CN113025896B - 一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺及其生产方法 - Google Patents

一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺及其生产方法。其所述的盘螺化学成分按重量百分比计：C 0.12～0.22％，Si+Mn 1.0～2.0％，Ni+Cr0.40～0.80％，V 0.01～0.08％，N 100～300ppm，P≤0.02％，S≤0.02％；可选成分：Nb 0.01～0.03％，Mo 0.01～0.05％，Cu 0.01～0.10％，中的任意一种或两种以上组合：其余为Fe和不可避免的杂质。热轧高强盘螺生产方法包括转炉/电炉冶炼、LF炉精炼、小方坯连铸、高线轧机控轧和斯太尔摩线控冷。采用上述成分和工艺生产的盘螺显微组织为铁素体+贝氏体，下屈服强度≥700MPa。

Description

一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺及其生产方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金和轧钢领域，具体涉及一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺及其生产方法。
背景技术
螺纹钢筋作为现代建筑结构中钢筋混凝土的主体组成部分，起到支撑和承载作用。随着近年来国家各类基建项目的不断发展升级，可预见的，高强度、多功能、高经济型螺纹钢筋将逐渐占据市场。与普通钢筋相比，高强螺纹钢筋具有强度高、安全性能好等优点，一方面可减少钢材使用量，节能减排且绿色环保；另一方面可降低梁柱体积，扩大空间，提高建筑使用效能。因此研究开发高强度级别螺纹钢筋现实意义重大，经济和社会效益显著。
目前国内已成熟生产的热轧钢筋产品为HRB600，并且大部分为中大规格直条螺纹，小规格盘螺由于其同圈存在性能均匀性差异，控制难度相对较大，国内仅少量钢厂可批量供货。而700MPa级别的热轧螺纹钢筋仅存在于实验室试制，各大钢厂鲜有成功批量生产供货的报道，其中的小规格盘螺生产工艺更是在探索开发过程中。
发明内容
本发明旨在提供一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺及其生产方法，通过合理的微合金化成分设计，采用连续高线轧机控轧和斯太尔摩线控冷相结合的工艺，制得的热轧盘螺组织为铁素体+贝氏体，下屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥850MPa，断后伸长率≥15％，最大力总伸长率≥9％，强屈比≥1.20。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺的生产方法，所述盘螺的化学组成按重量百分比计：C 0.12～0.22％，Si+Mn 1.0～2.0％，Ni+Cr 0.40～0.80％，V 0.01～0.08％，N100～300ppm，P≤0.02％，S≤0.02％；可选成分：Nb 0.01～0.03％，Mo 0.01～0.05％，Cu0.01～0.10％，中的任意一种或两种以上组合：其余为Fe和不可避免的杂质；所述生产方法包括以下步骤，依次进行转炉/电炉冶炼工序，LF炉精炼工序，小方坯连铸工序，加热炉加热工序，高线轧制工序和斯太尔摩线控冷工序，其中：
(1)所述加热炉加热过程采用步进梁式加热炉加热，均热段温度1050-1150℃，加热总时间60-90min；
(2)所述高线轧制工序中，采用连续高线轧机控轧，开轧温度950-1050℃，精轧入口温度900-1000℃，精轧出口温度880-950℃，吐丝温度800-880℃，终轧速度≤60m/s。
(3)盘螺冷却过程采用斯太尔摩线分段控冷，辊道结束进入集卷前盘螺温度控制≤250℃。
优选的，所述盘螺的化学组成中Si和Mn还需满足Mn＝(2-5)×Si，Cr和Ni还需满足Cr＝(1-3)×Ni。
优选的，所述盘螺碳当量Ceq≤0.52，其中Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。
优选的，所述小方坯连铸工序中获得横截面尺寸为140mm×140mm或150mm×150mm的小方坯。
优选的，所述斯太尔摩线分段控冷过程中，第一段辊道速度0.8-1.0m/s，期间的1-4#26万m3风机开100％进行风冷，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度控制≤500℃；第二段辊道速度0.5-0.8m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.0-1.2m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启。
为实现上述发明目的，本发明还提供了一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺，其采用所述生产方法制备而成。
优选的，所述盘螺显微组织为铁素体+贝氏体，贝氏体比例≥60％。
