CN110951953B - 一种hrb500e钢筋及其钒氮微合金化工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种HRB500E钢筋及其钒氮微合金化工艺，属于钢筋轧制技术领域，制备过程为：制备钢坯；钢坯加热；轧制；后处理。钢坯中以质量百分比计，包括0.11‑0.25％的C、0.34‑0.80％的Si、≦1.10％的Mn、≦0.045％的P、≦0.045％的S、≦0.08的Ti、≦0.12％的Ni、0.03‑0.07％的V、0.004‑0.015％的N；余量为Fe及杂质；且Ceq≦0.44％；后处理具体方法为：将轧制成型的钢筋加热至300‑500℃，保温1000‑3600s，然后冷却至室温。最终得到的HRB500E钢筋具有高强度、高断裂伸长率，且具有较高的韧性。
Description
技术领域
本发明属于钢筋轧制技术领域，具体涉及一种HRB500E钢筋及其钒氮微合金化工艺。
背景技术
HRB500是在国标GB1499.2-2018《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》里提出的概念，指在其各项性能中，屈服强度不低于500MPa，而HRB500E钢筋是指热轧带肋钢筋，特指具有一定抗震能力的钢筋，与普通的钢筋相比，HRB500E具有更高的强屈比、屈屈比和最大力总伸长率，因此强度和塑韧性更强，在遭遇地震等自然灾害时，能够将钢筋从变形到断裂的时间拉长，为人们争取更长的逃生时间。由此可见HRB500E钢筋的塑韧性是一项重要的性能参数，对此，研究人员也进行了大量的研究。
中国发明专利申请CN102876968A(一种高强抗震HRB500E热轧带肋钢筋的生产工艺及其钢筋)公开了一种HRB500E钢筋的生产工艺，优化了钢筋的化学成分，并调整了轧制前的加热工艺，对于制得了公称直径为40mm的钢筋成品。通过化学成分的优化设计，对钢筋进行了微合金化处理；调整轧制前的加热工艺，能够充分发挥V-N合金在钢中的沉淀强化、细化晶粒作用，最终提高了钢筋的屈服强度、韧性、抗拉强度等，具有高强抗震性能。中国发明专利申请CN103225043A(一种HRB500、HRB500E盘螺生产工艺)中，钢筋的生产工艺流程包括：首先，采用三段式加热方式对钢坯进行加热，钢坯采用V或VN微合金化，一段加热温度为800-950℃，二段加热温度为950-1100℃，三段即均热段温度为950-1050℃；然后进行控温轧制，开轧温度950-1050℃，进精轧温度控制在850-930℃，终轧速度控制在27-100m/s；随后是控温冷却，吐丝温度为820-870℃，冷却速率为8-25℃/s，中冷温度为650-680℃，然后冷却。随后对成型后的钢筋进行集卷、检验和打包。中国发明专利申请CN106399855A(HRB500E带肋钢筋棒材及其生产工艺)优化了钢筋的化学元素组成，采用转炉冶炼、LF炉精炼、小方坯连铸工序，冶炼出复合要求的钢坯，钢坯进行加热、粗中轧、预精轧及精轧最终得成品。采用钒铬铜复合添加技术，开轧温度低、强屈比稳定性明显提高。中国发明专利申请CN108913999A(一种Ф36-40mmHRB500E螺纹钢筋的生产方法)首先将铁水、废钢以及渣料加入转炉冶炼后，将钢水脱氧合金化，然后在LF精炼炉中精炼后连铸，钢坯压制后即得成品。通过对钢筋中化学元素尤其是VN的含量进行调节和控制，以及调整生产构成温度等参数，最终得到了力学性能和稳定性好的成品钢筋。中国发明专利申请CN109554613A(一种HRB500E高强度抗震钢筋的生产方法)首先制备钢坯，优选钢坯的化学组成，并调整轧制工艺，得到了高强度的抗震钢筋。
然而上述专利中在钢筋的制备过程中，钢筋轧制完成后直接进行冷却，而轧制过程中的温度往往较高，直接冷却往往会在钢筋内部产生应力集中，进而降低钢筋的断裂强度和韧性，难以满足建筑物的实际需求。
发明内容
本发明欲解决的技术问题是现有技术中HRB500E钢筋的生产工艺易导致钢筋内部产生应力集中，进而降低钢筋的断裂强度和韧性的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种HRB500E钢筋钒氮为合金化生产工艺，具体包括如下步骤：
(1)制备钢坯；(2)钢坯加热；(3)轧制；(4)后处理；
所述钢坯中，以质量百分比计，包括0.11-0.25％的C、0.34-0.80％的Si、≦1.10％的Mn、≦0.045％的P、≦0.045％的S、≦0.08的Ti、≦0.12％的Ni、0.03-0.07％的V、0.004-0.015％的N；余量为Fe及杂质；且Ceq≦0.44％；
本发明中钢筋的化学元素组成中，C元素是最主要的元素，主要起到提高钢筋材料强度的作用，随着C含量的增加，刚才的屈服强度、抗拉强度随之增大，但是伸长率、弯曲强度和防锈蚀性能逐渐下降，对于钢筋材料而言，需要具有较好的弯曲性能和较高的伸长率，因此C含量不能过高，本发明的C含量限定为0.11-0.25％之间。
Si加入钢筋中作为脱氧剂，可使钢筋的内部组织更加均匀、晶粒更加细小，进而提高钢筋的强度，但是较高含量的Si会使钢筋脆性变大，本发明中的Si含量为0.34-0.80％之间。Mn与Si的作用类似，Mn可作为弱脱氧剂，强化钢筋组织的均匀性，提高钢筋的强度，过量的Mn会导致钢筋变脆，因此本发明限定Mn含量≦1.10％。
