织。对于中低碳钢满足一定条件时就可能形成魏氏组织，中低碳钢材的 化学成分一定时，只有在加热和轧制中使奥氏体变得异常粗大，同时又在较高 的冷却速度下才会出现较多的魏氏组织形态。如果轧制后奥氏体得到有效细化 并保持，那么冷却中形成魏氏组织的条件就会变得苛刻：当c 元素所占比例在非 常狭小的范围区域( 0 1 5 _ 5 4 01 6完好完好 由表3 2 可分析出： 1 ) 易拉断试样拉断处截面未见严重凹凸不平现象，说明试样延伸性能较差； 断口附近基本没有因拉伸试验而收缩，说明试样较脆；虽然屈服、抗拉强度均 已达到要求或更高，但钢材无明显屈服点，塑性较差，抽样炉号里还有一个炉 号冷弯断裂，三个炉号拉伸性能不达标。 2 ) 由表3 1 所示：b 5 0 2 4 7 1 炉号中的锰含量数据显示锰元素成分较高，穿 水时，由于该炉号为t # 1 2 规格较小的螺旋钢，钢温迅速降低，有利于大幅提高 抗拉强度，由表3 2 中可知提高的数值达4 5 m p a ，但塑性表征值却大幅下降，已 第三章h r b 4 0 0 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 经低于国标值，说明穿水后，钢材组织成分发生改变，脆化组织增多。相反， 大规格炉号b 5 0 2 7 5 5 经穿水一组，在保证塑形性能情况下，抗拉性能有了可喜 的提高，从数值来看，增加了2 0 m p a ，表明钢材经穿水冷却后细化钢材晶粒的 作用显现出来了。 针对上述力学性能，试样做轧材上的组织及晶粒度分析如表3 3 ： 表3 32 0 m n s i n b 试验钢部分炉号金相组织 晶粒度( 级) 轧制号规格轧后冷却组织 边部、中间、中心 穿水 8 o f + p + 大量g b b 5 0 2 4 7 1m 1 2 未穿水 7 5f + p 未穿水 6 0f + p b 5 0 2 7 5 5 m 2 5 穿一组水 7 o 5 5 、5 5 f + p + 轻微w 穿二组水 7 o 6 0 5 5 边部：f + p ，其余部：f + p + 少量g b b 5 0 2 8 7 1西2 2 穿水 7 5 7 o 6 o 边部：f + p ，其余部：f + p + 较多g b b 5 0 2 8 7 7m 2 2 穿水 7 5 6 5 6 0 边部：f + p ，其余部：f + p + 大量g b b 5 0 2 8 7 62 2 穿水 7 5 6 5 、6 0 边部：f + p ，其余部：f + p + 大量g b b 5 0 2 8 8l2 2 穿水 8 0 7 o 6 o 边部：f + p ，其余部：f + p + 大量g b 注：f 为铁素体；p 为珠光体；g b 为粒状贝氏体 由试验钢所获得的组织及晶粒度分析可以得出： 1 ) 棒材螺纹钢在连续轧制到成品穿水冷却直到上冷床过程中，由于处于连 续冷却的过程，都会得到一定量的粒状贝氏体组织形态，该组织对性能的影响 由其在钢材中所占的具体含量来决定。如果能够适当控制在相应范围内便可得 到强度和韧性良好配合的性能；如果钢材的组织形态中该组织的量达到大于1 5 以上时，对钢材的冷弯等试验中易发生钉扎位错移动，造成屈服点不明现象， 虽然强度获得大幅度增加，但韧性也相应降低。显微组织如图3 3 、3 4 。 第三章h r b 4 0 0 m 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 图3 3 有屈服点试样的组织为f + p图3 4 无明显屈服点试样的组织f + p + 大量g b 2 ) m n 、n b 除了能使贝氏体转变区的形状发生变化并使该区更加突出外， 钢中粒状贝氏体组织形态的形成也会有m n 、n b 的参与。钢材的连续冷却曲线 也由于m n 、n b 固溶于钢中变得更加稳定。 如图3 5 的c c t 连续冷却转变曲线【5 ，从冷却速度的角度来看：当奥氏体 成分一定时，冷速越大，冷却曲线更易穿过贝氏体转变区，图中冷却曲线6 是 形成粒状贝氏体的最小冷速，小于此冷速只形成铁素体和珠光体，大于此冷速 则形成粒状贝氏体，并且随着冷速增大，粒状贝氏体转变量越多，当冷速增大 到一定程度时，若贝氏体组织正好处于中温时期，加上后面的穿水强冷，马氏 体容易由贝氏体组织形态中的奥氏体小岛转变形成，从而使钢的强度大幅上升， 性能变脆。