CN116694991A - 一种铌钛微合金化hrb500e螺纹钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铌钛微合金化HRB500E螺纹钢，其特征在于，包括下述质量百分含量的化学成分：C：0.22～0.25％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.2～1.5％，Nb：0.020～0.025％，Ti：0.015～0.022％，N：0.011～0.015％，P≤0.025％，S≤0.018％，余量为Fe及不可避免杂质。还公布了其制备方法。本发明所制备的所述螺纹钢的Rel≥530MPa，Rm≥700MPa，Rm/Rel≥1.25，Agt≥12％。
Description
技术领域
本发明涉及钢铁材料技术领域，尤其涉及一种铌钛微合金化HRB500E螺纹钢及其制备方法。
背景技术
在当前和将来的一段时间内，中国的基础设施建设依然十分活跃，钢材消费中螺纹钢将持续占据重要地位和可观比例。所以，一段时期内，螺纹钢仍将是国内产销量最大的单一钢种系列，最近几年的产销率均以亿吨计，由于其设备要求、技术难度相对较低，同时也是国内中小型钢厂最主要的生产品种之一。
为了实现螺纹钢的产品升级，螺纹钢新标准GB/T 1499.2-2018发布，并已于2018年11月1日强制推行实施。新标准取消335MPa级钢筋，增加了600MPa级钢筋，实际上适应了绿色化建筑的需求；对重量偏差适当加严，明确了重量偏差不允许复验；增加了钢筋疲劳试验方法的规定，特别增加了金相组织检验的规定；增加了截面维氏硬度、宏观金相、微观组织及检验方法等内容。
螺纹钢新国标的实施对行业的发展产生了重要影响。特别是增加金相组织和维氏硬度检验方面的规定：组织主要为铁素体加珠光体，基圆不得出现回火马氏体组织，维氏硬度检验两点的硬度差值应小于或等于40Hv。目前国内多数从事螺纹钢生产的中小型钢企采用的是强穿水提高屈服强度的方法以节省合金化成本，其外缘金相组织基本为马氏体组织，新国标的实施，对此类企业和强穿水、控轧控冷工艺是重大打击，回归通过合金提高强度的路径后，合金化成本将明显上升，对企业的成本和工艺稳定性控制来说，都是极大挑战。目前我国螺纹钢普遍采用钒系合金进行合金化，提高成品强度，保证达到目标力学性能。
目前，随着建筑工程向超高化、超大型、高抗震方向发展，国外建筑已普遍应用焊接性能好、强度高的500MPa级钢筋，而我国无论在建筑还是基础设施领域，仍还以400MPa级为主，因此，推进500MPa级螺纹钢的扩大应用，促进螺纹钢的升级换代，对于实现钢材的减量化应用、提高工程质量、节约建设成本，均具有十分积极的意义。
当前，HRB500螺纹钢生产过程中通过加入钒系合金实现合金强化，但钒合金在我国属于紧缺资源，价格一直处于高位且随着新国标的实施大幅上涨。给生产企业以及应用单位的成本控制造成了一定影响，因此，通过优化成分体系，降低合金化成本，对推进HRB500螺纹钢的扩大应用显得十分重要。
在优化HRB500螺纹钢合金方面，一些钢铁企业做过积极尝试，其核心是加入一定量的Nb替代部分V进行合金化，如昆明理工大学陈伟等的《铌微合金化控冷工艺生产HRB500抗震钢筋强韧化机理》、广钢股份郭楚雄等的《转炉铌钒复合微合金化HRB500E高强抗震钢筋开发》等论文，均提出了加入0.03％左右的Nb进行微合金强化的方法。但是加入Nb不能完全替代V进行合金化，超过0.035％的Nb，则连铸坯极易产生裂纹，影响生产效率和成材率，同时，Nb的加入还影响成品性能稳定性，特别是屈服平台不明显，强屈比偏低。
而我国钛资源丰富，生产工艺成熟，市场价格长期稳定，且其合金强化效果已在许多钢中得以验证，目前在HRB400E螺纹钢生产中已有一定影响，但在HRB500E级别螺纹钢中的应用尚未见报道，而实际上，钛铌复合微合金化，可减轻铌对连铸过程和成品性能的不利影响。
