一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋及其生產方法
2023-09-27 05:49:20
專利名稱：一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋及其生產方法
技術領域：
本發明涉及一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋及其生產方法，特別是一種屈服強度在600MPa以上的建築用含釩高強熱軋鋼筋及其生產方法，屬於冶金煉鋼和加工技術領域。
背景技術：
2010年，我國生產鋼材約80000萬噸，其中鋼筋約13000萬噸，在國民經濟發展中佔據重大作用。熱軋鋼筋是鋼筋混凝土建築結構的主要增強材料，隨著高層、大跨度、抗震、 耐低溫、耐火等多功能建築結構的出現，要求鋼筋具有更高的強度、韌性和較好的可焊性等綜合性能。現在一些高層建築、立交橋、地下管樁、核電站、大型水利工程、高速鐵路、大跨度建築工程和地下防空工程等需要強度更高的590MPA以上鋼筋。目前，國標混凝土鋼筋最高級別為HRB500(E)，冶煉時在20MnSi的基礎上增加Nb、Ti、V等合金元素，是熱軋低合金鋼， 顯微組織主要為鐵素體和珠光體，但在500MPa上再增加強度變得困難，主要原因是冶煉時增氮固氮困難，軋制時形成大量固溶物、碳化物、氮化物和碳氮化物困難；而國標預應力混凝土鋼筋最低級別為 PSB785，一般為 28Mn2V、45SiMnV、45Si2Cr、40Si2MnV 和 45Si2MnTi，是中碳精軋中合金鋼筋，顯微組織主要為鐵素體和貝氏體，需要軋後進行回火處理。故590MPa 以上鋼筋通常採用PSB785鋼筋，造成合金消耗大、成本高、工藝複雜且能源消耗量大，同時由於碳當量高，只能採用機械連接不可焊接，造成連接成本上升。
發明內容
本發明的目的是提供一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋及其生產方法，該方法生產出高強度、可焊性和機械連接性能均十分良好的600MPa級含釩高強熱軋鋼筋，具有鐵素體和珠光體的復相組織，其中珠光體體積百分含量為25%-50%，通過控制復相組織中各相的體積百分含量及晶粒大小，可獲得良好的強韌性配合和可焊性，解決背景技術存在的上述問題。本發的技術方案
一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋的生產方法，包含煉鋼工序和軋制工序，煉鋼工序在 20MnSi的基礎上增加釩和氮，包含如下工藝步驟①增釩轉爐和精煉採用釩渣合金化增釩以及採用釩鐵和氮化釩鐵增釩，轉爐進行成分粗調，精煉進行成分微調；②增氮固氮轉爐和精煉採用氮化錳、氮化矽、氮化矽錳合金和氮化釩鐵增氮固氮，全程軟吹氮氣增氮；通過上述步驟，控制鋼中各成分的質量百分比為0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si, 1. 35 1. 55%Mn, 0. 08 0. 12%V, 0. 005 0. 04%N,彡 0. 040%S,彡 0. 040%P,其餘為 Fe 及不可避免的不純物；軋制工序採用控軋控冷和低溫大壓下技術，軋制時鋼坯開軋溫度按970 1150°C 範圍控制，保證鑄坯加熱時釩均勻分布，精軋按850 970°C範圍控制且總壓下量彡50% ；保證晶界析出細小可控的碳化物、氮化物和碳氮化物，起到釘扎作用阻止晶粒長大，最終實現細晶強化、固溶強化和沉澱析出強化作用從而得到理想的微觀組織和優異的力學性能。
添加釩的目的是為了採用釩微合金化的機理，利用釩的細晶強化和沉澱固溶及析出強化作用來提高鋼筋的強度；氮含量的控制主要是利用氮元素的強化作用以及氮與釩等結合生成氮化物或碳氮化物實現強度的提高。所說的煉鋼工序，包括如下流程轉爐、LF精煉、連鑄；所說的軋鋼工序包括如下流程棒材機組軋制、冷卻、剪切。一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋，採用如下成分的鋼坯軋制而成，鋼中各成分的質量百分比為0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si，l. 35 1. 55%Μη，0· 08 0. 12%V,0. 005 0. 04%N, ^ 0. 040%S, ^ 0. 040%P，其餘為Fe及不可避免的不純物。