TI微合金化的HRB400E抗震钢筋生产技术开发

TI微合金化的HRB400E抗震钢筋生产技术开发

王哲、蒋伟、仇宇佳

（江苏永钢集团技术中心，江苏 张家港 215628）

摘要：建筑用钢400MPa以上高强钢筋，采用NbV复合微合金化工艺，在现有装备条件下，也已经达到极限。微合金化的三种元素：Nb、V、Ti， 均能起到细晶强化和析出强化作用。Ti价格比Nb、V要低很多，因此，结合企业实际开发新型低成本的400MPa级钢筋将显得非常迫切，具有巨大的经济价值和社会效益。通过实施Ti微合金化生产工艺，代替了原有的成本较高的 NbV复合微合金化工艺，充分发挥了Ti的沉淀、析出强化作用。经过 Ti 微合金化工艺生产的 HＲB400E 热轧带肋钢筋具有良好的微观组织形态，晶粒度达到了 10 级以上，钢筋力学性能各项指标稳定，完全满足国标要求。

关键字：Ti微合金化；析出强化；力学性能；NbV复合；生产技术开发

1引言

Ti作为地壳中分布最广的元素之一，但在建筑用钢中的应用较少，采用常规工艺制备TI微特高强度钢，其力学特性不稳定，其根本原因在于：一是轧制时，其各方向上的温度起伏很大。同时，由于TI活性高，容易与其他杂质元素如氧、硫、氮等进行复合，无法发挥析出增强的效果，也无法进一步细化钢材的组织结构，致使钢材中氧、硫、氮等元素的变化会引起钢材中的化学组成发生变化，进而引起制品的各项性能变化。因此，许多国产厂商曾试图采用，但大多无功而返。我国现有400MPa及更高强度的钢筋均采用添加铌、钒等微量合金化的方法。该工艺因加入高价的微合金成分而使其制备成本更高，而用于400MPa及更高强度钢材的铌钒微合金化，其盈利能力正在不断缩小。由于TI是一种低成本的微量合金化材料，其价格远低于 Nb、 V，故发展低成本、低成本的高性能400MPa钢十分必要，其经济效益与社会意义重大。

图1 Nb、V和Ti在钢中的存在状态及对组织和性能影响

目前我公司经过多次Ti微合金化试验生产，已掌握了Ti微合金化在400MPa级钢筋上使用基本原理和操作技巧，积累了大量的试验数据和时间经验，研究了Ti微合金化成分对组织和性能的影响，确定了Ti微合金化螺纹钢析出强化机理以及Ti微合金化螺纹钢冶炼工艺和轧制工艺，在400MPa钢筋微合金化方面成功应用，相关的专利也已经在申请，作为公司的一种技术储备。经过之前在直螺上试验结果，目前已经在盘螺上进行试验，用以取代NbV复合元素，降低生产成本。在同行业中，属于为数不多的掌握Ti微合金化的企业。

2 Ti微合金化热轧带肋钢筋生产工艺

在钢材中掺入少量Ti，不仅可以提高钢材的冷成形能力，而且还可以提高钢材的强度。Ti不仅具有显著的析出增强作用，而且具有增强的作用。Ti易与氧，硫，碳，氮等反应生成化合物。由于Ti与氧具有较高的结合能力，Ti在钢水中的析出会导致Ti元素的浓度下降，从而影响后续Ti的析出与细化。采用微合金化和控轧控冷相结合，使强度在大幅度提高的同时又能保持良好的韧性。两个技术手段应用特点如下：

（1）微合金化

根据微合金元素的细晶强化、沉淀析出强化作用，在钢坯中添加Ti微合金元素，利用Ti化合物熔点高的特点使其在加热和轧制过程中集聚在晶界以阻止奥氏体晶粒长大，从而达到细晶强化的作用。利用Ti化合物在相变过程中沉淀析出后弥散分布在组织内部，在应变过程中起到位错塞积从而提高强度的作用。

（2）控轧控冷

借助我司的先进轧制、冷却设备，首先在加热时控制加热温度在合理的水平，既使微合金元素充分溶解又避免原始奥氏体晶粒过度粗化，在粗中轧阶段控制轧件在奥氏体未再结晶区进行大变形量轧制，在轧后采用适度冷却，避免晶粒长大，小规格钢筋在冷床实行保温措施，保证含氮化合物的充分析出。

