梁輝黃文初耿超江洪廣

(1.北京科技大學(xué);2.萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司)

鈦微合金化工藝生產(chǎn) HRB400鋼筋的試驗(yàn)研究

梁輝1,2黃文初2耿超2江洪廣2

(1.北京科技大學(xué);2.萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司)

通過(guò)研究鈦微合金化的強(qiáng)韌化機(jī)理和對(duì)組織、性能影響,分析鈦加入后對(duì) Nb的 (C、N)化物形成的影響,如何促進(jìn)和提高鈮元素的作用;研究計(jì)算鈮、鈦的強(qiáng)度貢獻(xiàn),確定鈮、鈦?zhàn)罴鸭尤肓?研究計(jì)算碳、氮化物的固溶析出溫度,確定加熱爐合適的加熱制度,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)生產(chǎn)取得明顯效果。

鈦微合金化技術(shù) HRB400 研究應(yīng)用

0 前言

HRB400熱軋鋼筋的生產(chǎn)工藝,在 GB1499-1998《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》中要求,可以采用余熱處理工藝、T MCP工藝、微合金化工藝。由于余熱處理工藝生產(chǎn)的鋼筋,表面質(zhì)量和焊接性能還存在一定的不穩(wěn)定性,沒(méi)有被國(guó)內(nèi)市場(chǎng)完全認(rèn)可,因此,在新版的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB1499.2-2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》中對(duì)采用余熱處理工藝生產(chǎn)鋼筋進(jìn)行了限制,可以采用 T MCP工藝和熱軋工藝 --也就是微合金化工藝進(jìn)行生產(chǎn)。對(duì)于 T MCP工藝,由于國(guó)內(nèi)大多數(shù)鋼筋生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備狀況不能滿足該工藝的要求,即使改造也存在較多的問(wèn)題,比如生產(chǎn)線長(zhǎng)度的問(wèn)題等,因此該工藝沒(méi)有在鋼筋生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛推廣應(yīng)用,微合金化工藝生產(chǎn) HRB400熱軋鋼筋,仍然是目前被普遍應(yīng)用的生產(chǎn)工藝。

本課題研究的目的,正是為了在企業(yè)目前的工藝裝備條件下,不進(jìn)行大的投入,采用鈦微合金化工藝開(kāi)發(fā)生產(chǎn)出滿足標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求的 HRB400螺紋鋼筋,從而降低生產(chǎn)成本,提高產(chǎn)品的利潤(rùn)空間,為企業(yè)創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 鈦微合金化的強(qiáng)韌化機(jī)理和對(duì)組織、性能的影響

1.1 鈦微合金化的強(qiáng)韌化機(jī)理

1.1.1 細(xì)晶強(qiáng)化

晶粒細(xì)化是鋼最主要的強(qiáng)化方式之一,普碳鋼中大約一半的強(qiáng)度來(lái)自于它。在低碳錳鋼中,Nb,V,Ti等強(qiáng)碳氮化物形成元素能有效地細(xì)化鐵素體晶粒尺寸,在控制軋制的微合金鋼中微合金元素具有非常明顯的細(xì)化晶粒效果,隨著微合金元素 Nb含量的增加鐵素體晶粒尺寸減小,當(dāng) Nb含量達(dá)到0.035%時(shí),Nb對(duì)鐵素體晶粒的細(xì)化作用減弱,當(dāng)Nb含量達(dá)到0.04%時(shí),鐵素體晶粒尺寸基本不隨著 Nb含量的增加而減小[1];微合金元素 Ti對(duì)鐵素體晶粒尺寸的影響與 Nb具有相同的趨勢(shì),只是細(xì)化效果不如 Nb明顯;同樣鐵素體晶粒尺寸隨著 V含量的增加而減小,但 V對(duì)鐵素體晶粒尺寸的影響不如 Nb,Ti作用強(qiáng)[2]。