鋼的冶煉採用如下工藝步驟①增釩轉爐和精煉採用釩渣合金化增釩以及採用釩鐵和氮化釩鐵增釩，轉爐進行成分粗調，精煉進行成分微調；②增氮固氮轉爐和精煉採用氮化錳、氮化矽、氮化矽錳合金和氮化釩鐵增氮固氮，全程軟吹氮氣增氮。同時採用如下的軋制工藝促進增釩工藝中的游離釩與增氮中的游離氮反應形成氮化物或碳氮化物也起到固氮作用；同時固氮作用可以有效緩解游離氮產生的時效現象。軋制過程採用控軋控冷和低溫大壓下技術，軋制時鋼坯開軋溫度按970 1150°C 範圍控制，保證鑄坯加熱時釩均勻分布，精軋按850 970°C範圍控制且總壓下量彡50% ；保證晶界析出細小可控的碳化物、氮化物和碳氮化物，起到釘扎作用阻止晶粒長大，最終實現細晶強化、固溶強化和沉澱析出強化作用從而得到理想的微觀組織和優異的力學性能。本發明增加釩和氮的理論基礎如下
1)釩強化機理釩是位於元素周期表第四周期第VB族的過度族金屬元素，是強的碳化物和氮化物形成元素，具有低等的細晶強化和高等的沉澱析出強化作用，釩在鋼中主要以氮化釩、碳化釩和碳氮化釩和固溶釩形式存在。釩微合金化鋼的強韌化機理主要是靠晶粒細化、沉澱析出強化和固溶強化實現的。高強鋼中通過增氮來優化V(C，N)鐵素體中的析出強化作用，因為富氮的V(C，N)的優先析出對於鐵素體的強化十分有效。對V :N比為4:1 的含釩鋼，每增加0.001%的N可提高強度7MPa，而游離釩只提高約2 MPa0在釩氮微合金鋼中，析出強度可達250 300MPa。低氮釩鋼中，約36%釩形成碳氮化釩；高氮釩鋼中，約 70%的釩析出形成碳氮化釩，其它為固溶釩。當鋼中的氮含量較低時，幾乎可以肯定添加V 沒有作用，發現要充分利用V的析出強化作用，必須增加氮含量，而且通過對氮含量的調整可有效控制析出物的數量實現強度保持在一定範圍。2)氮強化機理在有氮化物形成元素存在的條件下，鋼在高溫下溶入的氮，在室溫下可以存留下來起到固溶強化作用，微合金鋼中，氮元素的固溶強化係數約為3750比錳的 37和矽的83高很多，故添加氮相比是最經濟的。對氮的強化主要考慮如何增氮固氮，對此， 採用上述增氮固氮工藝可有效利用氮來實現強度提高的目的。當V/N=7、時，對形變時效的抑制效果最佳，故可通過控制釩氮比例有效控制時效現象。3)軋制強化機理軋制工藝引起強度的變化主要體現在晶粒度的變化和相體積百分比的變化。晶粒細化既可提高強度也可提高韌性，可獲得強韌性優異的性能，一般每提高晶粒度1級可提高強度15 35MPa。珠光體是強度較高的組織，鐵素體是塑韌性較好的組織， 在鐵素體和珠光體的復相組織中，每提高1%的珠光體體積百分含量可提高強度5MPa。採用控制軋制和控制冷卻技術來限定開軋溫度和精軋溫度是為了獲得所需要的復相組織，採用低溫大壓下技術保證精軋壓下量>45%可促使鐵素體形變誘導相變，增加位錯密度和細化晶粒來提高強度。故通過控軋控冷和低溫大壓下技術可有效實現對晶粒度和相比例的控制，從而實現對強度的控制。本發明的特點是在20MnSi的基礎上添加V，同時調整氮含量，採用控軋控冷工藝和低溫大壓下技術改變碳化物、氮化物或碳氮化物析出量、尺寸等來控制各相的比例、形態、大小及分布，增加固溶和沉澱析出強化以及細晶強化作用，從而實現強度的提高，性能的改善；同時氮以固氮形式加入，可保證氮化物和碳氮化物的生成和穩定性；並有效防止氮的時效引起的強度下降。採用本發明生產的600MPa級含釩高強熱軋鋼筋，由於強度提高，可以節省鋼材， 降低排筋密度，降低建造成本，或增加結構的強度，加大安全儲備量；由於其屈服強度在 600MPa級，填補了 HRB500和PSB785間無對應強度級別鋼筋的空白，有利於資源的合理均衡應用；其顯微組織為鐵素體和珠光體，提高了熱軋混凝土鋼筋的強度級別；相比預應力混凝土鋼筋，減少了回火處理和合金料消耗，降低了成本，節約了資源。
具體實施例方式以下結合實施例，對本發明作進一步說明。在實施例中，本發明採用的工藝流程100噸轉爐提釩、100噸轉爐冶煉、LF精煉、 方坯連鑄、均熱、高壓水除磷、棒材機組軋制、輕穿水、冷床自然冷卻、剪切。本發明的600MPa 級含釩高強熱軋鋼筋，鋼中各成分的質量百分比為0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si， 1. 35 1. 55%Mn, 0. 08 0. 12%V, 0. 005 0. 04%N,彡 0. 040%S,彡 0. 040%P,其餘為 Fe 及不可避免的不純物。轉爐和精煉採用釩渣合金化、釩鐵和氮化釩鐵增釩；採用氮化錳、氮化矽、 氮化矽錳合金和氮化釩鐵增氮固氮以及全程軟吹氮氣增氮；轉爐進行成分粗調，精煉進行成分微調。採用控軋控冷和低溫大壓下技術，軋制時鋼坯開軋溫度按970 1150°C範圍控制；精軋按850 970°C範圍控制且總壓下量彡50%。實施例1
