基于HRB500E 熱軋帶肋鋼筋的釩氮微合金化分析

丁世磊

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

在國標GB1499.2-2018《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》中，第一次提出了HRB500E 的概念，其一般是指熱軋帶肋鋼筋，要求具有一定抗震能力，且屈服強度不低于500Mpa，與普通鋼筋進行對比可以發現，HRB500E 熱軋帶肋鋼筋不僅具有更高的屈屈比、強屈比、塑韌性和強度，而且具有最大力總伸長率，在遭遇自然災害時，可以拉長鋼筋從變形到斷裂的時間，進而確保人們的生命財產安全。在開發HRB500E 熱軋帶肋鋼筋過程中，要求滿足強屈比≥1.25 的抗震要求，此時就需要對釩氮微合金化進行研究。

1 HRB500E熱軋帶肋鋼筋概述

中國發明專利申請CN102876968a 對HRB500E 熱軋帶肋鋼筋生產工藝進行了描述，其不僅調整了軋制前的加熱工藝，而且還優化鋼筋的化學成分，從而生產出直徑為40mm 的鋼筋成品。在HRB500E 熱軋帶肋鋼筋生產過程中，可以通過調整和優化化學成分的設計，來實現鋼筋的微合金化處理，而且通過對軋制前的加熱工藝進行調整，也可以在鋼筋中強化釩氮合金的沉淀和細化晶粒作用，進而使鋼筋的韌性、抗拉強度、屈服強度等指標得到有效提升，提高其抗震性能[1]。

2 工程介紹

南鋼棒材廠在研發HRB500E 熱軋帶肋鋼筋過程中采用了釩氮微合金化工藝，并實現了批量生產，在市場中占據一定的份額。然而，在實際應用過程中，其性能或多或少的存在不足，而且與邊緣爐次相比，強屈偏多，使HRB500E 熱軋帶肋鋼筋強屈比邊緣爐次累計超過了10%，致使大部分客戶都是因為鋼筋強屈比不理想而出現一系列的質量問題，這就要結合實際情況來對HRB500E 熱軋帶肋鋼筋強屈比進行改進和完善，在提高其質量的同時，滿足客戶的基本要求。

實際上，為了使HRB500E 熱軋帶肋鋼筋產品的性能得到改善，并提高其強屈比，下面將會對HRB335、HRB400E 與HRB500E 的強屈比、成分及力學性能進行對比，并對其成分設計和冶煉工藝進行調整、優化，這樣既可以滿足節約成本要求，而且還可以提高HRB500E 熱軋帶肋鋼筋的產品性能。

2.1 不同牌號鋼筋強屈比對比

通過對HRB335、HRB400E 與HRB500E 三種牌號鋼筋的強屈比進行調查與統計得知其平均強屈比如圖1 所示。

圖1 不同牌號平均強屈比對比示意圖

在分析圖1 后可以發現，HRB335 的平均強屈比達到了1.5，是三類鋼筋中最高的，其次為HRB400E，而HRB500E 的平均強屈比僅為1.28 最低。

2.2 不同牌號鋼筋化學成分比較

通 過 對HRB335、HRB400E 與HRB500E 三 種 牌 號 鋼 筋 的化學成分進行調查與統計得到表1。通過對表1 進行分析發現，HRB335、HRB400E、HRB500E 三個牌號的熱軋帶肋鋼筋只有V含量具有一定的差異，但是化學成分基本一致。實際上，隨著V含量的增加，將會導致熱軋帶肋鋼筋強屈比降低，呈現出反相關，因此借助釩氮微合金化工藝可以有效改善熱軋帶肋鋼筋的強屈比[2]。

2.3 V、N 含量的影響

本次以規格相同的HRB400E、HRB500E 兩類熱軋帶肋鋼筋為例來對其平均化學成分和力學性能進行統計和對比，所得數據如表2 所示。

在 分 析 表2 中 的 數 據 后 得 知，RB400E 和HRB500E 的C、Mn、Si 含量比較接近，并且HRB500E 中V 的含量是HRB400E 的2.46 倍。同時與HRB400E 熱軋帶肋鋼筋相比，HRB500E 熱軋帶肋鋼筋的抗拉強度比提升了90MPa，屈服強度提升了106MPa，強屈比降低了0.1。此外，與HRB400E 相比，HRB500E 的屈服強度增加相對較多，而抗拉強度增加較少，這些是誘發HRB500E熱軋帶肋鋼筋強屈比降低的主要原因。