1.1.2 沉淀強(qiáng)化

材料通過(guò)基體中分布有細(xì)小彌散的第二相質(zhì)點(diǎn)而產(chǎn)生強(qiáng)化的方法稱為沉淀強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化可以提高 TiN穩(wěn)定性,細(xì)化奧氏體晶粒。氮對(duì)提高 T iN顆粒釘扎奧氏體晶界的效果起關(guān)鍵性作用。當(dāng)鋼中氮含量超過(guò) w(Ti)/w(N)理想配比時(shí),T iN釘扎晶界的作用最有效[3]。增氮使 TiN的穩(wěn)定性提高,減少了 TiN在高溫下的溶解,高溫下未溶的 TiN阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大,細(xì)化奧氏體晶粒,相變后鐵素體晶粒也細(xì)小。微合金鋼的控制軋制和控制冷卻,正是利用了Nb,V,Ti等微合金元素細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化的效應(yīng),獲得了高達(dá)400MPa～600MPa的屈服強(qiáng)度和良好的韌性。

1.2 鈦微合金化對(duì)組織的影響

TiN在鋼中的溶解度很低,只有在1300℃時(shí)開(kāi)始溶解,并且直到液態(tài)都無(wú)法完全溶解,未溶解的TiN在高溫奧氏體化時(shí),顯著提高對(duì)晶粒粗化的抵抗力,有效抑制奧氏體晶粒長(zhǎng)大[4]。微合金高強(qiáng)度鋼中,細(xì)小的 T iN在凝固的早期彌散析出,較低溫度下,Nb(C,N)在已形成的 TiN顆粒上復(fù)合析出,而在更低的溫度條件下,鈮的碳氮化物將形成新的析出相。在高溫形成的大顆粒粒子富鈦而鈮較少,在低溫形成的較小粒子貧鈦而鈮含量較高。鈦因溶解度低成為顆粒粗化的主要控制元素。w(Ti)/w(N)比影響 T iN的穩(wěn)定性,當(dāng)?shù)砍^(guò)理想化學(xué)配比時(shí),TiN的溶解溫度將提高;并且隨 TiN的形成,鈦在奧氏體中的含量減少,從而降低粗化速率。若存在尺寸大于平均晶粒尺寸1.5倍的粗大晶粒,它將長(zhǎng)大且長(zhǎng)大速度隨長(zhǎng)大過(guò)程遞增,導(dǎo)致異常晶粒粗化,穩(wěn)定彌散的析出顆?？勺柚拐＞ЯｉL(zhǎng)大,但不能保證晶粒以異常長(zhǎng)大的方式粗化,在發(fā)生 F→A相變時(shí),奧氏體粗化溫度是加熱速度的函數(shù),溫度降低,轉(zhuǎn)變的 A晶粒尺寸增加,只有 TiN成分的冷卻條件對(duì)晶粒粗化溫度有影響。

1.3 鈦微合金化對(duì)性能的影響

研究表明[5],在其他成分基本相同的情況下,加鈦鋼較不加鈦鋼強(qiáng)度明顯提高,韌脆轉(zhuǎn)變溫度也有一定程度的提高。鈦在鋼中首先形成 T iN,粗大TiN(大于0.5μm)是液態(tài)或鋼液凝固過(guò)程中的析出相,由于 TiN粗大且稀疏分布,不能有效的阻止晶粒長(zhǎng)大,起不到強(qiáng)化作用。鋼液凝固后析出細(xì)小的TiN顆粒很穩(wěn)定,能夠有效地阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,從而細(xì)化組織。隨鈦含量增加,T iN顆粒粗化,細(xì)小TiC的數(shù)量增加,析出強(qiáng)化作用導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度隨鈦含量增加而顯著升高。鈦含量較高時(shí),非共格析出物數(shù)量增加,減弱了析出強(qiáng)化效果,鋼的強(qiáng)度增加趨于平緩。當(dāng)鈦含量小于0.05%時(shí),隨鈦含量的增加,屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度線性增加。