发明内容
针对目前HRB500E螺纹钢生产过程中主要是通过加入钒合金实现合金强化，而钒合金价格高昂，给生产企业及使用单位造成成本难以控制的问题，本发明的目的是提供一种铌钛微合金化HRB500E螺纹钢及其制备方法，以150吨复吹转炉冶炼—LF精炼—7机7流方坯连铸冶金工艺生产HRB500E螺纹钢为基础，通过合金体系优化，实现HRB500E低成本稳定批量生产。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明一种铌钛微合金化HRB500E螺纹钢，包括下述质量百分含量的化学成分：C：0.22～0.25％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.2～1.5％，Nb：0.020～0.025％，Ti：0.015～0.022％，N：0.011～0.015％，P≤0.025％，S≤0.018％，余量为Fe及不可避免杂质。
进一步的，包括下述质量百分含量的化学成分：C：0.24％，Si：0.46％，Mn：1.41％，Nb：0.023％，Ti：0.018％，N：0.015％，P:0.019％，S:0.013％，余量为Fe及不可避免杂质。
一种铌钛微合金化HRB500E螺纹钢的制备方法，主要工艺步骤如下：
(1)转炉冶炼过程
①在150吨转炉进行铁水冶炼，全程底吹均供氮气，不进行氮氩切换，终点温度范围1620～1660℃，采用中高碳出钢模式，降低钢液终点的氧化性，提高合金收得率，控制终点C含量0.06～0.08％，P含量≤0.02％，S含量≤0.018％；
②出钢前，在钢水罐底置入5～6kg/t钢的活性石灰，出钢1/3后，向钢水罐中冲入硅锰、铌铁、铝铁等合金进行脱氧和合金化，加入量以成品要求为准；出钢全程钢水罐底吹氮气，吹氮流量为300～400L/min；
(3)炉外处理①钢水到氩站后，继续以流量800～1000L/min底吹氮气，同时向钢液加入总量为50～60kg的铝粒深脱氧，脱氧过程结束2～4min，即可将钢水罐移至LF工序处理，氩站总处理时间为6～8min；②钢到LF工位后，立即向钢水罐中加入活性石灰8～10kg/t钢，送电加热调温，向渣面加入铝粒快速造白渣，全程底吹氮气搅拌，搅拌处理过程的氮气流量为500～600L/min，处理12～18min，温度范围在1560～1585℃范围内，钢液溶解氧含量在10ppm以下时，通过喂线机向钢水罐喂入氮化钙钛硅复合包芯线，喂线速度5～6m/min，喂入量4～5m/t钢，喂线后，采用底吹氮气流量250～300L/min软吹3min以上，使钢液混合均匀，之后将钢水罐吊运至连铸平台进行浇铸；
(3)连铸过程连铸实行全保护浇注，即装备钢水罐长水口和结晶器浸入式水口，拉速根据中包钢水温度控制在2.4～2.6m/min，二次冷却采用强冷模式，比水量为1.5～1.6L/kg，浇铸完成后铸坯热送至加热炉进行加热；
(4)铸坯加热及轧制铸坯均热段温度为1120～1150℃，在炉时间≥4h，轧制按非控冷模式进行，轧制过程及结束均不强行穿水冷却。
进一步的，所述氮化钙钛硅复合包芯线，是由厚度0.4mm的Q195铁皮包覆芯粉制成，所述芯粉由下述质量百分含量的成分组成：Ti：28～32％，N：9～10％，Si：25～28％，Ca：8～10％，余量为Fe及不可避免杂质；所述包芯线芯粉含量为280±5g/m。
进一步的，所述铁皮中各元素的质量百分含量为：C≤0.09％，Si≤0.03％，P≤0.02％，S≤0.02％，Alt：0.02-0.06％，余量为Fe及不可避免杂质。
进一步的，所述螺纹钢的Rel≥530MPa，Rm≥700MPa，Rm/Rel≥1.25，Agt≥12％。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