优选的，所述盘螺的下屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥850MPa，断后伸长率≥15％，最大力总伸长率≥9％，强屈比≥1.20。
以下对本发明中化学组成和生产工艺的设计进行说明：
本发明中各种元素的主要作用：
C：碳是最为廉价有效的提升钢筋强度的元素，通过自身固溶并与微合金元素结合形成细小析出提升基体强度，但过高的碳含量恶化钢的韧塑性，同时影响可焊性，考虑成本和综合性能，限定碳含量为0.12～0.22％。
Si、Mn：硅和锰增强淬透性，通过固溶强化增加弹性极限和屈服极限，提高钢的强度。Si+Mn含量低于1.0％时，固溶强化效果较弱，难以保证钢筋强度；而Si+Mn含量高于2.0％时，合金量过高导致盘螺大变形轧制过程中局部密集析出沉淀相从而影响钢筋塑性，同时考虑合金含量提升对于碳当量Ceq的增加，限定Si+Mn范围为1.0～2.0％。考虑Mn对强度提升效果较好且Si含量过高显著影响塑性，调整Si、Mn比例后限定Mn＝(2-5)×Si。
Cr、Ni：铬可增强淬透性，推迟珠光体转变，降低贝氏体转变温度进而促进贝氏体转变；镍则扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织，降低贝氏体转变温度；二者复合添加可有效抑制发生珠光体相变，促进贝氏体的形成。Cr+Ni含量小于0.4％时，相变后的贝氏体比例不足影响强度；Cr+Ni含量超过0.8％后，淬透性过大导致冷却形成的贝氏体从粒状转变为大尺寸针状，影响塑性，同时考虑焊接性能，减小碳当量Ceq，即限定Cr+Ni范围0.4～0.8％。由于Cr元素对提升淬透性促进贝氏体转变作用更强，调整Cr、Ni比例后限定Cr＝(1-3)×Ni。
V：钒为广泛运用的微合金化元素之一，轧制过程中在奥氏体和铁素体内部形核析出细小弥散V(C,N)粒子，具有显著的细晶和析出强化作用。考虑到盘螺轧制变形量大，形变诱导析出能力强，相对直条螺纹V可少量添加，即限定V0.01～0.08％。
N：氮可以有效促进V(C/N)粒子的析出，提升V元素的使用效果，强化析出同时降低成本。N含量过高会降低钢筋塑性，限定N含量范围为100-300ppm。
P、S：磷易于在晶界聚集降低晶界强度，增加钢的冷脆性；硫易使钢产生热脆影响轧制，其与锰形成的大尺寸MnS夹杂影响钢的强韧性，即限定P、S元素含量上限为0.02％。
Nb：铌抑制形变奥氏体的再结晶，扩大再结晶区，推迟铁素体相变，具有较好的细晶强化和析出强化效果。Nb含量过高易使盘螺在大变形轧制过程中发生开裂，作为可选成分限定Nb范围0.01～0.03％。
Mo：钼作为碳化物形成元素，有效增强淬透性，推迟先共析铁素体转变，增大钢的过冷能力并且降低贝氏体形成温度，利于粒状贝氏体的形成。但钼价格昂贵，作为可选元素限定Mo范围0.01～0.05％。
Cu：铜可以稳定奥氏体，促进上微合金碳化物的析出，细化晶粒同时间接发挥析出强化效果，过量添加使盘螺在大变形轧制过程中发生脆化，作为可选成分限定Cu范围为0.01～0.10％。
以上述成分设计方案为基础，本发明的生产工艺涉及考虑如下：
钢坯加热过程：由于盘螺轧制过程使用140mm×140mm或150mm×150mm小方坯，并且所添加的微合金元素完全固溶温度均相对较低，故设定加热过程中均热段温度均热段温度1050-1150℃，加热总时间60-90min。
钢坯轧制过程：盘螺轧制过程通过高速产线轧机控轧，经过粗中精三道次将轧制温度逐步梯度降低，有效细化奥氏体晶粒，促进后续生成强塑性较好的细小粒状贝氏体组织。轧制工艺设定为控制开轧温度950-1050℃，精轧入口温度900-1000℃，精轧出口温度880-950℃，吐丝温度800-880℃，终轧速度≤60m/s。
轧后冷却过程：盘螺冷却相变过程通过斯太尔摩线分段控冷，第一段保温罩全开并通过大风量风机全开迅速使盘螺快冷，冷速大于20℃/s，快速穿过珠光体相变区域并进入贝氏体相变区域，一段结束后盘螺温度需≤500℃，同时相对较快辊道速度减少盘螺堆积重叠，提升冷却均匀性从而改善后续性能均匀性；二段全部关闭风机保温罩同时降低辊道速度，盘螺进入保温区后回温至600℃随后开始缓冷并发生贝氏体相变，使未相变的奥氏体组织完全转变为粒状贝氏体；第三段开启保温罩并提高辊速，风机部分开启，降低相变后的盘螺温度进行集卷打包。具体为：第一段辊道速度0.8-1.0m/s，期间的1-4#26万m3风机开100％进行风冷，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度控制≤500℃；第二段辊道速度0.5-0.8m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.0-1.2m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束进入集卷前盘螺温度控制≤250℃。
与现有技术相比较，本发明的有益效果至少包括：
1)成分设计通过引入淬透性增强元素Cr和Ni，降低贝氏体相变温度，促进强塑性较好的粒状贝氏体形成，获得铁素体+贝氏体的组织，性能兼具强度、塑性及可焊性，碳当量Ceq≤0.52，下屈服强度≥700MPa，断后伸长率≥15％。
2)轧制过程通过产线轧机控制调整，经过粗中精三道次将轧制温度逐步梯度降低，细化过程中的奥氏体晶粒，促进后续生成强塑性较好的细小粒状贝氏体组织。
