HRB400E抗震鋼筋鈮微合金強化機理研究與應用
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摘 要：研究Nb微合金化強化機理在軋制過程中的作用，結合軋制工藝的優化與應用，保證了產品組織性能符合GB1499.2-2018要求并實現穩定控制，降低了棒材HRB400E各規格抗震鋼筋的成本，實現了Nb微合金化HRB400E抗震鋼筋的穩定生產。
關鍵詞：Nb微合金化;HRB400E抗震鋼筋;軋制工藝;強化機理
中圖分類號：TG142 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）14-0162-03
Abstract： The role of Nb microalloying strengthening mechanism in rolling process was studied. Based on the optimization and application of rolling process， the product structure and properties were guaranteed to meet the requirements of GB1499.2-2018 and stable control was achieved. The cost of various specifications of anti-seismic bar HRB400E was reduced， and the stable production of Nb microalloyed HRB400E anti-seismic bar was realized.
Keywords： Nb microalloying; HRB400E seismic steel bar; rolling process; strengthening mechanism
1 概述
2018年11月1日，GB/T 1499.2-2018熱軋帶肋鋼筋新國標正式實施，釩合金價格飛漲且供不應求，柳鋼提前數月使用價格較低的鈮鐵合金開展強化機理研究與試驗生產，應用鈮微合金化技術結合棒材軋制工藝優化，充分利用各種強化機理，實現了φ12mm-φ32mm規格HRB400E鋼筋的批量穩定生產，產品組織性能合格，降低了合金成本與軋鋼工序成本。
2 Nb微合金化HRB400E抗震鋼筋成分設計
鈮微合金化HRB400E抗震鋼筋主要性能強化元素為C、Si、Mn、Nb，其中C在鐵碳合金中以Fe3C和石墨形式存在，依靠增加珠光體含量和固溶強化提高鋼筋的強度[1-2] ，C含量按照上限控制0.21～0.25%;Si固溶于鐵素體和奧氏體中，依靠強化鐵素體增加鋼的強度，依據Si對性能的影響曲線，按照0.30～0.60%控制;Mn以置換固溶的形式存在于鐵素體和奧氏體中，具有增加珠光體含量、固溶強化和細晶強化作用，根據經驗控制在1.30～1.45%;Nb對碳和氮有很高的親和力，在鋼中極易形成穩定難溶的NbC、Nb（CN），通過細晶強化、沉淀強化和相變強化提高鋼的強度，按照0.025-0.035%控制。鈮微合金化HRB400E抗震鋼筋成分設計見表1。
3 軋制工藝
3.1 加熱工藝
為保證Nb（CN）充分溶入奧氏體發揮其強化作用，理論上加熱爐溫控制在1250℃[3]，所有Nb全部溶解到奧氏體中，但加熱溫度超過1150℃，奧氏體晶粒開始長大粗化，降低細晶強化的效果，且過高的加熱溫度一定程度上造成加熱爐待溫頻繁影響生產順暢。
綜合考慮以上三個因素，加熱溫度制定見表2。加熱溫度既保證鑄坯中Nb絕大部分溶解于奧氏體，部分未溶解的Nb（CN）有利于阻止在加熱和粗軋過程中奧氏體晶粒的長大，達到細化晶粒的效果。
3.2 軋制工藝
