基于降硅合金優(yōu)化降低鋼材成本方案的可行性探究

李 偉，王 勇，桓 杰

（漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 漢中 724200）

0 引言

熱軋帶肋抗震鋼筋是當(dāng)前建筑用鋼的核心產(chǎn)品之一，占據(jù)鋼鐵市場(chǎng)近30%的份額，對(duì)其進(jìn)行工藝優(yōu)化有著極為重要的作用。鋼中添加合金元素是改善鋼材性能最為有效、最為核心的方法，合金元素的添加會(huì)使鋼材的性能、組織成分都發(fā)生改變。硅作為鋼材中核心合金元素之一，對(duì)鋼材性能有著重要的影響，同時(shí)硅元素影響鋼材錳、釩對(duì)鋼性能產(chǎn)生的作用。由于當(dāng)前鋼鐵市場(chǎng)形勢(shì)較為嚴(yán)峻，各地企業(yè)均在積極探求通過(guò)合金優(yōu)化降低鋼材成本的方法，降低硅含量也成為合金優(yōu)化的重要方向。此外，受鋼鐵市場(chǎng)環(huán)境影響，優(yōu)化合金成分成為鋼鐵企業(yè)低成本運(yùn)行的重要手段，因此探究硅元素對(duì)鋼材組織性能影響對(duì)于當(dāng)前熱軋帶肋抗震鋼筋后續(xù)發(fā)展有著極為深遠(yuǎn)的意義。

硅元素是鋼材冶煉最為常用的脫氧元素，其在鋼中不以碳化物形式存在，一般以固溶體形式存在于鐵素體或奧氏體中。作為鋼中存在的合金元素時(shí)，Si 能夠提升鋼材的強(qiáng)度、硬度以及彈性極限，同時(shí)對(duì)鋼材的塑形、沖擊韌性、冷彎性能有較為明顯的影響。但伴隨硅含量的增加，鋼材的焊接性能會(huì)隨之降低，這對(duì)熱軋帶肋抗震鋼筋會(huì)產(chǎn)生一定的影響[1]。鑒于此，本文探究硅含量對(duì)熱軋帶肋抗震鋼筋組織與力學(xué)性能的影響，在盡可能將硅對(duì)鋼材的正向影響發(fā)揮到最大的同時(shí)，降低鋼材合金成本，實(shí)現(xiàn)低成本運(yùn)行。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方案

為確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)性與實(shí)用性，借助某大型鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)記錄。本實(shí)驗(yàn)為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象選用具有代表性的Φ12 mm 規(guī)格的HRB400E，硅成分采用遞減式設(shè)計(jì)，共選取20 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其具體成分如表1、表2 所示。

表1 Φ12 mm HRB400E 化學(xué)成分

表2 降硅合金優(yōu)化后Φ12 mm HRB400E 化學(xué)成分

本實(shí)驗(yàn)在該企業(yè)2 號(hào)棒線進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)軋制，采用18 架軋機(jī)，Φ12 mm HRB400E 采用五切分軋制工藝，實(shí)際終冷溫度大于900 ℃，開軋溫度大于1 050 ℃。

在組織檢測(cè)方面，采用金相實(shí)驗(yàn)觀測(cè)金相內(nèi)部組織，通過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)定鋼材抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、強(qiáng)屈比。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

20 組試樣的力學(xué)性能如表3、表4 所示，本次實(shí)驗(yàn)共軋制80 余批次鋼材，w（Si）跨度由0.60%減少到0.30%，屈服強(qiáng)度范圍為440～475 MPa，抗拉強(qiáng)度范圍為615～660 MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)w（Si）保持在0.40%～0.60%區(qū)間時(shí)，隨著硅含量的減少，鋼材整體力學(xué)性能呈下降趨勢(shì)，近似可得w（Si）每降低0.01%，屈服強(qiáng)度降低1.5 MPa，抗拉強(qiáng)度降低4～5 MPa。當(dāng)w（Si）低于0.40%時(shí)，硅對(duì)鋼材性能影響較為微弱，隨著硅含量進(jìn)一步降低，其對(duì)剛才力學(xué)性能影響可近似忽略不計(jì)。

表3 Φ12 mm HRB400E 力學(xué)性能

表4 降硅合金優(yōu)化后Φ12 mm HRB400E 力學(xué)性能

2.2 組織結(jié)構(gòu)

根據(jù)試樣金相可知，HRB400E 其金相組織為鐵素體+珠光體，其珠光體含量與鐵素體含量并無(wú)較為明顯的差異變化。不同成分的試樣金相顯微形貌如圖1—圖3 所示。

