釩鈮復合微合金化抗震鋼筋工藝研究

杜國權，周大偉，邱達全，王 林

(四川省達州鋼鐵集團有限責任公司，四川 達州 635002)

在新版國家標準正式實施前，為降低鋼筋生產過程中的合金成本，同時滿足鋼筋強度達到標準要求，國內絕大多數建筑鋼筋生產企業均是采用軋后強穿水工藝來提高強度。該強穿水工藝最大的缺點在于鋼筋會有較大的時效性，且鋼筋表面會形成回火馬氏體組織，嚴重影響鋼筋的焊接性。2018年9月，為適應新版國家標準GB/T1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼 第二部分：熱軋帶肋鋼筋》中提出鋼筋的金相組織應主要為鐵素體加珠光體，基本上不應出現回火馬氏體組織的要求，需要各生產企業取消原有的強穿水生產工藝，通過配加適量的合金來提高鋼筋的強度。但這會大幅度增加鋼筋的合金成本。為降低生產成本，達鋼公司組織了大規模的試驗攻關，最終確定了煉鋼采用鈮鐵配加釩氮合金工藝，結合軋后采用微穿水工藝的生產方案，經公司內部檢測各項指標完全符合GB/T1499.2-2018標準的要求。該工藝相比傳統的全部配加釩氮合金工藝，降低合金成本約150元/噸鋼。

1 生產工藝及設備

1.1 生產工藝流程

主要工藝流程：80噸氧氣頂底復吹轉爐→吹氬→連鑄→熱送→加熱→軋制→控溫軋制→步進式冷床→冷剪→成品檢驗→收集、打包→稱重→吊牌→入庫。

1.2 主要設備

80噸氧氣頂底復吹轉爐2座，全弧形R9m 6機6流連鑄機2套，16架平一立交替布置全連軋生產線。軋鋼生產線的控制冷卻設備為為二段橫移小車式，總有效長度18.80米。

2 微合金化的特性

隨著新版國家標準的實施，建筑鋼筋采用微合金化生產工藝將逐步代替原有的軋后余熱處理技術，微合金化的目的是在鋼水中加入少量的合金元素(如Nb、V、Ti等)來改善鋼材的綜合性能。

Nb、V微合金化的作用機理為：在鋼水冶煉后加入微合金元素，在鑄坯中形成細小的碳、氮化物或碳氮化合物，釘扎在晶界處。在軋鋼加熱爐再次加熱過程中，阻止奧氏體晶粒的過分長大，在軋制過程中和軋后冷卻過程中又延緩再結晶奧氏體晶粒的長大，最終表現出以晶粒細化和沉淀、析出強化為主對鋼進行強韌化處理。目前國內生產建筑鋼筋的企業一般采用釩微合金化處理。

2.1 釩元素的主要作用

V在鋼中具有較高的溶解度，V與鋼中的氮具有較強的親和力，可以固定鋼中的氮。V與C和N結合形成V(C，N)化合物，通過形成的V (C，N)化合物來影響鋼的組織和性能，主要體現在奧氏體晶界的鐵素體中沉淀析出，起到沉淀強化的作用，在軋制過程中能抑制奧氏體的再結晶并阻止晶粒長大，從而起到細化鐵素體晶粒、提高鋼的強度和韌性[1]。鋼中V的加入量一般在0.03%～0.12%之間。

2.2 鈮元素的主要作用

Nb的完全固溶溫度較高，且Nb原子比鐵原子尺寸大，Nb在鋼中可以形成NbC或NbN等間隙中間相。在再結晶過程中，因NbC、NbN對位錯的釘扎及對亞晶界的遷移進行阻止作用，從而大大增加了再結晶的時間和奧氏體再結晶溫度，從而通過細化奧氏體晶粒來達到提高強度的目的[2]。微量的Nb可以使鋼材得到較好的綜合性能，但當Nb含量大于0.03%時，多余的Nb對鋼的強化作用不明顯或不再有強化作用。

3 試驗過程

一直以來，達鋼均是采用單一的釩微合金化工藝生產建筑鋼筋，但近期隨著釩氮合金的價格一路走高，且出現了供不應求的現象。本次攻關試驗在HRB400小規模上進行(3爐)試驗，煉鋼工序在最大限度增C、增Mn的基礎上，配加不同種類的合金元素，結合軋制過程采用控冷工藝，確保鋼筋的金相組織主要為鐵素體加珠光體，基本上不出現回火馬氏體組織的要求的前提下，最終達到試驗鋼筋合格且合金成本較低的目的。

3.1 HRB400試驗鋼的成分設計

為降低合金成本，采用全鈮和釩鈮復合工藝的試驗方案。成分設計見表1。

3.2 試驗數據

全鈮試驗鋼化學成分見表2。

釩鈮復合工藝試驗鋼化學成分見表3。

表1 成分設計(質量分數，%)

表2 全鈮工藝鋼水成分(質量分數，%)

表3 釩鈮復合工藝鋼水成分(質量分數，%)

3.3 軋鋼工序控制

一般情況下，加熱溫度控制為1100～1250 ℃，開軋溫度1050 ～1150 ℃, 終軋溫度1050 ～1160 ℃，軋后采用控制冷卻工藝，可改善鋼筋表面質量，上冷床溫度950～980 ℃左右。控制冷卻工藝參數：總管水壓1.5～1.65 MPa，各線控制閥開啟度50%～70%，軋制速度為11.0～14.0 m/s。

3.4 物理性能及金相組織

采用全鈮鐵工藝的鋼筋的力學性能及金相組織見表4。從表4看出，屈服強度平均為470 MPa，抗拉強度平均為646 MPa，雖均達到國家標準要求，但此3爐試驗鋼存在屈服不明顯的問題，有30%的試樣屈服平臺不明顯，有兩根試樣無屈服。同時部分爐次的金相組織中含貝氏體組織，含量達到20%-30%(60586爐次的金相圖見圖1、2)。

表4 全鈮鐵工藝的鋼筋的力學性能及金相組織(φ16 mm)

圖1 60586爐二分之一半徑

圖2 60586爐邊緣

采用釩鈮復合工藝的鋼筋的力學性能及金相組織見表5。從表5看出，屈服強度平均為460 MPa，抗拉強度平均為630 MPa，且有屈服的平臺，金相組織均為鐵素體+珠光體(60583爐見圖3和圖4)，全部達到國家標準要求。

4 結語

(1)鈮對鋼材具有較好的強化效果，能顯著提高鋼筋的抗拉強度，間接增加了抗震鋼筋要求的強屈比指標。

(2)鈮微合金化后，鋼材的組織中很容易出現貝氏體組織，會導致屈服不明顯甚至無屈服的現象。特別是小規格鋼筋(Ф16 mm及以下)，由于冷卻速度過快，表面更容易出現貝氏體。

(3)釩鈮復合微合金化，V充分地溶解到鋼水中，鋼筋的屈服、抗拉性能均有提升，適當加入的Nb，不僅能起到細化晶粒，提高強度的作用，還能替代釩氮合金的用量，從而達到降低合金成本的目的。

(4)摸索和掌握煉鋼微合金種類和合金量，與軋鋼實施有效的控溫控軋手段相結合，是后繼煉、軋工序工作的重點，也是降低生產成本的有效方法。

表5 釩鈮復合工藝的鋼筋的力學性能及金相組織(φ16 mm)

圖3 60583爐中心 圖4 60583爐邊緣