从钢材的n b 、m n 含量的成分来看，钢材经加热使晶粒组织奥氏体 化过程中，溶于奥氏体中的n b 越多或n b 含量越高，奥氏体组织就越趋于稳定。 根据c c t 可知，贝氏体组织就更容易形成。 o s o * c 2 0 l m 孓弋沁、 a c | ；一c 1 时闻妇 图3 5c c t 连续冷却曲线图 2 4 m一珏鹬枷黼 第三章h r b 4 0 0 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 从南钢棒材厂生产的巾2 2 螺纹钢经检验获得的数据来看，生成贝氏体量大 的试样都是m n 、n b 含量较多且穿水压力大、冷却速度快，这种条件下生成的 贝氏体的韧性也较差，钢脆易断裂。为了减少形成影响钢材性能的粒状贝氏体 组织，获得较好的钢材力学性能，在接下来生产的螺纹钢里，要进行成分调整， 控制好合适n b 含量的同时，降低m n 含量，一定程度上破坏形成较大量粒状贝 氏体的条件，并且调整穿水水压使冷却速度不要太快，即使有少量粒状贝氏体 组织形成，也不致于造成上面所述的在中温时期形成大量的能使钢材变脆的马 氏体组织；使钢材获得较理想的性能：提高强度的同时，塑性无明显下降。 3 ) 表3 3 中由2 2 螺纹钢试样金相组织分析表可知：穿水试样从表层的边部 往里，晶粒逐渐的由细变粗，具体为7 0 8 o 级往6 0 级变化，表明钢坯经轧线 从成品轧机中轧出成品进行穿水冷却后，在一定深度以外的靠近表层部分温度 已经快速降低到较低的温度范围，从而经终轧后轧制细化的变形奥氏体的细化 效果经穿水冷却后得以在边部保存下来，使相变后形成的晶粒更加细化。另一 方面，使得奥氏体向铁素体相变温度降低，得到细化的铁素体晶粒；而钢材内 部温度高，降温缓慢使得变形细化的奥氏体再结晶晶粒长大，相变后的晶粒相 应粗大。枝晶偏析是由连铸坯内部粗大等轴造成的，而钢水过高的过热度是造 成铸坯中部粗大等轴晶的重要原因。 3 1 3 化学成分调整与制定 由于化学成分对钢材的性能影响最直接、最重要，所以我们在保证成本较 低的前提下，对化学成分的匹配极其重视。初期开始生产时，出于各种因素考 虑，采用高碳高锰高铌化学成分进行n b 钢试生产，结果轧出的成品钢材强度性 能偏高，但塑性偏低，脆性较大。经分析知，由于加入一定量的n b 和m n ，在 轧制后连续穿水冷却的工艺过程中易形成较多的粒状贝氏体组织，为了减少该 组织的生成应该降低n b 、m n 的含量，而由于n b 在钢中所起的重要作用，溶入 钢材的量本来也少，只能选择降低m n 含量的措施来抑制粒状贝氏体的形成；另 一方面m n 又是强化铁素体的主要成分，降低m n 的含量势必造成抗拉强度指标 的流失，因此为了保证钢材的屈服强度和抗拉强度的性能，适当降低m n 含量的 同时，高碳、高铌含量应保持；由于大规格钢材强度易偏低，因此，大规格螺 纹钢成分内控线应较小规格略提高，总结调整化学成分比例如下： m 1 2 , - 面2 0 ：c ：0 1 8 0 2 5 m n ：1 1 5 1 2 7 s i ：0 4 5 0 6 n b ：0 0 3 o 0 3 5 ： m 2 2 以上：c ：0 1 8 - 4 ) 2 5 ，m n ：1 2 7 1 3 6 ，s i ：0 4 5 o 6 ，n b ：o 0 3 0 0 3 5 。 2 5 第三章h i 4 0 0 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 3 2 锰、铌和碳当量的影响规律分析及优化 在研究取得较大进展并使用研究成果对2 0 m n s i n b 连续试生产后，出现了各 种质量情况，如：抗拉强度偏低、屈服不明、塑性指标偏低、棒材厂所生产的 钢抗拉强度并不随铌的大幅升高而提高，这些现象说明本课题对性能影响规律 分析还不深入，鉴于此，我们现场进行大量跟踪试验，结合文献所叙述的理论 知识进行分析，所分析的结果对生产改进及稳定生产具有积极意义。具体试验 内容如下： 通过改变不同的参数，在现场进行测试，主要有钢水过热度测试，用红 外线测温仪对钢坯加热温度、终轧温度进行测试。 对于钢包内钢水不均匀性、两包之间混浇和钢坯偏析，熔炼成分已不能 反映材上的成分，为此，做完拉力试验后，一段做材上成分分析，一段 做金相分析，对显微组织进行理论分析。 