P和S通常被认为是钢材中的有害元素，对本发明的HRB500E钢筋亦是如此，P和S的存在会增加钢材冷脆性，导致其焊接性能和冷弯性能变坏，且会降低钢的强度，因此本发明要求P和S的含量≦0.045％。
Ti元素在钢筋材料中，在热处理过程中，首先与C元素结合形成碳化钛，能够预防晶间腐蚀，使钢筋内部组织更加致密均匀，并能改善焊接性能。但是过量的Ti会使钢筋的表面质量降低，因此本发明限定Ti的含量≦0.08％。
Ni不会与C形成化合物，对钢筋热处理过程中形成稳定的奥氏体具有积极的促进作用，Ni的存在能够提高钢筋的韧性，并能保证钢筋的高强度和塑性，但是Ni元素较为稀缺，成本高，因此本发明限定Ni的含量≦0.12％。
V和N是本发明HRB500E钢筋制备过程钒氮微合金化的重要元素，V是性能优异的脱氧剂，V的存在能够显著提高钢筋的强度和韧性；N能够提高钢筋的强度、低温韧性和焊接性能。在HRB500E钢筋中同时加入V和N元素，V和N能够发生微合金化，起到细化晶粒的作用，以提高钢筋的屈服和抗拉强度，同时V和N元素还能分别与C形成化合物，提高钢筋的耐腐蚀性。而V和N微合金化过程中需要控制用量，任一种元素量过多或过少均会弱化微合金化的作用，进而导致钢筋性能变差，因此本发明限定V的含量为0.03-0.07％，N的含量为0.004-0.015％。
所述步骤(4)中，包括如下步骤：将轧制成型的钢筋加热至300-500℃，保温30-3600s，然后冷却至室温。这一步为钢筋后处理，已加工成型的钢筋经过轧制后冷却会使钢筋组织中存在应力集中，降低钢筋的韧性。对钢筋进行中温回火后处理，并限制加热温度和保温时间，能够显著消除应力集中问题，提高钢筋的韧性。
进一步地，所述步骤(4)中，将轧制成型的钢筋加热至350-400℃，保温1500-3000s，然后冷却至室温。
进一步地，所述加热速度为20-60℃/s。
进一步地，所述冷却速度为20-100℃/s。
进一步地，所述步骤(2)中，钢坯加热在转炉或电弧炉中进行。
进一步地，所述步骤(2)中，钢坯的加热分为三步，第一步加热温度为850-950℃；第二步加热温度为1000-1100℃；第三步加热温度为1150-1250℃。
进一步地，所述第一步保温时间为10-30min；所述第二步保温时间为30-80min；所述第三步保温时间为10-30min。
进一步地，所述步骤(3)中的轧制过程包括粗轧和精轧。
本发明同时要求保护一种HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺得到的HRB500E钢筋。
进一步地，所述HRB500E钢筋的公称直径为6-10mm。
本发明优化了钢筋的化学元素组成，设计元素钒和氮的含量，在钢坯的加热步骤中，采用三步加热处理，进行钒氮微合金化处理，充分发挥钒氮微合金化为钢筋带来的高强度和高韧性；同时在钢筋轧制完成后，进行低温回火处理，消除钢筋内部的应力集中问题，进一步提高了钢筋的韧性。
与现有技术相比，本发明的HRB500E钢筋及其钒氮微合金化生产工艺具有如下优点：
(1)生产工艺简单。
(2)制备工艺与传统HRB500E钢筋的制备工艺基本相同，无需额外购置生产设备，生产成本低。
(3)最终得到的HRB500E钢筋产品不仅具有较高的强度，断裂伸长率等，还具有较高的韧性。
具体实施方式
下面通过对具体实施例的描述，说明本发明的技术方案。
钢坯中，按质量百分比计，各化学元素的含量如下表1所示，余量为Fe及杂质。分别设置了实施例和对比例。
表1实施例和对比例中钢坯的化学成分(wt％)
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | Ti | Ni | V | N | Ceq(％) |
| 实施例1 | 0.21 | 0.58 | 0.7 | 0.009 | 0.024 | 0.03 | 0.1 | 0.04 | 0.008 | 0.34 |
| 实施例2 | 0.15 | 0.78 | 0.5 | 0.004 | 0.031 | 0.01 | 0.11 | 0.07 | 0.015 | 0.25 |
| 对比例1 | 0.24 | 0.63 | 1.3 | 0.028 | 0.034 | 0.07 | 0.18 | 0.13 | 0.006 | 0.49 |
制备具有上述实施例1和2和对比例1中化学组成的钢坯多件，进行加热、轧制和后处理，得到了1-8#HRB500E钢筋，其中：在表1中实施例1的化学成分下，采用不同的制备工艺，制备出了6件产品，分别记为1-6#HRB500E钢筋；在实施例2的化学成分下，制备出了1件产品，记为7#HRB500E钢筋；在对比例1的化学成分下，制备出了1件产品，记为8#HRB500E钢筋。具体制备工艺如下。
一、1#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为60min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。
