HRB400高強(qiáng)度鋼筋的研制開發(fā)

HRB400高強(qiáng)度鋼筋的研制開發(fā)摘要：研究和分析柳鋼開發(fā)試制HRB400高強(qiáng)度鋼筋的技術(shù)要求、微合金化+控軋控冷工藝，以及試制結(jié)果。關(guān)鍵詞：HRB400高強(qiáng)度鋼筋；微合金化；控軋控冷；開發(fā)Y 、/?- 、亠1前言隨著國內(nèi)建筑行業(yè)的發(fā)展，高層、大跨度建筑物不斷增多，為確保建筑的安全，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對帶肋鋼筋強(qiáng)度和韌性的要求不斷提高。HRB400高強(qiáng)度鋼筋作為HRB335鋼筋的升級換代產(chǎn)品，目前正處于國家大力推廣應(yīng)用階段，市場對其需求量將會越來越大。為適應(yīng)市場對鋼筋強(qiáng)度級別要求的變化，提高經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，柳鋼棒線廠決定在高速線材生產(chǎn)線開發(fā)HRB400高強(qiáng)度鋼筋，經(jīng)過系列試制獲得成功，產(chǎn)品化學(xué)成分、力學(xué)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。HRB400高強(qiáng)度鋼筋技術(shù)要求HRB400高強(qiáng)度鋼筋要求具有高強(qiáng)度、高韌性及高焊接性能。因此，結(jié)合棒線廠的設(shè)備情況，根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料及用戶的使用要求，設(shè)計(jì)內(nèi)控成分，在GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上加入微合金強(qiáng)化元素V,進(jìn)行固溶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化、和細(xì)化晶粒，并結(jié)合控扎控冷工藝提高力學(xué)性能，保證鋼筋的塑性和可焊接性能?；瘜W(xué)成分為保證鋼筋強(qiáng)度和塑性的最佳匹配，主要控制C、Mn的含量在中上限；同時(shí)，考慮采用加入少量V提咼產(chǎn)品綜合性能；Si、Mn含量及匹配關(guān)系對產(chǎn)品性能也至關(guān)重要，為使鋼能在較咼的回火溫度下不降低強(qiáng)度，改善鋼筋的延時(shí)斷裂現(xiàn)象，設(shè)計(jì)Si的含量偏高；由于P、S對組織和性能為害較大，按優(yōu)質(zhì)鋼的要求，p、S含量設(shè)計(jì)為小于0.035%。綜合以上各方面因素，化學(xué)成分控制范圍見表1。表1HRB400高強(qiáng)度鋼筋化學(xué)成分 ％CSiMnPSAl、Nb、V和其它元素或CeqGB1499.2-2007<0.25<0.80<1.60<0.045<0.045Ceq<0.54柳鋼內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)0.20?0.250.40?0.701.30?1.60<0.035<0.035VN0.025,Ceq<0.54力學(xué)性能考慮到高強(qiáng)度鋼筋存在時(shí)效問題，軋制后放置一段時(shí)間，強(qiáng)度會稍微有所下降，塑性稍微上升因此在力學(xué)性能內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)上，提高強(qiáng)度指標(biāo)，預(yù)留強(qiáng)度余量，具體力學(xué)性能見表2。表2HRB400高強(qiáng)度鋼筋力學(xué)性能下屈服強(qiáng)度R/N?mm-2抗拉強(qiáng)度R/N?mm-2 斷后伸長率A/%GB1499.2-2007eL三400m三540三16柳鋼內(nèi)控要求三415三570三16金相組織HRB400高強(qiáng)度鋼筋實(shí)質(zhì)為低碳鋼和亞共析鋼，要求具有高強(qiáng)韌性及焊接性能良好，金相組織鐵素體+細(xì)小珠光體+少量貝氏體組織。試制方案工藝流程方坯連鑄（加V）f方坯加熱f高速線材軋制f控軋控冷f斯太爾摩冷卻f集卷fP&F空冷f檢驗(yàn)一打包入庫。V微合金化工藝目前微合金化工藝得到迅猛的發(fā)展，它對提高低碳鋼強(qiáng)度效果顯著，在開發(fā)高強(qiáng)度鋼筋領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。