通过改变不同工艺参数试轧三级螺纹钢，进行大量数据对比分析。 阐述碳当量对性能的影响，确定通过控制碳当量提高性能的办法。 通过试验阐明钢中铌含量及钢坯加热温度对性能的影响。 阐明钢水浇注过热度对性能的影响。 3 2 1 锰含量对微合金化钢性能的影晌 对铌或钒微合金化钢的成分及性能进行统计对比，如表3 4 ： 表3 42 0 m n s i n b 和2 0 m n s i v 性能对比 钢种 c ( )m n ( )s i ( ) 6 b ( m p a )t y , ( m p a )t o ( ) 2 0 m n s i n bo 2 l1 2 9o 6 16 1 8 14 4 1 32 1 3 2 0 m n s i vo 2 01 3 90 5 96 3 0 74 7 5 32 2 6 由表3 4 可知，轧制v 钢的抗拉强度、屈服强度总体都要好于n b 钢，但经 试验，两种微合金钢的塑性水平基本相似。究其原因，铌、锰都对粒状贝氏体 的形成起促进作用，而贝氏体组织含量偏高，可造成钢材塑性偏低。显然，要 避免这种情况发生，应减少n b 或m n 的含量来抑制贝氏体的形成，由于n b 在 钢材中细化晶粒沉淀强化的特殊作用，本身加入的少量铌不能再减少；只能尽 可能的减少锰含量来降低贝氏体组织的过多形成，使钢材保证一定强度的同时， 延伸率不会明显下降。但减少钢材中的锰含量就会减少m n 进入铁素体中的比 2 6 第三章h r b 4 0 0 1 i i 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 例，从而减弱锰对铁素体的强化作用，牺牲一定量的强度指标。而v 对贝氏体 的生成没有明显的作用，并且v 能分散贝氏体；初生贝氏体的强度还能因v 的 存在而稳定保持。因此，钒钢中的m n 可以更多的提高，以充分发挥m n 对铁素 体的强化作用。由于m n 在强度方面的重要作用，其它成分含量基本相同情况下 两种微合金钢在强度上的区别主要由锰含量的高低来决定：v 钢锰含量比n b 钢 高约0 1 。因此v 钢强度高于n b 钢。 3 2 2 碳当量对性能的影响 在所跟踪的试验中，选取了部分棒材线生产的q ) 2 2 规格，其硅、铌及加热 温度一致试样，进行分析如下表3 5 ： 表3 5 碳当量影响性能对比 碳当量 力学性能平均值( 1 v i p a )化学成分( w t ) ( ) s in b o so b 叩( ) cm n 0 3 84 1 8 4 5 8 5 4 2 60 1 81 2 20 5 90 0 3 2 0 3 94 1 8 76 0 2 。12 50 。1 81 2 50 。5 80 0 3 1 0 4 04 2 2 46 0 2 62 60 1 91 2 30 5 8o 0 3 l 0 4 14 2 7 16 0 3 72 5o 2 01 2 60 5 90 0 3 3 o 4 24 2 9 66 0 6 62 50 2 01 2 9o 6 00 0 3 2 0 4 34 3 1 16 1 9 02 5o 2 21 2 70 5 90 0 3 3 0 4 44 3 2 9 6 2 3 32 4 o 2 31 2 8o 6 0 0 0 3 3 0 4 54 3 3 26 2 6 42 40 2 31 3 lo 5 90 0 3 2 0 4 64 3 4 86 2 9 72 40 2 41 3 10 。5 9o 0 3 l 0 4 74 4 3 86 3 7 82 30 2 51 3 20 5 90 0 3 2 0 4 84 4 6 16 4 7 12 1o 2 51 3 60 5 8o 0 3 1 由表3 5 可以看出：随着碳当量的增加，钢的固溶强化作用也相应增加， 2 0 m n s i n b 螺纹钢的抗拉强度基本呈上升趋势，并且当碳当量o 4 3 时，抗拉强 度提高到较高水平。屈服强度及延伸率波动较大、变化趋势不明显。 究其原因：自铌微合金化钢筋批量生产以来，南钢公司在铌微合金化螺纹 钢生产中采取了保证一定铌含量、降低锰含量措施来确保铌微合金化钢中不出 第三章h r b 4 0 0 m 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 现大量贝氏体，从而确保钢的塑性指标。