(1)以Nb+Ti复合微合金化代替V微合金化，实现HRB500E低成本稳定批量生产，明显减少和避免V的使用，降低合金成本。
(2)通过特定方法，解决Ti收得率的稳定性问题，Ca的存在，可控制钢液氧化性，减少Ti的氧化损失。
(3)通过全流程控制，实现钢液富氮化，使Nb、Ti的含氮析出物大量析出，析出强化作用最大化。
本发明与现有技术相比，在钢材成分上，本发明以铌钛合金替代V进行合金化，使Nb：0.020～0.025％，Ti：0.015～0.022％，而不用添加V合金，以大幅度降低合金化生产成本；在冶炼方法上，通过全程底吹氮，使钢液富氮化，通过LF精炼，并喂入氮化钙钛硅复合包芯线，使钢液实现Ti复合微合金化和富氮化，并在富氮条件下，在凝固过程中析出大量含氮析出物，实现析出强化效果。
所述螺纹钢的Rel≥530MPa，Rm≥700MPa，Rm/Rel≥1.25，Agt≥12％。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案，行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1为本发明各实施例及对比例螺纹钢中所含化学成分的质量百分含量列表；下表2为本发明各实施例及对比例螺纹钢的制备方法中各工艺参数的取值列表；下表3为本发明各实施例及对比例螺纹钢的力学性能测试结果。
本发明各实施例的铌钛微合金化HRB500E螺纹钢的制备方法，是以150吨复吹转炉冶炼—LF精炼—7机7流方坯连铸冶金工艺进行制备的，其中主要工艺步骤如下：
(1)转炉冶炼过程①在150吨转炉进行铁水冶炼，全程底吹均供氮气，不进行氮氩切换，终点温度范围1620～1660℃，采用中高碳出钢模式，降低钢液终点的氧化性，提高合金收得率，控制终点C含量0.06～0.08％，P含量≤0.02％，S含量≤0.018％；②出钢前，在钢水罐底置入5～6kg/t钢的活性石灰，出钢1/3后，向钢水罐中冲入硅锰、铌铁、铝铁等合金进行脱氧和合金化，加入量以成品要求为准；出钢全程钢水罐底吹氮气，吹氮流量为300～400L/min；
(2)炉外处理①钢水到氩站后，继续以流量800～1000L/min底吹氮气，同时向钢液加入总量为50～60kg的铝粒深脱氧，脱氧过程结束2min～4min，即可将钢水罐移至LF工序处理，氩站总处理时间为6～8min；②钢到LF工位后，立即向钢水罐中加入活性石灰8～10kg/t钢，送电加热调温，向渣面加入铝粒快速造白渣，全程底吹氮气搅拌，搅拌处理过程的氮气流量为500～600L/min，处理12～18min，在此过程中加入铌铁，实现铌微合金化，温度范围在1560～1585℃范围内，钢液溶解氧含量在10ppm以下时，通过喂线机向钢水罐喂入氮化钙钛硅复合包芯线，喂线速度5～6m/min，喂入量4～5m/t钢，喂线后，采用底吹氮气流量250～300L/min软吹3min以上，使钢液混合均匀，之后将钢水罐吊运至连铸平台进行浇铸；
(3)连铸过程连铸实行全保护浇注，即装备钢水罐长水口和结晶器浸入式水口，拉速根据中包钢水温度控制在2.4～2.6m/min，二次冷却采用强冷模式，比水量为1.5～1.6L/kg，浇铸完成后铸坯趁热送至加热炉进行加热；
(4)铸坯加热及轧制铸坯均热段温度为1120～1150℃，在炉时间≥4h，轧制按非控冷模式进行，轧制过程及结束均不强行穿水冷却。
表1本发明各实施例及钢板的化学成分(wt，％)
表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数取值列表
表3本发明各实施例及对比例螺纹钢的力学性能试验结果