表1 HRB335、HRB400E、HRB500E 鋼筋化學成分比較

表2 HRB400E 與HRB500E 平均化學成分和力學性能對比

表3 轉爐冶煉工藝改進前后數據對比

表4 釩氮微合金化下鋼筋力學性能

2.4 優化方案

雖然HRB500E 熱軋帶肋鋼筋的強屈比與軋制規格具備相關性，但是由于軋制過程中采用了固定的冷卻條件和壓縮比，致使調整存在一定的難度，此時可以從優化成分設計和冶煉工藝著手來提高HRB500E 熱軋帶肋鋼筋的整體性能。

2.4.1 提高HRB500E 中氮含量

在HRB500E熱軋帶肋鋼筋中，V、N的固溶平衡公式如下所示。

式中：T 反映的是鋼筋實際溫度，單位用K 表示。

通過對公式（1）進行分析得知，通過提高HRB500E 熱軋帶肋鋼筋中氮含量，能夠有效析出VN 或V（NC）化合物。此時可以通過優化HRB500E 熱軋帶肋鋼筋的冶煉工藝，來使鋼中氮含量提升。轉爐冶煉工藝改進前后所得到的對比數據如表3 所示。

通過分析表5 后得知，在對工藝進行調整和改進后，可以選擇用氮氬切換取代了氮氣，這樣不僅可以降低終點鋼水的氧化性，而且還可以使轉爐終點碳含量得到有效提高。同時，在對工藝進行調整和改進后，也會將脫氧劑使用量從以往的0.2kg/t 升高到了0.4kg/t。在其它合金料加入前，嚴禁添加釩氮合金；實際上，整個鋼包底吹氣體選擇了氮氣，并且在線底吹時間超過3min，這樣可以使HRB500E 熱軋帶肋鋼筋中平均氮含量提升至15×10-6。

2.4.2 優化HRB500E 成分

由于HRB500E 熱軋帶肋鋼筋中V 的VN、V（NC）具有相對比較低的析出率，從而導致V 具有較低的利用率，此時可以在對轉爐冶煉工藝進行調整和優化后，來適當的下調V 含量，進而滿足降低成本的效果。C 在鋼筋中屬于強化元素，每提升0.10%，將會使其抗拉強度和屈服強度分別提升120MPa 和90MPa，Mn的存在可以提高鋼筋中的固溶效果，每增加0.01%的Mn，將會分別提升其抗拉強度和屈服強度為1.3MPa 和1MPa，而且在V（CN）化合物析出階段，V 一般發揮著強化的作用，且每增加0.01%的V，將會使其屈服強度提升1MPa。

2.5 試驗結果

2.5.1 力學性能

在HRB500E 熱軋帶肋鋼筋中，通過釩氮微合金化作用可以使鋼筋力學性能得到改善，如表4 所示。各項性能指標均符合GB/T 1499.2-2018 要求，不僅強屈比富余量充足，而且力學性能穩定，性能合格率達到了100%。通過對表4 進行分析得知，試驗鋼屈服強度平均值為537MPa，強屈比平均值為1.31，最大力總延伸率平均值為12.0。

2.5.2 不同規格強屈比分布

在HRB500E 熱軋帶肋鋼筋穩定生產后，通過對其不同規格強屈比分布情況進行統計得到的結果如表5 所示。

表5 工藝成分調整后HRB500E 鋼筋分規格的強屈比

通過對表5 進行分析得知，優化成分設計和冶煉工藝后，對于HRB500E 熱軋帶肋鋼筋而言，將會導致其強屈比邊緣比例下降，詞匯就需要將分規格強屈比邊緣比例盡可能控制在1%左右，這樣既可以提升產品的強屈比，而且還可以提高市場滿意率。

3 結語

綜上所述，在HRB500E 熱軋帶肋鋼筋生產過程中，可以通過優化HRB500E 的化學成分和合金料的加入順序來提高鋼中的氮含量，同時也可以提高鋼中的C、Mn 含量，進而有效降低釩氮合金的加入量，使[V]/[N]接近理想值，在降低生產成本的同時，可以有效提高HRB500E 熱軋帶肋鋼筋產品性能。