最终得1#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
二、2#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为900℃，保温时间为10min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为150℃/s。
最终得2#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
三、3#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为80min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为30min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为100℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。
最终得3#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
四、4#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为60min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为10min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至500℃，保温3600S，加热速度控制为20℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为20℃/s。
最终得4#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
五、5#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为500℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为800℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。
最终得5#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
六、6#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为900℃，保温时间为5min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为10min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为50min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至300℃，保温1500S，加热速度控制为60℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。
最终得6#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
七、7#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例2中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1000℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。
(4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温3000S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为100℃/s。
最终得7#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
八、8#HRB500E钢筋的制备工艺：
(1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中对比例1中给出的化学成分。
(2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：
第一步：加热温度为850℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1000℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1100℃，保温时间为10min。
(3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧，不进行后处理，自然冷却至室温后即得产品。
最终得8#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。
上述各制备工艺中的部分工艺参数如下表2所示。
表2不同HRB500E产品的部分制备工艺参数
注：--表示未进行相应处理。
对上表2得到的1-8#HRB500E钢筋产品进行性能测试：
(1)参照GB/T14992.2018《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》的检测方法，检测钢筋的下屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总延伸率Agt、R°m/Rel和R°el/Rel。
(2)冲击性能测试：在室温条件下，制成尺寸为55mm×10mm×10mm、2mm深U型缺口标准式样，在450J的摆锤冲击试验机上进行。
测试结果如下表3所示。
表3 1-8#HRB500E钢筋产品的性能测试结果
| 产品序号 | Rel(MPa) | Rm(MPa) | A(％) | Agt(％) | R°m/Rel | R°el/Rel | 冲击功(J) |
| 1# | 600 | 785 | 19 | 15 | 1.42 | 1.2 | 75 |
| 2# | 596 | 724 | 19 | 14 | 1.27 | 1.1 | 72 |
| 3# | 587 | 752 | 17 | 15 | 1.38 | 1.2 | 71 |
| 4# | 559 | 784 | 18 | 13 | 1.29 | 1.2 | 68 |
| 5# | 598 | 741 | 17 | 14 | 1.39 | 1.1 | 70 |
| 6# | 562 | 773 | 19 | 11 | 1.33 | 1.1 | 65 |
| 7# | 580 | 760 | 18 | 13 | 1.41 | 1.2 | 73 |
| 8# | 413 | 650 | 15 | 9 | 1.26 | 1.3 | 24 |
结合表2的制备工艺参数和表3的钢筋性能检测结果，可看出，采用本发明的化学元素组成和钒氮微合金化工艺得到的1-7#HRB500E钢筋具有较好的力学性能，完全符合GB/T14992.2018《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》的规定。
同时，对1-7#HRB500E钢筋产品的性能进行对比发现，在本发明优选的化学元素组成下，以及优选的制备工艺参数条件下，制得的1#HRB500E钢筋产品性能最优。在本发明的化学元素组成之外，且不采用本发明的制备工艺方法得到的8#HRB500E钢筋产品性能最差；并且相比于不进行后处理的8#HRB500E钢筋产品，在制备过程中进行中温加热后处理工艺，可看出其冲击韧性得到明显提高。
同时由于本发明的HRB500E钢筋制备过程中基本工艺与传统的HRB500E钢筋制备工艺基本相同，因此可使用传统的生产线，无需额外购置新的设备，生产成本较低，因此工业价值高。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (6)
1.一种HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：包括如下步骤：
（1）制备钢坯；（2）钢坯加热；（3）轧制；（4）后处理；
所述钢坯中，以质量百分比计，包括0.11-0.25%的C、0.34-0.80%的Si、≤1.10%的Mn、≤0.045%的P、≤0.045%的S、≤0.08的Ti、≤0.12%的Ni、0.03-0.07%的V、0.004-0.015%的N；余量为Fe及杂质；且Ceq≤0.44%；
所述步骤（4）中，包括如下步骤：将轧制成型的钢筋加热至300-500℃，保温1000-3600s，然后冷却至室温；步骤（4）中所述加热速度为20-60℃/s；
步骤（4）中所述冷却速度为20-100℃/s；
所述步骤（2）中，钢坯的加热分为三步，第一步加热温度为850-950℃；第二步加热温度为1000-1100℃；第三步加热温度为1150-1250℃；
所述第一步保温时间为10-30min；所述第二步保温时间为30-80min；所述第三步保温时间为10-30min。
2.如权利要求1所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：所述步骤（4）中，将轧制成型的钢筋加热至350-400℃，保温1500-3000s，然后冷却至室温。
3.如权利要求1所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，钢坯加热在转炉或电弧炉中进行。
4.如权利要求1所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：所述步骤（3）中的轧制过程包括粗轧和精轧。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺得到的HRB500E钢筋。
6.如权利要求5所述的HRB500E钢筋，其特征在于：所述HRB500E钢筋的公称直径为6-10mm。
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