2 鋼中碳氮化物全固溶溫度及強(qiáng)度貢獻(xiàn)計(jì)算

2.1 鋼中鈮碳氮化物全固溶溫度及其均熱溫度計(jì)算

NbC、NbN開(kāi)始析出溫度為1100℃～1120℃,TiC開(kāi)始析出溫度為1050℃。一般坯料加熱溫度略高于按歐文公式計(jì)算的 Nb(C,N)完全溶解溫度,該溫度決定于 NbC的溶度積[6]。由此計(jì)算鋼中鈮含量0.015%～0.025%,其均熱溫度只要控制在1150℃～1180℃即可滿足NbC的固溶析出要求。

2.2 強(qiáng)度貢獻(xiàn)計(jì)算

0.01%Nb的強(qiáng)化作用相當(dāng)于0.02%C的強(qiáng)化作用,按照 NbC在奧氏體中的固溶度積公式 Lg{[Nb]·[C]}r=2.96-7510/T計(jì)算強(qiáng)度貢獻(xiàn)[7]。未加鈦復(fù)合微合金化條件下,碳0.22%鈮0.038%,NbC粒子所產(chǎn)生的總的沉淀強(qiáng)化增量101.8 MPa,實(shí)際生產(chǎn)中 HRB400比 HRB335力學(xué)性能高70 MPa～80 MPa,鈮的強(qiáng)化作用沒(méi)有完全顯現(xiàn)。加鈦復(fù)合微合金化條件下,碳0.22%鈮0.016%,NbC粒子所產(chǎn)生的總的沉淀強(qiáng)化增量61.5MPa,鈮的強(qiáng)化作用基本完全顯現(xiàn)。

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

3.1 工藝流程

鐵水預(yù)處理→40 t轉(zhuǎn)爐冶煉→吹氬→方坯連鑄→熱送熱裝→坯料加熱→除鱗→粗軋→切頭→中軋→切頭尾→精軋→輕穿水→倍尺飛剪→冷床→分段剪→收集→檢驗(yàn)、入庫(kù)。

3.2 第一次試驗(yàn)

由碳氮化物全固溶溫度計(jì)算可知,為使加熱爐溫度降低80℃,鈮含量需要控制在0.025%以下,為此鈮含量控制范圍初步定于0.015%～0.025%,將鈦含量控制范圍定在0.006%～0.020%,在型鋼車(chē)間進(jìn)行了試驗(yàn)。試軋規(guī)格為Φ25mm,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 第一次試驗(yàn)熔煉成分及性能

3.3 第二次試驗(yàn)

重新研究鈦的合理加入量以及對(duì)強(qiáng)度起主要作用的 Si、Mn、Nb的成分控制范圍。微鈦處理鋼鋼中的鈦?zhàn)饔弥饕獮楣潭ǖ?在奧氏體中析出的 T iN粒子由于 Ostwald熟化而長(zhǎng)大,粒子粗化動(dòng)力學(xué)由Wagner等式來(lái)描述:

式中:rt——t時(shí)刻粒子的半徑;

r0——初始粒子半徑;

σ——粒子/基體界面能;

D——奧氏體基體中控制性元素(Ti);

c(Ti)——基體中鈦的濃度;

V——粒子摩爾體積;

R——?dú)怏w常數(shù);

T——絕對(duì)溫度。

上式說(shuō)明,TiN粒子的粗化速率隨著固溶鈦數(shù)量增加而增大,鈦含量高或氮含量高,TiN粒子顯著粗化,w(Ti)/w(N)的理想化學(xué)配比為3.4左右,萊鋼轉(zhuǎn)爐煉鋼鋼中氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.005%～0.006%,因此確定鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.020%～0.025%。并在軋鋼車(chē)間試驗(yàn)生產(chǎn)10爐規(guī)格Φ14mm的 HRB400T,鋼筋性能指標(biāo)良好 (見(jiàn)表2)。

表2 第二次試驗(yàn)性能

3.4 第三次試驗(yàn)

由于 Ti是極容易氧化的元素,窄范圍不容易控制,因此第三次試驗(yàn)放寬鈦含量的控制范圍(0.02%～0.04%),在中小型車(chē)間成功生產(chǎn)5爐規(guī)格Φ25mm的 HRB400T(熔煉成分及性能見(jiàn)表3)。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定順行,產(chǎn)品質(zhì)量良好。