此方案经实施后，因屈服强度或延伸 率不够而造成螺纹钢筋不合格数很少，发现有较多钢筋抗拉强度偏低、甚至低 于国标现象，就不合格的炉号来说，绝大多数碳、锰含量偏低，而成分s i 、s 、 p 元素含量则较稳定地在允许的范围内，在一定的铌含量情况下，钢中c 、m n 元素高低对螺纹钢的性能起到决定性作用。c 、m n 元素含量同时偏低是造成螺 纹钢强度偏低的主要原因。c 含量每增加0 0 1 ，可使屈服强度提高3 m p a 左 右。随着碳含量的增加，钢的强度提高，塑性、韧性下降，可焊性也显著变坏。 锰在钢中可形成碳化物、硫化物，但大部分进入铁素体中，强化铁素体，从而 提高了钢的的屈服强度和抗拉强度，实践证明m n 含量每增加o 1 ，抗拉强度 可提高1 0 m p a ，增加m n 含量还可降低钢的脆性转变温度，但是m n 含量过高 会使塑性、韧性下降，而且可焊性变坏。锰与碳一样都为强固溶元素，可用碳 当量即c + 1 6 m n 来描述它们对性能的综合影响。 由表3 5 可看出，用碳当量o 4 0 来避免碳、锰同时走下限，可很大程度确 保抗拉强度的水平( 国标要求抗拉强度_ 5 7 0 m p a ) ，随着碳当量继续升高到一定 的程度( 0 4 3 ) ，抗拉强度提高到一个台阶，屈服呈现不明显屈服。这是因为 m n 含量高会提高钢的淬透性并易形成粒状贝氏体。但只要贝氏体含量不大于 1 5 ，不仅不会发生脆断或塑性不合格，而且有效提高强度并使强度及塑性指标 有同等的富余，从而提高螺纹钢的综合性能。 3 2 3 铌含量及钢坯加热温度对性能的影响 碳氮化物溶解析出行为通常以固溶度积公式来表达n b 和v 在不同的温度 下奥氏体中的溶解或析出规律。 l g ( n b n 】y r = 2 8 0 一8 5 0 0 t ( 3 1 ) l g ( n m c 】冲2 3 4 2 7 9 0 0 t ( 3 2 ) l g ( v 】 n 炉3 6 3 8 7 0 0 t ( 3 3 ) l g ( v 】 c 】 y = 6 7 2 - 9 5 0 0 t ( 3 4 ) 式中：t 为绝对温度，单位为k ； 1 妯】、【v 】、【c 】与【n 】分别为奥氏体中的重量百分浓 度，以表示。 n b 、v 、t i 及a l 的溶解析出特征也可以用下图3 6 表示。 第三章h r b 4 0 0 i 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 爨 、 醛 越 譬 地 图3 6 微合金元素在奥氏体中的溶解度与温度的关系 析出先后次序基本为：t i n 、a 1 n 、n b n 、v n 、n b c 、t i c 、v c ，在不同温 度下，铌和钒在奥氏体中最大溶解度如表3 6 。 由表3 6 可看出：在同一均热温度下，铌的固溶量比钒要少；由于氮与铌有 强亲和力，在同一均热温度下，较低含氮量钢比高含氮量钢溶解的铌要多。 表3 6 铌与钒在奥氏体中最大溶解度 均热温度 n b 钢 v 钢 o 2 0 c0 2 0 co 2 0 co 2 0 c 0 0 0 4 n0 0 0 8 n0 0 0 4 n0 0 0 8 n 1 3 0 00 1 2 90 0 6 4 5o 2 2 l0 0 7 4 1 2 5 00 1 0 50 0 5 2 50 1 8 90 0 6 3 1 2 0 00 0 8 4 20 0 4 2 10 1 5 2o 0 5 1 1 1 5 00 0 6 6 70 0 3 3 40 1 2 10 0 4 0 1 1 0 0o 0 5 1 90 0 2 5 9 0 0 9 4 9 0 0 3 1 6 1 0 5 00 0 3 9 70 0 1 9 80 0 7 2 80 0 2 4 3 1 0 0 00 0 2 9 70 0 1 4 90 0 5 4 80 0 1 8 3 9 5 00 0 2 1 7o 0 1 0 80 0 4 0 30 0 1 3 4 9 0 0o 0 1 5 40 0 0 7 70 0 2 8 80 0 0 9 6 为了寻找钢坯加热温度对性能的影响，把钢坯加热温度温度分成9 0 0 、 1 0 5 0 和1 1 5 0 。c 三个区段水平，所选取的试验样含碳、锰、硅及气体含量在很 窄范围内，确保这些元素对性能的影响相同，而铌含量四段不同的含量，在棒 材厂进行试验，研究钢中铌含量及钢坯加热温度对性能的影响，试验结果见表 3 7 。 