2.1试验流程

使用螺纹钢筋普遍使用的设备和工艺． 生产流程如图2所示，转炉钢水出钢后加入加入硅铁、硅锰进行脱氧合金化， 钢包进入吹氩站使用稀土合金线和进行成分微调Ti含量成分。钢包转运全程钢包加盖、采用氩封保护浇铸，开启长水口、浸入式水口氩封护，区别于常规含Nb钢坯冶炼的全新的顶渣设计、保护浇铸方式，低拉速控制。按照拉速在2.5m/min±0.2的速度减少钢水转移和浇注过程中的温度损失，实现全程低温操作、确保钢水的洁净度．

图2 生产流程

钢坯成分其中C质量分数控制在 0. 21%～ 0. 25% ，硅质量分数控制在0. 4%～0. 5% ，锰质量分数控制在 1. 15%～1. 35% ，磷、硫质量分数均控制在 0. 045% 以下．控制如表1所示

表1 化学成分

将符合化学成分要求的钢坯放置到加热炉加热炉，各段加热能力及轧件温度控制如表3 所示。采用平立交替6架粗轧、6 架中轧、

6 架精轧模式的 18 架连轧机组。粗轧后进行预穿水，穿水压力 0. 4～0. 7 MPa。步进式冷床针对不同规格采取差异化的冷却速率确保钢筋组织的均匀和性能的稳定。

经过多次试验，含Ti钢坯轧制工艺和目前在用的含Nb钢坯轧制工艺有差异。

①利用Ti化合物熔点高的特点使其在加热和轧制过程中集聚在晶界以阻止奥氏体晶粒长大，从而达到细晶强化的作用。

②利用Ti化合物在相变过程中沉淀析出后弥散分布在组织内部，在应变过程中起到位错塞积从而提高强度的作用。

确定了Ti微合金化螺纹钢析出强化机理以及Ti微合金化螺纹钢冶炼工艺和轧制工艺。为使Ti元素（0.020-0.025%）发挥最大作用，保证钢筋力学性能，加热炉均热段、轧制过程必须采用较低的温度轧制。

表2 轧制过程温度控制

3 Ti微合金化热轧带肋钢筋试验结果

3.1力学性能

对Ti 微合金化生产的规格为 Φ16 mm 和 Φ32 mm 的 HRB400E 热轧带肋钢筋的力学性能进行检测分析，统计结果如表3。力学性能各项指标均满足内控要求，高于国标。

3.2 Ti微合金化工艺和铌钒复合体系力学性能对比

Ti微合金化成品屈服强度与铌钒复合体系微合金化成品基本一致，抗拉强度明显优于 Nb + Ti 微合金化成品．

3.3 TiN析出的热力学分析

TiN可起到晶粒细化的作用，形成的TiN细化初始奥氏体晶粒，在加热时阻止晶粒长大，可改善钢筋的焊接性和韧性。

TiC可起到沉淀强化的作用，它由Ti和碳结合生成。超出Ti/N理想化学配比的Ti固溶在钢中或以细小TiC质点形式析出，起到沉淀强化的作用。

在Ti微合金化钢筋中， Ti/N含量略低于理想比例时，其组织结构得到了最好的细化；氮化Ti粒子具有最小的粒度。由于在合适的含氮量下，Ti元素的加入量略低于理想比例，可以抑制Ti元素在基体中的溶解，从而减小了对粒子生长所必须的元素的扩散流量；因此，阻止了氮化钛的生长。但在较低的 Ti/N含量下，由于 Ti含量较低，且在较高温度下， TiN相含量较低，难以抑制奥氏体晶粒生长。但当 Ti/N太高时，Ti在合金中大量溶解，在钢水中只有极小尺寸的 TiN粒子，无法抑制奥氏体晶粒的生长。而增强基质则使材料的塑性下降。

3.4 金相组织

金相，组织均为F+P，晶粒度级别9.5，符合国标要求。

边部  1/2半径

心部

4 结论

Ti微合金化钢筋在表面尺寸、力学性能、工艺性能等方面的要求与常规GB1499.2钢筋相同，微合金化的方式不同，和传统的含Nb钢筋火这含V钢筋不同。

（1）确定了Ti微合金化螺纹钢析出强化机理以及Ti微合金化螺纹钢冶炼工艺和轧制工艺。

（2）采用Ti微合金化方式，根据Ti的强化方式，利用炼钢充分脱氧后保护浇注的前提下稳定Ti的收得率，从而得到含量适宜的Ti元素

（3）再根据控轧控冷的原理提供合适的耐蚀钢筋轧制工艺。为使Ti元素发挥最大作用，保证钢筋力学性能，加热炉均热段、轧制过程必须采用较低的温度轧制。

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