3)冷却过程通过采用斯太尔摩线分段控冷，有效避开珠光体相变区间，精准实现盘螺在缓冷保温区间充分相变形成粒状贝氏体，保证组织中贝氏体含量≥60％，最终获得良好的综合力学性能。
附图说明
图1是Ф6mm规格700MPa级热轧盘螺显微组织。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的介绍，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1
本实例700MPa级热轧盘螺化学成分为：C 0.14wt％，Si 0.40wt％，Mn 1.50wt％，Cr 0.38wt％，Ni 0.20％，V 0.04wt％，N 180ppm，Cu 0.04wt％，P 0.015％，S 0.016％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.49。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯，钢坯在步进梁式加热炉中均热段温度为1100-1130℃，加热总时间75min；后采用连续高线轧制机进行轧制，轧制规格Ф6mm，开轧温度1000-1020℃，精轧入口温度950-980℃，精轧出口温度900-920℃，吐丝温度850-870℃，终轧速度55m/s。轧后进行斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.88m/s，期间的1-4#26万m3风机100％开启，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度480℃；第二段辊道速度0.72m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.15m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束出口盘螺温度228℃，随后进行集卷打包。制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例为65％。
表1为Φ6mm盘螺的力学性能，屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞850MPa，断后伸长率＞15，最大力总伸长率＞9，强屈比＞1.20。
表1Φ6mm700MPa盘螺力学性能
Figure BDA0002949490040000051
实施例2
本实例700MPa级热轧盘螺化学成分为：C 0.21wt％，Si 0.55wt％，Mn 1.35wt％，Cr 0.20wt％，Ni 0.20％，V 0.08wt％，N 220ppm，Mo 0.03wt％，P 0.017％，S 0.017％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.51。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成140mm×140mm小方坯，钢坯在步进梁式加热炉中均热段温度为1080-1100℃，加热总时间65min；后采用连续高线轧制机进行轧制，轧制规格Ф8mm，开轧温度980-1000℃，精轧入口温度920-950℃，精轧出口温度900-920℃，吐丝温度820-840℃，终轧速度52m/s。轧后进行斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.9m/s，期间的1-4#26万m3风机100％开启，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度475℃；第二段辊道速度0.65m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.10m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束出口盘螺温度234℃，随后进行集卷打包。制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例为68％。
表2为Φ8mm盘螺的力学性能，屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞850MPa，断后伸长率＞15，最大力总伸长率＞9，强屈比＞1.20。
表2Φ8mm700MPa盘螺力学性能
Figure BDA0002949490040000061
实施例3
本实例700MPa级热轧盘螺化学成分为：C 0.22wt％，Si 0.35wt％，Mn 0.85wt％，Cr 0.57wt％，Ni 0.22％，V 0.06wt％，N 250ppm，Nb 0.02wt％，P 0.018％，S 0.016％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.50。