圖1 w（C）=0.24%、w（Si）=0.30%、w（Mn）=1.37%、w（V）=0.029%金相顯微形貌

圖2 w（C）=0.24%、w（Si）=0.44%、w（Mn）=1.35%、w（V）=0.030%金相顯微形貌

圖3 w（C）=0.24%、w（Si）=0.54%、w（Mn）=1.35%、w（V）=0.030%金相顯微形貌

2.3 表面質(zhì)量

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著硅含量的降低，鋼材表面浮銹生成速度加快。選取w（Si）為0.58%、0.50%、0.42%、0.39%的四組試樣放置于室溫下的潮濕環(huán)境中，靜置24 h 后取出，試樣表面形貌如圖4—圖7 所示。根據(jù)試樣表面產(chǎn)生銹蝕情況可以發(fā)現(xiàn)，硅含量越低，試樣表面浮銹越明顯。

圖4 w（Si）=0.58%試樣表面形貌

圖5 w（Si）=0.50%試樣表面形貌

圖6 w（Si）=0.42%試樣表面形貌

圖7 w（Si）=0.39%試樣表面形貌

3 結(jié)果討論與分析

3.1 Si 對(duì)熱軋帶肋抗震鋼筋組織的影響

Si 元素是鐵素體形成元素，能夠使奧氏體的高溫轉(zhuǎn)變曲線近似保持“C”形象不改變，僅促使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線向右移。同時(shí)在一定情況下能夠促進(jìn)先共析鐵素體的形成。通過(guò)金相實(shí)驗(yàn)可以看出不同硅含量下HRB400E 仍為鐵素體+珠光體組織結(jié)構(gòu)，且鐵素體與珠光體晶粒沒有明顯細(xì)化的痕跡，因而Si 元素只提供了固溶強(qiáng)化作用。

3.2 Si 對(duì)熱軋帶肋抗震鋼筋力學(xué)性能的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，w（Si）最為明顯的分界線為0.5%，當(dāng)w（Si）高于0.4%，硅元素能夠有效提升鋼材的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，w（Si）由0.5%上升至0.6%，屈服強(qiáng)度增加10 MPa，抗拉強(qiáng)度增加21 MPa。當(dāng)w（Si）低于0.4%時(shí)，硅元素對(duì)鋼材性能的影響微乎其微。由此可以發(fā)現(xiàn)，硅元素作為實(shí)際合金元素時(shí)能夠提高鋼材的強(qiáng)度，顯著提高鋼材抗拉強(qiáng)度與強(qiáng)屈比。在HRB400E 類熱軋帶肋抗震鋼筋中，硅元素一般作為脫氧劑加入鋼水冶煉過(guò)程中，實(shí)際鋼材中w（Si）一般小于0.5%，且在現(xiàn)有的釩氮微合金化工藝下，單一硅元素對(duì)于鋼材性能的影響遠(yuǎn)小于碳、氮、釩等。在該企業(yè)HRB400E 當(dāng)前合金成分下，適當(dāng)降低硅元素含量可以確保鋼材的組織性能及各項(xiàng)指標(biāo)合格，故可以采用降硅合金優(yōu)化這一方法降低合金成本。

3.3 Si 對(duì)熱軋帶肋抗震鋼筋表面質(zhì)量的影響

值得一提的是，硅元素對(duì)于鋼材除固溶強(qiáng)化作用外，還可以提高鋼材的抗氧化能力；Si 元素可擴(kuò)散至材料表面的氧化膜中，在膜層富集甚至形成SiO2，能夠有效保護(hù)材料表面[1]，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn),隨著硅含量的降低，鋼材堆垛后其表面形成浮銹的時(shí)間也會(huì)縮短，因此過(guò)分追求較低的硅含量很容易造成鋼材表面質(zhì)量被破壞，如果采用控制冷卻法軋制鋼材，這一現(xiàn)象將更為顯著。因此科學(xué)合理的調(diào)控Si 元素含量極為重要。

4 結(jié)論

1）硅元素含量較高時(shí)能顯著提高鋼材抗拉強(qiáng)度、強(qiáng)屈比，能夠提高一定的屈服強(qiáng)度，提升鋼材的力學(xué)性能，硅元素含量較低時(shí)其對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響隨著含量降低而降低，最終趨于無(wú)影響。

2）硅元素在鋼材中主要起固溶強(qiáng)化作用，降低硅合金量后對(duì)鋼材組織和晶粒尺寸無(wú)明顯影響。

3）硅元素含量的降低能夠明顯影響鋼材的表面抗氧化能力，使鋼材易被腐蝕產(chǎn)生銹蝕，因此應(yīng)合理降低硅元素含量。

4）合理降低硅元素含量能夠有效降低鋼材合金成本。