鈮微合金化HRB400E抗震鋼筋生產使用斷面尺寸為1652mm×10000mm的坯料，小規格Ф12mm-Ф22mm螺紋鋼采用切分孔型系統，大規格Ф25mm-Ф32mm螺紋鋼采用圓-橢圓孔型系統?？紤]各規格的道次、延伸及電機能力，軋制溫度制度如表3。
4 軋制工藝優化
4.1 軋件變形抗力增加
Nb微合金化在軋制過程的主要作用：（1）未溶Nb（CN）阻止高溫軋制過程中奧氏體晶粒的長大;（2）軋制過程中析出的Nb（CN）阻止形變奧氏體的再結晶。由于Nb在軋制中對奧氏體晶粒的細化作用，軋件變形抗力增加，各道次軋制力均有不同程度的提升，在實際生產中，導致粗中軋軋機斷輥燒軸承現象激升，斷輥比例較非Nb微合金化坯料軋制上升了20%左右，另一個隱患為精軋K1、K2因軋件強度提升，表現為軋輥不耐磨，孔槽過鋼量下降20%左右，孔型崩孔現象增加。為解決軋輥軋制量、斷輥燒軸承和崩孔，減少軋機電流，勢必要降低軋件變形抗力，適量提高開軋溫度15℃，調整為1040±30℃，加熱段與均熱段分別提高10℃，經過一段時間試驗與批量生產，成效如下：
?。?）性能較提溫之前降低2Mp左右，有效作業率提高0.5%，生產更加順暢，班產提高12噸，煤耗增加1.1m3/t，電耗降低1.5kWh/t，成材率提高0.12%，綜合降成本3.41元/噸。
?。?）棒材線K1輥的軋制量略有提升，但是K2輥軋制量提升13%。
4.2 切分工藝成品彎曲
Nb微合金化在軋制過程中的析出與溫度密切相關，在切分工藝中，切分后靠中間邊緣部分為原軋件芯部，與切分兩邊溫差在50℃左右。切分軋制和軋后冷卻過程中， Nb（CN）在整個奧氏體和鐵素體斷面析出的不均勻，形成變形應力差，在隨后的剪切、收集過程中出現彎鋼現象。彎鋼在軋制過程中無法有效解決，主要控制成品的冷卻均勻性，通過優化冷床上鋼參數、裙板安裝維護、剪切標準和安裝變頻地輥解決了彎鋼現象。
4.3 連續屈服
試驗過程中，φ12mm、φ18mm和φ25mm規格Nb微合金化HRB400E抗震鋼筋均出現連續屈服的情況。分析原因，Mn降低鋼的Ar1、Ar3、Ms溫度和共析點的碳含量以及鋼種相變速度，結果是鐵碳相圖中共析點向左下方移動，降低奧氏體分解速度，增加淬透性，Nb微合金化可提高貝氏體相變點，提高了貝氏體的溫度區間。出現連續屈服的貝氏體含量達到10-30%，主要由于Mn含量過高和軋后冷卻速度過快導致，通過降低Mn含量0.05%和降低上冷床溫度控制貝氏體含量。
5 效果及分析
5.1 性能（見表4）HRB400螺紋鋼性能全部符合GB1499.2-2018要求，且余量充足，強屈比≥1.25，冷彎合格，時效在15MPa以內，波動較小。
5.2 金相組織
Nb微合金化HRB400E抗震鋼筋各規格金相組織為F+P+芯部（4-5%）B，鐵素體晶粒度為9-10.5級，組織合格（圖1）。
5.3 焊接性能
焊接試樣拉伸位置遠離焊縫，有明顯的均勻延伸和縮頸，各規格焊接性能合格。
6 結論
?。?）Nb微合金強化機理貫穿于加熱、軋制和冷卻的軋鋼全流程，通過細晶強化、沉淀強化和相變強化提高鋼的強度，各規格性能、金相和焊接全部合格。
?。?）軋制溫度控制優化能有效解決軋輥軋制量、斷輥燒軸承和崩孔等問題，綜合軋鋼工序降成本3.41元/噸。
?。?）適當減少Mn含量和降低上冷床溫度能有效控制
貝氏體含量，解決連續屈服無屈服點的問題。
?。?）Nb微合金化技術替代V強化工藝，綜合合金降成本100元/噸左右，保證了生產的連續性。
參考文獻：
[1]崔中圻，劉北興.金屬學與熱處理原理[M].哈爾濱工業大學出版社，1998.
[2]完衛國，李德華，郭湛，等.節約型鈮微合金化HRB400鋼筋的成分與工藝研究[J].鋼鐵研究，2011（39）：18-22.
[3]謝國誼，毛景平.Nb微合金化生產小規格HRB400帶肋鋼筋的探討[J].新疆鋼鐵，2008（2）：43-45.
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