CN107747061A - 一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋及其生产方法 - Google Patents

一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋及其生产方法，所述带肋钢筋化学成分组成及质量百分含量为：C：0.20～0.25%，Mn：1.50～1.60%，Si：0.60～0.75%，V：0.08～0.15%，Cr：0.30～0.35%，N：0.012～0.025%，P：0.005‑0.025%，S：0.005‑0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质；带肋钢筋生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序。本发明利用廉价的合金元素，替代镍、铌、钼等昂贵的合金元素，降低了热轧带肋钢筋的成本，同时在一定程度上提高建筑的实用性和安全性；采用简便的冶炼工艺和轧制工艺，有利于实现低成本的大规模生产。

Description

一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋及其生产方法。
背景技术
热轧带肋钢筋是目前用量最大的一类钢铁材料，它具有一定的延展性，高强度，良好的抗震性能和焊接性能。欧洲等发达国家已广泛应用500MPa级热轧带肋钢筋，600MPa级也有了一定的应用。我国在修订的国家标准GB1499.2-2013中，新增加了600MPa级带肋钢筋，这类钢材具有强度等级高，节省用量等优点，特别适合高层和跨度大的建筑，还可以解决“肥梁胖柱”等问题。进一步开展630MPa级热轧带肋钢筋的研发工作，对于调整我国钢铁行业落后的产能问题，实施可持续发展具有重要的战略意义。
中国专利申请号为201110350194.4的专利公开了“一种600MPa级含矾高强热轧钢筋及其生产方法”，具体成分为：C：0.21～0.25%，Si：0.35～0.60%，Mn：1.35～1.55%，V：0.08～0.12%，N：0.005～0.040%，S≤0.040%，P≤0.040%，其余为铁及不可避免的不纯物。制造方法为“在冶炼过程中采取增钒、增氮和固氮工艺，轧制过程采取降低开轧温度和精轧温度来保证低温大压下，实现细晶、固溶和沉淀析出强化来提高强度”。存在以下不足：①降低开轧温度和精轧温度保证低温大压下，实现提高强度，对轧机的要求高，不适合开展广泛应用。②氮含量在0.005-0.040%之间有些过高，含氮量过高影响钢筋的延伸率，使得钢筋有变脆的倾向；全程吹氮气增氮，容易造成气泡过多影响产品的质量。
中国专利号为201310444163.4的专利公开了“一种630MPa级高强热轧钢筋及其生产工艺”，具体成分为：C：0.38～0.43%，Cr：0.8～1.1%，Mn：0.75～1.0%，Mo：0.15～0.25%，Si：0.15～0.3%，P≤0.035%，S≤0.035%S，N≤0.035%，其余为Fe。具体工艺为：将钢筋送入加热炉加热到1000-1200℃，然后经在线第一冷却工序将钢筋冷却到610-630℃，然后在淬火装置内用水或淬火液进行为时12-14秒钟淬火，然后经过回火加热炉加热到550-560℃回火，再通过第二冷却工艺冷却到常温。此工艺的不足为：①通过提高含碳量提升钢筋的强度损失了延伸率，并且不利于焊接性能。②钢筋的热处理工艺复杂，增加了产品的成本。③铬含量过高对延伸率不利。④碳当量过高，焊接性能差，施工困难。
中国专利号为20161086739.9的专利公开了“一种630MPa高强热轧钢筋用钢及其制备方法”，具体成分为：C：0.22～0.28%，Si：0.40～0.80%，Mn：1.40～1.60%，Nb：0.02～0.04%，V：0.05～0.07%，Cr：0.02～0.40%，N：0.008～0.012%，P≤0.035%，S≤0.035%，其余为Fe和不可避免的杂质元素。具体的工艺为：在转炉、电弧炉或其他冶炼炉中冶炼；炉外钢包吹氩精炼；140或150小方坯连铸；棒材采用热机轧制工艺轧制；冷却。此工艺虽简单，但是合金成分采用了价格较贵的金属元素铌，增加了钢筋的制造成本；同时铌的析出受冷却速度和热轧变形率影响较大，大规格钢筋性能波动较大，材料整体性能稳定性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋；同时本发明还提供了一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法。本发明通过对合金成分的优化以及简便的轧制工艺，得到一种适合广泛生产和应用的630MPa级高强韧性钢筋。