采用转炉冶炼，LF精炼，连铸成140mm×140mm小方坯，钢坯在步进梁式加热炉中均热段温度为1050-1080℃，加热总时间75min；后采用连续高线轧制机进行轧制，轧制规格Ф10mm，开轧温度970-1000℃，精轧入口温度920-950℃，精轧出口温度910-930℃，吐丝温度840-860℃，终轧速度50m/s。轧后进行斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.95m/s，期间的1-4#26万m3风机100％开启，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度485℃；第二段辊道速度0.55m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.15m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束出口盘螺温度240℃，随后进行集卷打包。制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例为62％。
表3为Φ10mm盘螺的力学性能，屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞850MPa，断后伸长率＞15，最大力总伸长率＞9，强屈比＞1.20。
表3Φ10mm700MPa盘螺力学性能
Figure BDA0002949490040000071
实施例4
本实例700MPa级热轧盘螺化学成分为：C 0.12wt％，Si 0.45wt％，Mn 1.45wt％，Cr 0.48wt％，Ni 0.25％，V 0.05wt％，N 210ppm，Nb 0.02wt％，Cu 0.08％，P 0.016％，S0.016％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.49。
采用电炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯，钢坯在加热炉中均热段温度为1100-1120℃，加热总时间75min；后采用连续高线轧制机进行轧制，轧制规格Ф10mm，开轧温度1020-1040℃，精轧入口温度950-970℃，精轧出口温度920-950℃，吐丝温度860-880℃，终轧速度50m/s。轧后进行斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.90m/s，期间的1-4#26万m3风机100％开启，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度485℃；第二段辊道速度0.60m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.10m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束出口盘螺温度240℃，随后进行集卷打包。制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例为66％。
表4为Φ10mm盘螺的力学性能，屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞850MPa，断后伸长率＞15，最大力总伸长率＞9，强屈比＞1.20。
表4Φ10mm700MPa盘螺力学性能
Figure BDA0002949490040000072
实施例5
本实例700MPa级热轧盘螺化学成分为：C 0.16wt％，Si 0.35wt％，Mn 1.20wt％，Cr 0.52wt％，Ni 0.22％，V 0.03wt％，N 120ppm，Mo 0.04wt％，Cu 0.08％，P 0.016％，S0.016％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.50。
采用电炉冶炼，LF精炼，连铸成150mm×150mm小方坯，钢坯在加热炉中均热段温度为1120-1150℃，加热总时间80min；后采用连续高线轧制机进行轧制，轧制规格Ф8mm，开轧温度1030-1050℃，精轧入口温度960-980℃，精轧出口温度920-950℃，吐丝温度860-880℃，终轧速度55m/s。轧后进行斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.92m/s，期间的1-4#26万m3风机100％开启，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度478℃；第二段辊道速度0.68m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.12m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束出口盘螺温度238℃，随后进行集卷打包。制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例为64％。
表5为Φ8mm盘螺的力学性能，屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞850MPa，断后伸长率＞15，最大力总伸长率＞9，强屈比＞1.20。
表5Φ8mm700MPa盘螺力学性能
Figure BDA0002949490040000081
实施例6