⑴根據(jù)V、Ti、Nb的強(qiáng)化機(jī)理，與Ti和Nb相比，V的主要優(yōu)點(diǎn)在于：在較低的加熱溫度下，V（N）的溶解度大比Ti、Nb大，其碳化物可以完全溶解到奧氏體中，因此V的利用率高，對沉淀強(qiáng)化貢獻(xiàn)大，為Ti和Nb所不及。因此，在對比分析V、Nb、Ti主要特點(diǎn)后，結(jié)合棒線廠實(shí)際情況和V在合金鋼中的強(qiáng)化機(jī)理，決定選擇V作為微合金強(qiáng)化元素?？剀埧乩涔に囋O(shè)計(jì)3.3.1加熱制度為保證V元素充分、均勻熔于鋼坯，達(dá)到沉淀強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，要求加熱溫度為1100°C?1180C，均熱段溫度為1040C?1150C,鋼坯加熱時(shí)間＞75min,保證開軋溫度為1020C?1080C,鋼坯沿長度方向溫度均勻，溫差不得大于30C?？剀埧乩渲贫瓤乩湓O(shè)備：高速線材控冷工藝實(shí)際主要是利用精軋前水冷+精軋后水冷+斯太爾摩風(fēng)冷的控制手段進(jìn)行控冷。柳鋼高速線材生產(chǎn)線在精軋前有2個(gè)水箱（原來只有1個(gè)，由于冷卻能力不足，后另增加1個(gè)水箱，提高進(jìn)精軋冷卻能力），精軋后4個(gè)水箱，風(fēng)冷線長度91m，分入口段、冷卻段、出口段，11臺變頻風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)功率：154000mm3/h。精軋前水冷目的是控制終軋溫度從而控制晶粒度；精軋后水冷目的使軋件軋后快速冷卻，有效抑制晶粒長大，減少氧化鐵皮的產(chǎn)生，最主要目的是為相變冷卻（風(fēng)冷）做準(zhǔn)備。因此，風(fēng)冷前的控冷關(guān)鍵是進(jìn)精軋溫度、吐絲溫度。斯太爾摩風(fēng)冷主要是通過控制冷卻速度，完成相變組織的轉(zhuǎn)變，得到所需金相組織。控冷工藝設(shè)計(jì)的基本思路是細(xì)晶強(qiáng)化：通過晶粒細(xì)化，相變強(qiáng)化，析出強(qiáng)化相結(jié)合的方法來達(dá)到提高強(qiáng)韌化的目的［2］。晶粒細(xì)化（包括變形細(xì)化和相變細(xì)化）是唯一能夠同時(shí)提高強(qiáng)度和韌性的方法。控冷關(guān)鍵溫度參數(shù)設(shè)計(jì)：開軋溫度：采取低溫軋制細(xì)化晶粒，開軋溫度980C?1030C，通過在奧氏體在結(jié)晶區(qū)反復(fù)軋制使奧氏體晶粒不斷破碎和再結(jié)晶，從而細(xì)化奧氏體晶粒。進(jìn)精軋溫度：HRB400屬于亞共析鋼，為得到細(xì)小珠光體+鐵素體組織，終軋溫度要略高于AR3相變點(diǎn)，終軋溫度在980C左右。同時(shí)為使加入的V元素達(dá)到沉淀強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，也要求終軋溫度V1000C。因此為更好的充分細(xì)化奧氏體晶粒和控制終軋溫度，為更好的細(xì)化晶粒，進(jìn)精軋溫度控制在830C?880C（在精軋機(jī)最大負(fù)荷范圍內(nèi)），同時(shí)投入精軋機(jī)架水冷（水冷導(dǎo)衛(wèi)冷卻）和加大輥環(huán)冷卻水壓力，目的在于降低在精軋中軋制時(shí)產(chǎn)生的溫升，促使晶粒細(xì)化。吐絲溫度：軋制時(shí)，特別是小規(guī)格容易出現(xiàn)吐絲吐斷和水箱堆鋼故障，規(guī)格越小，越敏感，工藝難以順行，所以采取大幅度降速或減少精軋后水箱壓力和流量方法，但造成整體產(chǎn)量低下，穿水吐絲溫度控制困難，因此結(jié)合實(shí)際設(shè)備條件，確保工藝順行，精軋后水箱采取輕穿水，目的減少氧化鐵皮，吐絲溫度V1000C。由于鋼是低溫軋制，奧氏體原始晶粒已比較細(xì)小，吐絲溫度的提高