2 9 第三章h r b 4 0 0 i i i 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 表3 7 钢中铌含量及钢坯加热温度对性能的影响 钢坯加热理论溶 仃so bq 试验钢成分( )编号铌量( ) 温度( )铌量( )( m p a )( m p a ) ( ) a l9 5 00 0 2 5o 0 1 64 2 4 15 9 0 72 4 b l1 0 5 00 0 2 50 0 2 94 3 3 86 0 5 32 6 c 11 1 5 00 0 2 5 0 0 5 0 4 3 5 66 0 6 42 5 a 29 5 0 0 0 3 00 0 1 64 1 9 15 9 1 8 2 4 b 21 0 5 00 0 3 00 0 2 96 1 7 22 6 c 21 1 5 0 0 0 3 00 0 5 04 3 6 16 2 1 12 5 c ：0 2 0 1 2 6 1 丑n 5 1 2 8 a 3 9 5 00 0 3 50 0 1 64 1 9 65 9 1 82 5 q 5 9 1 s i ! d 6 1 0 0 0 5 8 剑! d 0 0 6 2 b 31 0 5 00 0 3 50 0 2 94 3 9 36 1 9 22 5 c 31 1 5 00 0 3 50 0 5 04 4 9 56 3 2 1 2 2 a 49 5 00 0 4 00 0 1 64 2 7 76 0 5 62 3 b 4 1 0 5 0 0 0 4 00 0 2 94 3 8 96 1 9 62 4 c 41 1 5 00 0 4 00 0 5 04 5 0 06 4 2 62 0 对比a 1 、a 2 、a 3 、a 4 ，钢坯的加热温度为9 5 0 ，碳、氮在上表规定的范 围内，铌的最大溶解量为0 0 1 6 ，递增的四段铌含量均超过该温度下的最大溶 铌量，未溶铌基本不起作用，因而四个铌段的性能很接近。对比b 1 、b 2 、b 3 、 b 4 ，钢坯的加热温度为1 0 5 0 ，后三个递增铌段由于溶铌量相同因而性能接近， 且明显高于第一段；对比c 1 、c 2 、c 3 、c 4 ，在1 1 5 0 钢坯加热温度下，铌的最 大溶解量高达0 0 5 ，四段递增的铌全部溶解，相应的性能逐步递增。含量均超 过该温度下的最大溶铌量随着碳当量的增加，抗拉强度逐步增加；对于二级钢， 一定成分的碳、锰、硅，加热至8 0 0 多温度，即全部溶解，因此这些元素强化 钢的作用不受钢坯加热温度的影响：而对于铌元素的钢，情况则大不相同。 n b 、v 、t i ( c 、n ) 化物的稳定性，其稳定性反映这些元素与c 、n 亲合 力的大小，稳定性高表示在较高的温度下仍然以c 、n 化物的形式存在。其c 、 n 化物的稳定性顺序：t i 、n b 、v 。 在钢凝固过程中形成的微合金元素的c 、n 化物，颗粒粗大，其作用仅是非 金属夹杂物，必须在加热时固溶到奥氏体中，在形变和冷却过程中以微细颗粒 析出，才能发挥应有的作用。在同一均热温度下，由于铌与碳、氮结合得更紧 密，因此铌的固溶量比钒要少，溶解同量的铌和钒，铌需要更高的温度，在含 碳o 2 0 、含氮0 0 0 4 情况下，钒微合金螺纹钢一般加入0 0 7 左右的钒，全 3 0 第三章h r b 4 0 0 i i 级热轧带肋钢筋成分制定和优化 部溶解需加热至1 0 5 0 ，而铌微合金螺纹钢一般加入仅为2 0 m n s i v 钒量一半的 铌量，全部溶解这些铌需加热至1 0 2 0 ；由于氮与铌有强亲和力，在同一均热 温度下较低含氮量相比较高含氮量溶解的铌要多，同样含碳0 2 0 、含铌0 0 3 5 三级螺纹钢，在1 0 5 0 钢坯加热温度下，氮含量0 0 0 2 ，可溶解0 0 4 的铌， 氮含量0 0 0 4 ，仅可溶解0 0 0 2 的铌。 在其它条件一致的情况下，随着钢坯加热温度的升高，可溶解更多的铌， 一般转炉钢含大约0 0 0 6 氮，对于0 2 0 碳、0 0 3 5 铌的螺纹钢，根据欧文溶 解析出公式：钢坯出钢的温度为1 0 5 0 时，最大溶解0 0 3 0 的铌：钢坯出钢的 温度为11 5 0 时，最大溶解0