为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋，所述带肋钢筋化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.20～0.25%，Mn：1.50～1.60%，Si：0.60～0.75%，V：0.08～0.15%，Cr：0.30～0.35%，N：0.012～0.025%，P：0.005-0.025%，S：0.005-0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述带肋钢筋化学成分中钒氮比控制在4～7；所述带肋钢筋直径为10-32mm。
本发明所述带肋钢筋显微组织为珠光体+铁素体，晶粒度为11-12级。
本发明所述带肋钢筋力学性能为：屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥760MPa，断后伸长率≥15%，强屈比≥1.25。
本发明还提供了一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，所述生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序。
本发明所述冶炼工序，在转炉、电弧炉或其他熔炼炉中熔炼进行成份粗调。
本发明所述精炼工序，在钢包外通入氩气，精炼进行成分微调，在吹氩站加入钒铁和氮化锰，考虑合金收得率，其加入的有效成分钒氮比按质量比为3:1-6:1。
本发明所述连铸工序，中间包烘烤温度为1050-1100℃，结晶器对弧，采用全程保护浇注；连铸成断面150mm×150mm的小方坯。
本发明所述加热工序，钢坯加热温度1100-1200℃，保温1-2h。
本发明所述轧制工序，采用棒线材热轧机轧制，开轧温度控制在1050～1150℃，每道次压下量控制在7～30%；精轧温度控制在850～1050℃，每道次压下量控制在10～35%；终轧温度为800-1000℃；轧后在冷床上自然冷却到室温。
本发明微量合金元素在钢中的作用如下：
钒被认为是提高低碳钢强度最合适的元素之一。首先，钒是强碳化合物元素，阻止奥氏体晶粒长大的作用十分显著，起到细晶强化的作用。其次，钒在低碳钢中的存在形式主要有固溶态、VC、VN和V（C，N），而氮含量的多少直接决定着钒在钢中的分布。当氮含量很低时，钒主要固溶在钢中，起到固溶强化的作用。在钢中加入适量的氮，可以将固溶钒分离出来，形成碳化物或者碳氮化物弥散在钢中，起到析出强化的作用。而析出强化对于强度的提升大于固溶强化。氮元素是固溶强化作用很强的元素，但是过高会严重损害钢的延展性，因此控制在190ppm以下是合适的。本发明主要将钒氮比固定在一个范围，使得VC、VN和V（C，N）析出量相对增大，并且使得析出的第二相小、圆、匀的分布在钢中。
钢中添加的C、N、Si、Mn元素是钢中常见的固溶强化的元素。C、N固溶强化的效应最大，但碳含量的增大会使得焊接性能和延展性下降，所以需要控制在0.20～0.25%之间。氮元素结合钒已在上述中提到。当Si＞1.1%或者Mn＞1.8%时，钢的塑性和韧性将有较大的下降，所以要求硅和锰尽量大的提升固溶强化的同时不损害其塑性，因此限定为Si：0.40～0.95%和Mn：1.30～1.75%，优选的，本发明取Si：0.60～0.75%和Mn：1.50～1.60%。
Cr元素的作用主要有三个：固溶，在钢中起到固溶强化的作用；提高淬透性；在铁碳相图中使得S点左移，得到更多层片相间的珠光体组织，进而提升钢的强度。所得钢筋心部和边缘都为铁素体和珠光体相间的组织。
本发明630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋产品及性能检测方法参考GB/T1499.2-2007和GB/T 228.1-2010。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明通过对合金含量的优化，调整钒氮比，使得钒以碳化物、氮化物、碳氮化物的形式析出，“小、圆、匀”的弥散在钢中，将析出强化的作用尽可能的增大，同时调整C、Mn、Si、Cr等元素的含量，使得此钢形成以析出强化为主，细晶强化和固溶强化为辅助的强化机制，在不影响塑性和焊接性能的前提下提升屈服强度。2、本发明利用廉价的合金元素，替代镍、铌、钼等昂贵的合金元素，降低了热轧带肋钢筋的成本。3、本发明将钢筋的屈服强度提升至630MPa以上，大大减少了钢筋的使用量，同时可在一定程度上提高建筑的实用性和安全性。4、本发明采用简便的冶炼工艺和轧制工艺，使得生产更加容易，更具有可行性，有利于实现低成本的大规模生产。
附图说明
图1是实施例1所得带肋钢筋室温显微组织图；
图2是实施例2所得带肋钢筋室温显微组织图；
图3是实施例3所得带肋钢筋室温显微组织图；
图4是实施例4所得带肋钢筋室温显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋直径为16mm，所述钢筋化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.20%，Mn：1.51%，Si：0.70%，V：0.125%，Cr：0.30%，N：0.025%，P：0.010%，S：0.006%，其余为Fe和不可避免的杂质；钒氮比为5。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：在转炉中熔炼进行成份粗调；