表3 第三次試驗(yàn)熔煉成分及性能

3.5 鈦的加入方式

鈦元素極容易氧化,在煉鋼溫度范圍內(nèi)鈦元素的氧化能力僅次于鋁元素 (如圖1所示)。選擇合適的加入時(shí)機(jī)和加入量有效控制鈦元素的收得率,并使其與鋼中的氮形成穩(wěn)定的 T iN夾雜物起到有益作用。

圖1 溶于鐵液內(nèi)元素的直接氧化標(biāo)準(zhǔn)自由能 (△F°)

鋼中合金元素的加入方式一般為塊狀投入和喂絲兩種,為提高鈦的回收率應(yīng)選擇合理的加入方式以及脫氧劑和合金料的加入順序。萊鋼40 t轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)節(jié)奏和螺紋鋼的生產(chǎn)成本決定著 HRB400T不能走 LF精煉,由于轉(zhuǎn)爐出鋼過(guò)程會(huì)有部分氧化渣進(jìn)入鋼包,如果在吹氬站喂鈦線,鈦元素也會(huì)在進(jìn)入鋼水之前大部分燒損,而使收得率低于50%,因此,鈦的加入方式主要考慮塊狀投入。為防止鋼水過(guò)氧化影響鈦的收得率,需要嚴(yán)格控制終點(diǎn)碳和出鋼溫度,出鋼過(guò)程做好擋渣操作。在脫氧劑和合金料的加入順序上,先將復(fù)合脫氧劑加入包底,在出鋼過(guò)程加入鋇系及合金料,鈦鐵在出鋼后期隨鋼流加入鋼包。采用此種方式鈦的收得率較高,通過(guò)試驗(yàn)其結(jié)果為:最高94%,最低47%,平均72%。

4 結(jié)論

1)鈮鈦微合金化技術(shù)應(yīng)用于 HRB400的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了降低加熱爐溫度的節(jié)能減排目標(biāo)。鈮鈦碳氮化物的固溶析出溫度計(jì)算為加熱爐溫度的確定提供了理論依據(jù),加熱爐溫度降低75℃。

2)強(qiáng)度貢獻(xiàn)計(jì)算對(duì)生產(chǎn)具有良好的指導(dǎo)意義,確定鈮、鈦元素的控制范圍,實(shí)現(xiàn)了熱軋 HRB400合金成本最小化。

3)嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐操作制度,降低鋼水氧化性,通過(guò)合理的脫氧合金化制度,使鈦的回收率達(dá)到平均72%。

4)本技術(shù)實(shí)施對(duì)冶煉工藝過(guò)程控制要求較高,冶煉過(guò)程需避免鋼水過(guò)氧化、放鋼減少下渣、出鋼過(guò)程加強(qiáng)鋼水脫氧、吹氬后立即澆鑄。

[1]張曉鋼,夏殿佩,馮澤民等.低碳錳鋼中鈮 -鈦復(fù)合加人對(duì)沉淀及再結(jié)晶的影響.鋼鐵釩鈦,1991,12(1):35-38.

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[6]雍岐龍,馬鳴圖,吳寶榕.微合金鋼.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989:373.

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TEST AND RESEARCH OF TIMICROALLOYING HRB400 REINFORCED BAR PRODUCTION PROCESS

Lianghui1,2HuangWenchu2Gengchao2Jiang Hongguang2
(1.BeijingUniversity of Science and Technology;2.Laiwu Iron and Steel Group)

Through research of titanium alloymicro-mechanis m and the strengthening and toughening of the organization,perfor mance,analysis of the Nb-Ti after the entry of the(C,N)formation of the impact of how to promote and enhance the role of the element niobium;study calculated Nb,Ti strength of the contribution to determine the Nb,the best amount of titanium;study calculated carbon nitride precipitation of solid solution temperature,to determine the appropriate furnace heating system tested achieved remarkable results in the production.

Titanium micro-alloying technology HRB400 research and application

聯(lián)系人:梁輝,工程師,山東.萊蕪 (271104),萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)研發(fā)中心棒材研究所;

2010—4—27