高強度鋼HTRB640E的開發與應用研究

0 引言

隨著現代工業的快速發展，對結構材料性能的要求日益提高。高強度鋼因其優異的力學性能和良好的加工性能，在建筑、橋梁、機械制造等領域得到廣泛應用。HTRB640E作為一種新型高強度鋼，具有更高的強度、更好的塑性和韌性，以及優異的焊接性能，成為當前研究的熱點。

本研究旨在開發具有優異綜合性能的HTRB640E高強度鋼，并探討其在實際工程中的應用前景。通過系統的成分設計、工藝優化和性能測試，我們期望為高強度鋼的開發和應用提供新的思路和方法，推動相關領域的技術進步。

1HTRB640E高強度鋼的開發

HTRB640E高強度鋼的開發過程主要包括成分設計、冶煉工藝和軋制工藝三個關鍵環節。在成分設計方面，我們采用了高碳、高錳的設計思路，并添加適量的微合金元素如鈮、釩、鈦等，以提高鋼材的強度和韌性。同時，嚴格控制硫、磷等有害元素的含量，確保鋼材的純凈度。

1.1 化學成分及工藝設計

（1）化學成分

HTRB640E熱軋高強抗震鋼筋研發的難度在于在確保強度的情況下，必須滿足強屈比的要求，強度主要取決于熔煉成分的種類和數量，具體來說主要取決于加入多少種類的合金。為保證良好的焊接性必須限定Ceq（碳當量），這就使得起到強化作用的C、Mn元素添加量得到了限制，在鋼鐵材料的微合金強化方面，一般采用 Nb 、V、Ti三類合金，Nb、Ti元素的碳氮化合物回融溫度很高，析出數量較少，不能用于 640MPa 級別的熱軋鋼筋的主要強化元素，V元素的碳氮化合物回融溫度較低，在冷卻過程中能夠形成大量納米級析出物，可提高鋼筋強度，尤其是VN提高強度效果最為明顯，并且能夠細化品粒，增加產品強度及塑性，但是其缺點是會降低強屈比。因此，我們在成分設計上以VN強化為主，同時添加少量Cr、Mo、Nb元素進行復合強化，在滿足強度指標的同時，使強屈比達到1.25。根據相關研究資料，參考GB1499.2-2024中HRB600化學成分控制要求，在本公司現有工藝技術及HRB50OE基礎上，制定出釩/氮和鋸復合微合金化工藝試制HTRB640E高強抗震鋼筋的化學成分控制要求（見表1）。

表1HTRB640E鋼筋化學成分控制要求（質量分數）

（2）力學性能

參考GB1499.2-2024中HRB600及其以下級別鋼筋力學性能控制要求，HTRB640E高強抗震鋼筋力學性能控制要求見表2，表2中，RoeL為鋼筋實測屈服強度， Rom 為鋼筋實測抗拉強度。

表2HTRB640E鋼筋力學性能控制要求

（3）工藝流程

HTRB640E高強抗震鋼筋生產工藝流程如下：高爐鐵水 $$ 轉爐冶煉 $$ 氬站 $$ 爐外精煉 $$ 連鑄 $$ 鑄壞檢查 $$ 壞料加熱 $$ 軋制 $$ 冷床自然冷卻 $$ 精整 $$ 檢驗 $$ 打捆包裝 $$ 過磅 $$ 標識 $$ 入庫 $$ 出廠。

2 過程工藝控制

2.1 煉鋼工藝

（1）轉爐冶煉控制

使用 120t 氧氣轉爐進行頂底復合吹煉，終點控制要求質量分數為： ，W（P） lt;0.030% ，出鋼溫度 ≥1630^°C ，氬前溫度?1545^°C 。出鋼過程使用鋁鐵脫氧劑、硅鐵、硅錳合金、釩氮合金和鈮鐵進行脫氧合金化，全程使用底吹氬工藝，促進鋼水成分、溫度的均勻和非金屬夾雜物的上浮排除，擋渣出鋼，防止大量下渣鋼水回磷。

（2）IF精煉控制精煉過程進行成分微調，對鋼水溫度進行控制，精煉終點鋼水成分達到成分目標控制要求，溫度控制在1550～1560 C ，以保證鋼水連鑄穩定性。精煉結束保證鋼包軟吹氬8min 以上，促進鋼中夾雜物上浮排除。

（3）連鑄澆注控制

澆鑄在7機7流連鑄機上進行，鋼坯斷面為170mmx170mm 方壞，全程保護澆鑄。針對鈮微合金化鋼連鑄坯裂紋敏感性較高，影響連鑄坯表面及內部質量問題，結合本公司實際控制情況及相關研究，連鑄過程結晶器保護渣使用低合金鋼專用保護渣，二冷采用低合金配水模式，中包過熱度 ?35^°C ，拉速為 2.0～2.5m/min ，鑄坯矯直區溫度 gt;900^°C 。