力学性能分析：从上表中可以看出，采用本方法的铌钛复合微合金化的HRB500E螺纹钢各项力学性能均与钒合金化的同类产品相当。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种铌钛微合金化HRB500E螺纹钢，其特征在于，包括下述质量百分含量的化学成分：C：0.22～0.25％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.2～1.5％，Nb：0.020～0.025％，Ti：0.015～0.022％，N：0.011～0.015％，P≤0.025％，S≤0.018％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的铌钛微合金化HRB500E螺纹钢，其特征在于，包括下述质量百分含量的化学成分：C：0.24％，Si：0.46％，Mn：1.41％，Nb：0.023％，Ti：0.018％，N：0.015％，P:0.019％，S:0.013％，余量为Fe及不可避免杂质。
3.根据权利要求1或2所述的铌钛微合金化HRB500E螺纹钢的制备方法，其特征在于，主要工艺步骤如下：
(1)转炉冶炼过程
①在150吨转炉进行铁水冶炼，全程底吹均供氮气，不进行氮氩切换，终点温度范围1620～1660℃，采用中高碳出钢模式，降低钢液终点的氧化性，提高合金收得率，控制终点C含量0.06～0.08％，P含量≤0.02％，S含量≤0.018％；
②出钢前，在钢水罐底置入5～6kg/t钢的活性石灰，出钢1/3后，向钢水罐中冲入硅锰、铌铁、铝铁等合金进行脱氧和合金化，加入量以成品要求为准；出钢全程钢水罐底吹氮气，吹氮流量为300～400L/min；
(2)炉外处理①钢水到氩站后，继续以流量800～1000L/min底吹氮气，同时向钢液加入总量为50～60kg的铝粒深脱氧，脱氧过程结束2～4min，即可将钢水罐移至LF工序处理，氩站总处理时间为6～8min；②钢到LF工位后，立即向钢水罐中加入活性石灰8～10kg/t钢，送电加热调温，向渣面加入铝粒快速造白渣，全程底吹氮气搅拌，搅拌处理过程的氮气流量为500～600L/min，处理12～18min，温度范围在1560～1585℃范围内，钢液溶解氧含量在10ppm以下时，通过喂线机向钢水罐喂入氮化钙钛硅复合包芯线，喂线速度5～6m/min，喂入量4～5m/t钢，喂线后，采用底吹氮气流量250～300L/min软吹3min以上，使钢液混合均匀，之后将钢水罐吊运至连铸平台进行浇铸；
(3)连铸过程连铸实行全保护浇注，即装备钢水罐长水口和结晶器浸入式水口，拉速根据中包钢水温度控制在2.4～2.6m/min，二次冷却采用强冷模式，比水量为1.5～1.6L/kg，浇铸完成后铸坯热送至加热炉进行加热；
(4)铸坯加热及轧制铸坯均热段温度为1120～1150℃，在炉时间≥4h，轧制按非控冷模式进行，轧制过程及结束均不强行穿水冷却。
4.根据权利要求3所述的铌钛微合金化HRB500E螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述氮化钙钛硅复合包芯线，是由厚度0.4mm的Q195铁皮包覆芯粉制成，所述芯粉由下述质量百分含量的成分组成：Ti：28～32％，N：9～10％，Si：25～28％，Ca：8～10％，余量为Fe及不可避免杂质；所述包芯线芯粉含量为280±5g/m。
5.根据权利要求4所述的铌钛微合金化HRB500E螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述铁皮中各元素的质量百分含量为：C≤0.09％，Si≤0.03％，P≤0.02％，S≤0.02％，Alt：0.02-0.06％，余量为Fe及不可避免杂质。
6.根据权利要求3所述的铌钛微合金化HRB500E螺纹钢的制备方法，其特征在于，所述螺纹钢的Rel≥530MPa，Rm≥700MPa，Rm/Rel≥1.25，Agt≥12％。
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