對晶粒粗化程度影響很小。斯太爾摩風(fēng)冷設(shè)計(jì)：HRB400屬于低合金鋼，淬透性較高，坯料中加入V微合金元素使“C”曲線往右下方偏移，根據(jù)資料[3],“C”曲線位置與冷卻速度有很大關(guān)系，冷卻速度越低，則，C”曲線向右下移動距離越小，所以通過細(xì)化奧氏體晶粒和選擇合理的冷卻速度，避開馬氏體和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，獲得大量的細(xì)小珠光體+鐵素體+少量貝氏體理想組織。試制情況與結(jié)果分析4.1試制過程首先進(jìn)行了①6mm模擬試軋和樣品試制，初步掌握了HRB400高強(qiáng)度鋼筋的化學(xué)成分、軋制工藝、產(chǎn)品的力學(xué)性能和金相組織，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定了相應(yīng)的內(nèi)控化學(xué)成分范圍，優(yōu)化工藝參數(shù)。之后，進(jìn)行小批量試制，發(fā)給用戶試用，收集質(zhì)量信息，進(jìn)行用戶走訪，采取相應(yīng)的質(zhì)量改進(jìn)措施，2009年后開始批量試制。2009年共生產(chǎn)HRB400高強(qiáng)度鋼筋4.8萬余噸，規(guī)格為①6mm、08mm、010mm和012mm，市場對產(chǎn)品質(zhì)量反映良好。2009年試制的06?12mmHRB400高強(qiáng)度鋼筋化學(xué)成分、力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表3、表4。表3試制的①6?12mmHRB400高強(qiáng)度鋼筋化學(xué)成分%CSiMnPSV實(shí)際范圍0.20—0.230.49—0.601.32—1.450.023?0.0300.019?0.0300.032?0.048平均值0.210.521.390.0270.0250.038表4試制的①6?12mmHRB400高強(qiáng)度鋼筋力學(xué)性能下屈服強(qiáng)度R/N?mm-2抗拉強(qiáng)度R/N?mm-2斷后伸長率A/%國標(biāo)要求eL二400m二540二16實(shí)際范圍405?480585?720261?311平均值430630288HRB400高強(qiáng)度鋼筋金相檢驗(yàn)結(jié)果見圖1、圖2。圖1晶粒度11.5圖1晶粒度11.5級（200倍焦）圖2組織珠光體+鐵素體+貝氏體（200倍焦）表5試制HRB400高強(qiáng)度鋼筋的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)產(chǎn)品規(guī)格產(chǎn)量/t合格率/%成材率06mm2073.5799.997.1708mm20595.4999.898.22010mm182796199829827012mm75031699819841 合計(jì) 48451.8399.8398.024.2試制結(jié)果分析4.2.1化學(xué)成分控制均在要求范圍內(nèi)，C、Si、Mn成分均值控制在中上限，P含量均值控制在＜0.027%,S含量均值控制在＜0.025%，均達(dá)到內(nèi)控目標(biāo)的要求。產(chǎn)品的力學(xué)性能符合國標(biāo)要求，個(gè)別批號屈服強(qiáng)度偏低，復(fù)樣后合格?？估阅芎蛿嗪笊扉L率率均值分別為630MPa和28.8%，具有足夠的富余量，力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。但波動范圍較大，屈服強(qiáng)度不明顯,抗拉強(qiáng)度偏高，對產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性造成影響。從金相組織上看晶粒度、組織結(jié)構(gòu)均滿足協(xié)議要求，部分試樣肋部和表面出現(xiàn)回火馬氏體和貝氏體，芯部為珠光體+鐵素體。根據(jù)用戶反饋情況，產(chǎn)品性能全部標(biāo)準(zhǔn)的要求。5結(jié)語根據(jù)試制結(jié)果，柳鋼采用微合金化+控軋控冷工藝進(jìn)行試軋HRB400高強(qiáng)度鋼筋已基本取得成功，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均能達(dá)到控制要求，已具備批量生產(chǎn)的能力。坯料中各元素化學(xué)成分控制較好，達(dá)到內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。采用的加V微合金化和控制冷卻工藝，晶粒細(xì)化明顯，基本在11.5級以上,獲得較好的綜合力學(xué)性能。產(chǎn)品力學(xué)性能波動較大，控制水平還不是很理想，因此減少力學(xué)性能波動，提高性能穩(wěn)定性將是今后質(zhì)量改進(jìn)的重點(diǎn)。6下一步改進(jìn)措施：6.1根據(jù)性能結(jié)果，調(diào)整成分，適當(dāng)降Mn,增C,同時(shí)減少V合金含量，既保證力學(xué)性能，右降低生產(chǎn)成本。加熱時(shí)，嚴(yán)格控制加熱溫度和鋼坯加熱時(shí)間，保證V