本实例700MPa级热轧盘螺化学成分为：C 0.19wt％，Si 0.55wt％，Mn 1.25wt％，Cr 0.42wt％，Ni 0.22％，V 0.06wt％，N 270ppm，Nb 0.02wt％，Mo 0.05％，P 0.018％，S0.017％，其余为Fe和不可避免的杂质，Ceq＝0.52。
采用电炉冶炼，LF精炼，连铸成140mm×140mm小方坯，钢坯在加热炉中均热段温度为1050-1070℃，加热总时间85min；后采用连续高线轧制机进行轧制，轧制规格Ф6mm，开轧温度960-980℃，精轧入口温度910-930℃，精轧出口温度890-910℃，吐丝温度810-830℃，终轧速度58m/s。轧后进行斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.97m/s，期间的1-4#26万m3风机100％开启，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度488℃；第二段辊道速度0.55m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.08m/s，期间的11-13#风机开50％，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束出口盘螺温度238℃，随后进行集卷打包。制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体组织比例为67％。
表6为Φ6mm盘螺的力学性能，屈服强度＞700MPa，抗拉强度＞850MPa，断后伸长率＞15，最大力总伸长率＞9，强屈比＞1.20。
表6Φ6mm700MPa盘螺力学性能
Figure BDA0002949490040000091
通过以上6个实施例可以看出，本发明技术方案通过合理的微合金化成分设计，并采用连续高线轧机控轧和斯太尔摩线控冷相结合的工艺，制得的盘螺组织为铁素体+贝氏体，贝氏体比例≥60％，性能兼具强度、塑性及可焊性，碳当量Ceq≤0.52，下屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥850MPa，断后伸长率≥15％，最大力总伸长率≥9％，强屈比≥1.20。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1. 一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺的生产方法，其特征在于，所述盘螺的化学组成按重量百分比计：C 0.12~0.22%，Si+Mn 1.0~2.0%，Ni+Cr 0.40~0.80%，V 0.01~0.08%，N100~300ppm，P≤0.02%，S≤0.02%；还包括：Nb 0.01~0.03%，Mo 0.01~0.05%，Cu 0.01~0.10%，中的任意一种或两种以上组合，其余为Fe和不可避免的杂质，其中Si和Mn还需满足Mn=(2-5)×Si，Cr和Ni还需满足Cr=(1-3)×Ni；所述生产方法包括以下步骤，依次进行的转炉/电炉冶炼工序，LF炉精炼工序，小方坯连铸工序，加热炉加热工序，高线轧制工序和斯太尔摩线控冷工序，其中：
(1)所述加热炉加热过程采用步进梁式加热炉加热，均热段温度1050-1150℃，加热总时间60-90min；
(2)所述高线轧制工序中，采用连续高线轧机控轧，开轧温度950-1050℃，精轧入口温度900-1000℃，精轧出口温度880-950℃，吐丝温度800-880℃，终轧速度≤60m/s；
(3)盘螺冷却过程采用斯太尔摩线分段控冷，第一段辊道速度0.8-1.0m/s，期间的1-4#26万m³风机开100%进行风冷，期间的1-5#保温罩全部开启，第一段风冷结束盘螺温度控制≤500℃；第二段辊道速度0.5-0.8m/s，期间的5-10#风机关闭，期间的6-11#保温罩关闭；第三段辊道速度1.0-1.2m/s，期间的11-13#风机开50%，期间的12-14#保温罩开启，辊道结束进入集卷前盘螺温度控制≤250℃；
(4) 盘螺下屈服强度≥700MPa，抗拉强度≥850MPa，断后伸长率≥15%，最大力总伸长率≥9%，强屈比≥1.20。
2.根据权利要求1所述的一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺的生产方法，其特征在于，盘螺碳当量Ceq≤0.52，其中Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15。
3.根据权利要求1所述的一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺的生产方法，其特征在于，所述小方坯连铸工序中获得横截面尺寸为140mm×140mm或150mm×150mm的小方坯。
4.一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺，其特征在于，采用权利要求1~3任一项所述的生产方法制备而成。
5.根据权利要求4所述的一种贝氏体型700MPa级热轧高强盘螺，其特征在于，所述盘螺显微组织为铁素体+贝氏体，贝氏体比例≥60%。
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