钒铌复合微合金化抗震钢筋工艺研究

杜国权，周大伟，邱达全，王 林

(四川省达州钢铁集团有限责任公司，四川 达州 635002)

在新版国家标准正式实施前，为降低钢筋生产过程中的合金成本，同时满足钢筋强度达到标准要求，国内绝大多数建筑钢筋生产企业均是采用轧后强穿水工艺来提高强度。该强穿水工艺最大的缺点在于钢筋会有较大的时效性，且钢筋表面会形成回火马氏体组织，严重影响钢筋的焊接性。2018年9月，为适应新版国家标准GB/T1499.2-2018《钢筋混凝土用钢 第二部分：热轧带肋钢筋》中提出钢筋的金相组织应主要为铁素体加珠光体，基本上不应出现回火马氏体组织的要求，需要各生产企业取消原有的强穿水生产工艺，通过配加适量的合金来提高钢筋的强度。但这会大幅度增加钢筋的合金成本。为降低生产成本，达钢公司组织了大规模的试验攻关，最终确定了炼钢采用铌铁配加钒氮合金工艺，结合轧后采用微穿水工艺的生产方案，经公司内部检测各项指标完全符合GB/T1499.2-2018标准的要求。该工艺相比传统的全部配加钒氮合金工艺，降低合金成本约150元/吨钢。

1 生产工艺及设备

1.1 生产工艺流程

主要工艺流程：80吨氧气顶底复吹转炉→吹氩→连铸→热送→加热→轧制→控温轧制→步进式冷床→冷剪→成品检验→收集、打包→称重→吊牌→入库。

1.2 主要设备

80吨氧气顶底复吹转炉2座，全弧形R9m 6机6流连铸机2套，16架平一立交替布置全连轧生产线。轧钢生产线的控制冷却设备为为二段横移小车式，总有效长度18.80米。

2 微合金化的特性

随着新版国家标准的实施，建筑钢筋采用微合金化生产工艺将逐步代替原有的轧后余热处理技术，微合金化的目的是在钢水中加入少量的合金元素(如Nb、V、Ti等)来改善钢材的综合性能。

Nb、V微合金化的作用机理为：在钢水冶炼后加入微合金元素，在铸坯中形成细小的碳、氮化物或碳氮化合物，钉扎在晶界处。在轧钢加热炉再次加热过程中，阻止奥氏体晶粒的过分长大，在轧制过程中和轧后冷却过程中又延缓再结晶奥氏体晶粒的长大，最终表现出以晶粒细化和沉淀、析出强化为主对钢进行强韧化处理。目前国内生产建筑钢筋的企业一般采用钒微合金化处理。

2.1 钒元素的主要作用

V在钢中具有较高的溶解度，V与钢中的氮具有较强的亲和力，可以固定钢中的氮。V与C和N结合形成V(C，N)化合物，通过形成的V (C，N)化合物来影响钢的组织和性能，主要体现在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，起到沉淀强化的作用，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性[1]。钢中V的加入量一般在0.03%～0.12%之间。

2.2 铌元素的主要作用

Nb的完全固溶温度较高，且Nb原子比铁原子尺寸大，Nb在钢中可以形成NbC或NbN等间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止作用，从而大大增加了再结晶的时间和奥氏体再结晶温度，从而通过细化奥氏体晶粒来达到提高强度的目的[2]。微量的Nb可以使钢材得到较好的综合性能，但当Nb含量大于0.03%时，多余的Nb对钢的强化作用不明显或不再有强化作用。

3 试验过程

一直以来，达钢均是采用单一的钒微合金化工艺生产建筑钢筋，但近期随着钒氮合金的价格一路走高，且出现了供不应求的现象。本次攻关试验在HRB400小规模上进行(3炉)试验，炼钢工序在最大限度增C、增Mn的基础上，配加不同种类的合金元素，结合轧制过程采用控冷工艺，确保钢筋的金相组织主要为铁素体加珠光体，基本上不出现回火马氏体组织的要求的前提下，最终达到试验钢筋合格且合金成本较低的目的。

3.1 HRB400试验钢的成分设计

为降低合金成本，采用全铌和钒铌复合工艺的试验方案。成分设计见表1。

3.2 试验数据

全铌试验钢化学成分见表2。

钒铌复合工艺试验钢化学成分见表3。

表1 成分设计(质量分数，%)

表2 全铌工艺钢水成分(质量分数，%)

表3 钒铌复合工艺钢水成分(质量分数，%)

3.3 轧钢工序控制

一般情况下，加热温度控制为1100～1250 ℃，开轧温度1050 ～1150 ℃, 终轧温度1050 ～1160 ℃，轧后采用控制冷却工艺，可改善钢筋表面质量，上冷床温度950～980 ℃左右。控制冷却工艺参数：总管水压1.5～1.65 MPa，各线控制阀开启度50%～70%，轧制速度为11.0～14.0 m/s。

3.4 物理性能及金相组织

采用全铌铁工艺的钢筋的力学性能及金相组织见表4。从表4看出，屈服强度平均为470 MPa，抗拉强度平均为646 MPa，虽均达到国家标准要求，但此3炉试验钢存在屈服不明显的问题，有30%的试样屈服平台不明显，有两根试样无屈服。同时部分炉次的金相组织中含贝氏体组织，含量达到20%-30%(60586炉次的金相图见图1、2)。

表4 全铌铁工艺的钢筋的力学性能及金相组织(φ16 mm)

图1 60586炉二分之一半径

图2 60586炉边缘

采用钒铌复合工艺的钢筋的力学性能及金相组织见表5。从表5看出，屈服强度平均为460 MPa，抗拉强度平均为630 MPa，且有屈服的平台，金相组织均为铁素体+珠光体(60583炉见图3和图4)，全部达到国家标准要求。

4 结语

(1)铌对钢材具有较好的强化效果，能显著提高钢筋的抗拉强度，间接增加了抗震钢筋要求的强屈比指标。

(2)铌微合金化后，钢材的组织中很容易出现贝氏体组织，会导致屈服不明显甚至无屈服的现象。特别是小规格钢筋(Ф16 mm及以下)，由于冷却速度过快，表面更容易出现贝氏体。

(3)钒铌复合微合金化，V充分地溶解到钢水中，钢筋的屈服、抗拉性能均有提升，适当加入的Nb，不仅能起到细化晶粒，提高强度的作用，还能替代钒氮合金的用量，从而达到降低合金成本的目的。

(4)摸索和掌握炼钢微合金种类和合金量，与轧钢实施有效的控温控轧手段相结合，是后继炼、轧工序工作的重点，也是降低生产成本的有效方法。

表5 钒铌复合工艺的钢筋的力学性能及金相组织(φ16 mm)

图3 60583炉中心 图4 60583炉边缘