（2）精炼工序：在钢包外通入氩气，精炼进行成分微调，在吹氩站按有效钒氮质量比4:1加入钒铁和氮化锰；
（3）连铸工序：中间包烘烤温度为1060℃，结晶器对弧，采用全程保护浇注；连铸成断面150mm×150mm的小方坯；
（4）加热工序：钢坯加热温度1150℃，保温1h；
（5）轧制工序：采用棒材热轧机轧制成直径16mm的带肋钢筋，开轧温度控制为1060℃，每道次压下量控制为20%；精轧温度控制为950℃，每道次压下量控制为15%；终轧温度为800℃；轧后在冷床上自然冷却到室温。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋抗拉强度：821MPa，屈服强度：652MPa，最大延伸率：21.12%，钢筋到最大力时的延伸率：12.82%，强屈比：1.26。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋组织为珠光体+铁素体，室温显微组织见图1；测得晶粒的平均截距是5.858μm，晶粒度为11.5级。
实施例2
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋直径为20mm，所述钢筋化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.24%，Mn：1.58%，Si：0.75%，V：0.097%，Cr：0.34%，N：0.0185%，P：0.015%，S：0.016%，其余为Fe和不可避免的杂质；钒氮比为5.24。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：在转炉中熔炼进行成份粗调；
（2）精炼工序：在钢包外通入氩气，精炼进行成分微调，在吹氩站按有效钒氮质量比4.5:1比例加入钒铁和氮化锰；
（3）连铸工序：中间包烘烤温度为1080℃，结晶器对弧，采用全程保护浇注；连铸成断面150mm×150mm的小方坯；
（4）加热工序：钢坯加热温度1200℃，保温1h；
（5）轧制工序：采用棒材热轧机轧制成直径20mm的带肋钢筋，开轧温度控制为1100℃，每道次压下量控制为25%；精轧温度控制为950℃，每道次压下量控制为25%；终轧温度为950℃；轧后在冷床上自然冷却到室温。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋抗拉强度：850MPa，屈服强度：659MPa，最大延伸率：22.72%，钢筋到最大力时的延伸率：13.26%，强屈比：1.29。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋组织为珠光体+铁素体，室温显微组织见图2；测得晶粒的平均截距是6.672μm，晶粒度为11级。
实施例3
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋直径为32mm，所述钢筋化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.25%，Mn：1.50%，Si：0.60%，V：0.15%，Cr：0.35%，N：0.021%，P：0.005%，S：0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质；钒氮比为6.81。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：在转炉中熔炼进行成份粗调；
（2）精炼工序：在钢包外通入氩气，精炼进行成分微调，在吹氩站按有效钒氮质量比6:1加入钒铁和氮化锰；
（3）连铸工序：中间包烘烤温度为1050℃，结晶器对弧，采用全程保护浇注；连铸成断面150mm×150mm的小方坯；
（4）加热工序：钢坯加热温度1100℃，保温1.5h；
（5）轧制工序：采用棒材热轧机轧制成直径30mm的带肋钢筋，开轧温度控制为1050℃，每道次压下量控制为7%；精轧温度控制为850℃，每道次压下量控制为10%；终轧温度为870℃；轧后在冷床上自然冷却到室温。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋抗拉强度：842MPa，屈服强度：648MPa，最大延伸率：20.08%，钢筋到最大力时的延伸率：14.04%，强屈比：1.25。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋组织为珠光体+铁素体，室温显微组织见图3；测得晶粒的平均截距是7.322μm，晶粒度为11级。