2.2軋鋼工藝

適量鋸微合金化與釩微合金化結合，不僅能夠增加細晶強化效果，同時鈮、釩的析出也能顯著改善鋼的力學性能，但鈮、釩的碳氮化物析出溫度和位置不同，釩的碳氮化物析出溫度為700～900^°C ，主要在奧氏體/鐵素體相變過程中以及相變后的鐵素體中析出，鈮的碳氮化物析出溫度 gt;950^°C ，主要在奧氏體中析出。鈮的加入提高了其全固溶溫度，擴大了高溫析出的溫度區域，并且在降溫過程中其析出量也顯著增多。為了保證鋸、釩細晶強化和析出強化效果、提高HRB600E高強抗震鋼筋抗震性能，軋制過程采用側進側出雙蓄熱步進梁式加熱爐進行加熱，出爐溫度為 1050～1100^°C ，開軋溫度為 1020～1070^°C ，軋制速度為 13～15m/s ，預水冷第一段必須投入，進精軋溫度 1000±20^°C ，上冷床溫度：目標860% ，范圍 860±10^°C ，冷床空冷至室溫。在17架出口位置上一段 Φ60mm 短穿水管總成一套，調節上冷床溫度，消除成品表面氧化鐵皮。

3檢驗結果及分析

3.1 力學性能

鋸釩復合微合金化工藝試制的HRB60OE高強抗震鋼筋力學性能檢驗結果見表3。

表3HTRB640E鋼筋力學性能結果

由表3可知，采用鈮釩復合微合金化工藝試制的HRB60OE鋼筋，各項性能指標均達到了抗震鋼筋力學性能控制要求，且屈服強度具有 25MPa 余量，性能波動較小，鋼筋強韌性和抗震性良好，綜合性能優異。

3.2 時效性能

對部分HRB60E高強抗震鋼筋分別進行3、7、10和15d自然時效力學性能檢驗，檢驗結果見表4。

由表4可以看出，其15d內鋼筋力學性能存在小幅波動，但整體性能穩定，且符合抗震鋼筋力學性能控制要求。

表4HRB600E鋼筋時效力學性能

3.3金相組織及夾雜物

利用光學顯微鏡對HRB60OE高強抗震鋼筋進行金相組織（見圖1）及夾雜物（見圖2）檢驗，其鋼的組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分數 gt;45% ，晶粒度 gt;10 級，晶粒均勻。夾雜物主要為A、C和D類夾雜物，均 lt;1.5 級，夾雜物數量少且尺寸較小，未出現粗細超尺寸夾雜物。

4HTRB640E高強度鋼的性能研究

對開發的HTRB640E高強度鋼進行了全面的性能測試。力學性能測試結果表明，該鋼材的屈服強度達到 680MPa 以上，抗拉強度超過800MPa ，延伸率保持在 15% 以上，最大力伸長率在 9% 以上，強屈比 ?1.25 ，沖擊韌性優異。這些性能指標完全滿足高強度結構鋼的要求。

焊接性能研究表明，HTRB640E具有良好的焊接性，焊接接頭強度與母材相當，熱影響區無明顯軟化現象。微觀組織分析顯示，HTRB640E主要由細小的鐵素體和貝氏體組成，這種組織特征是其優異力學性能的基礎。通過透射電鏡觀察，發現鋼中存在大量納米級的碳氮化物析出相，這些析出相有效地提高了鋼材的強度。

5HTRB640E高強度鋼的工程應用

HTRB640E高強度鋼在實際工程中展現出廣闊的應用前景。在建筑領域，該鋼材可用于高層建筑和大跨度結構的承重構件，有效減輕結構自重，提高抗震性能。在橋梁工程中，HTRB640E可用于制造大跨度橋梁的主梁和橋墩，提高橋梁的承載能力和耐久性。

機械制造領域是HTRB640E的另一個重要應用方向。該鋼材可用于制造重型機械的承力部件，如起重機臂架、挖掘機斗桿等，顯著提高設備的工作性能和可靠性。此外，HTRB64OE還可應用于壓力容器、海洋平臺等特殊領域，滿足嚴苛的使用環境要求。

圖1試制HTR640E鋼筋基體的金相組織圖（ 500× ）

圖2試制HTR640E鋼筋的夾雜物觀察圖

6結論

通過鋸釩復合微合金化工藝，成功試制了HRB600E高強抗震鋼筋，同時，通過各項檢驗分析，得出如下結論。

1）采用鋸釩復合微合金化工藝試制的HRB600E高強抗震鋼筋的力學性能，及其自然時效15d后鋼筋力學性能，均符合其抗震鋼筋力學性能控制要求，且屈服強度具有 25MPa 余量，鋼筋強韌性和抗震性良好，綜合性能優異。

2）采用鋸釩復合微合金化工藝試制的HRB600E高強抗震鋼筋內部顯微組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分數 gt;45% ，晶粒度 gt;10 級，晶粒均勻，夾雜物主要為A、C和D類夾雜物，均 lt;1.5 級，夾雜物數量少且尺寸較小，未出現粗系超尺寸夾雜物，鋼筋內部質量良好。

3）通過合理的成分設計和工藝優化，該鋼材實現了高強度、良好塑性和韌性的完美結合。微觀組織分析揭示了其性能優越的內在原因。工程應用案例證實了HTRB640E在多個領域的廣泛應用前景。

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