鋼中各成分的質量百分比為0. 23%C，0. 42%Si, 1. 42%Mn,0. 091%V，0. 0137%N,0. 021%S, 0. 030%P,其餘為Fe及不可避免的不純物。100噸轉爐提釩、100轉爐和LF精煉過程進行釩渣合金化和添加氮化釩合金、全程吹氮氣、鋼坯連鑄、均熱、高壓水除磷、棒材機組軋制(開軋溫度990°C、精軋溫度910°C)、輕穿水、冷床自然冷卻、剪切。所得鋼筋的力學性能、成形性能及顯微組織見表1。
表1本發明實施例1性能及顯微組織
權利要求
1.一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋的生產方法，包含煉鋼工序和軋制工序，其特徵在於煉鋼工序在20MnSi的基礎上增加釩和氮，包含如下工藝步驟①增釩轉爐和精煉採用釩渣合金化增釩以及採用釩鐵和氮化釩鐵增釩，轉爐進行成分粗調，精煉進行成分微調； ②增氮固氮轉爐和精煉採用氮化錳、氮化矽、氮化矽錳合金和氮化釩鐵增氮固氮，全程軟吹氮氣增氮；通過上述步驟，控制鋼中各成分的質量百分比為0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si, 1. 35 1. 55%Μη，0· 08 0. 12%V,0. 005 0. 04%N,彡 0. 040%S,彡 0. 040%P,其餘為Fe及不可避免的不純物；軋制工序軋制時鋼坯開軋溫度按970 1150°C範圍控制，保證鑄坯加熱時釩均勻分布，精軋按850 970°C範圍控制且總壓下量> 50%。
2.根據權利要求1所述之一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋的生產方法，其特徵在於 所說的煉鋼工序，包括如下流程轉爐、LF精煉、連鑄；所說的軋鋼工序包括如下流程棒材機組軋制、冷卻、剪切。
3.—種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋，其特徵在於採用如下成分的鋼坯軋制而成，鋼中各成分的質量百分比為0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si, 1. 35 1. 55%Μη，0· 08 0. 12%V, 0. 005 0. 04%N, ^ 0. 040%S, ^ 0. 040%P，其餘為Fe及不可避免的不純物。
4.根據權利要求3所述之一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋的生產方法，其特徵在於鋼的冶煉採用如下工藝步驟①增釩轉爐和精煉採用釩渣合金化增釩以及採用釩鐵和氮化釩鐵增釩，轉爐進行成分粗調，精煉進行成分微調；②增氮固氮轉爐和精煉採用氮化錳、 氮化矽、氮化矽錳合金和氮化釩鐵增氮固氮，全程軟吹氮氣增氮。
5.根據權利要求3或4所述之一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋的生產方法，其特徵在於軋制時鋼坯開軋溫度按970 1150°C範圍控制，保證鑄坯加熱時釩均勻分布，精軋按 850 970°C範圍控制且總壓下量彡50%。
全文摘要
本發明涉及一種600MPa級含釩高強熱軋鋼筋及其生產方法，屬於冶金煉鋼和加工技術領域，術方案是製備該鋼筋的成分質量百分比為0.21～0.25%C，0.35～0.60%Si，1.35～1.55%Mn，0.08～0.12%V，0.005～0.04%N，≤0.040%S，≤0.040%P，其餘為Fe及不可避免的不純物；在冶煉過程採取增釩、增氮和固氮工藝，軋制過程採取降低開軋溫度和精軋溫度來保證低溫大壓下實現細晶、固溶和沉澱析出強化來提高強度；該熱軋鋼筋具有鐵素體和珠光體復相組織，珠光體佔25～50%，控制各相比例、形態及大小，可獲得良好強韌性配合。
文檔編號C22C33/04GK102383033SQ20111035019
公開日2012年3月21日 申請日期2011年11月8日 優先權日2011年11月8日
發明者國富興, 張俊粉, 張興利, 田鵬, 白瑞國, 韓春良, 高海 申請人:河北鋼鐵股份有限公司承德分公司