实施例4
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋直径为10mm，所述钢筋化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.25%，Mn：1.60%，Si：0.65%，V：0.08%，Cr：0.32%，N：0.012%，P：0.025%，S：0.005%，其余为Fe和不可避免的杂质；钒氮比为6.67。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序，具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：在转炉中熔炼进行成份粗调；
（2）精炼工序：在钢包外通入氩气，精炼进行成分微调，在吹氩站按有效钒氮质量比3:1加入钒铁和氮化锰；
（3）连铸工序：中间包烘烤温度为1100℃，结晶器对弧，采用全程保护浇注；连铸成断面150mm×150mm的小方坯；
（4）加热工序：钢坯加热温度1200℃，保温2h；
（5）轧制工序：采用线材热轧机轧制成直径10mm的带肋钢筋，开轧温度控制为1150℃，每道次压下量控制为30%；精轧温度控制为1050℃，每道次压下量控制为35%；终轧温度为1000℃；轧后在冷床上自然冷却到室温。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋抗拉强度：842MPa，屈服强度：663MPa，最大延伸率：20.08%，钢筋到最大力时的延伸率：12.1%，强屈比：1.27。
本实施例630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋组织为珠光体+铁素体，室温显微组织见图4；测得晶粒的平均截距是5.598μm，晶粒度为12级。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋，其特征在于，所述带肋钢筋化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.20～0.25%，Mn：1.50～1.60%，Si：0.60～0.75%，V：0.08～0.15%，Cr：0.30～0.35%，N：0.012～0.025%，P：0.005-0.025%，S：0.005-0.025%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋，其特征在于，所述带肋钢筋化学成分中钒氮比控制在4～7；所述带肋钢筋直径为10-32mm。
3.根据权利要求1所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋，其特征在于，所述带肋钢筋显微组织为珠光体+铁素体，晶粒度为11-12级。
4.根据权利要求1所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋，其特征在于，所述带肋钢筋力学性能为：屈服强度≥630MPa，抗拉强度≥760MPa，断后伸长率≥15%，强屈比≥1.25。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括冶炼、精炼、连铸、加热和轧制工序。
6.根据权利要求5所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述冶炼工序，在转炉、电弧炉或其他熔炼炉中熔炼进行成份粗调。
7.根据权利要求5所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述精炼工序，在钢包外通入氩气，精炼进行成分微调，在吹氩站加入钒铁和氮化锰，考虑合金收得率，其加入的有效成分钒氮比按质量比为3:1-6:1。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述连铸工序，中间包烘烤温度为1050-1100℃，结晶器对弧，采用全程保护浇注；连铸成断面150mm×150mm的小方坯。
9.根据权利要求5-7任意一项所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述加热工序，钢坯加热温度1100-1200℃，保温1-2h。
10.根据权利要求5-7任意一项所述的一种630MPa级高强韧性热轧带肋钢筋的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，采用棒线材热轧机轧制，开轧温度控制在1050～1150℃，每道次压下量控制在7～30%；精轧温度控制在850～1050℃，每道次压下量控制在10～35%；终轧温度为800-1000℃；轧后在冷床上自然冷却到室温。
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