400MPa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法与流程

本发明公开涉及螺纹钢筋生产的技术领域，尤其涉及一种400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法。

背景技术：

gb/t1499.2-2018《钢筋混凝土用钢第二部分》于2018年11月1日开始正式实施，对钢筋的金相组织提出了要求：“钢筋的金相组织应主要是铁素体加珠光体，基圆上不应出现回火马氏体组织。”余热处理工艺钢筋金相组织存在回火马氏体组织，不符合国标要求，同时其表面氧化铁皮保护层较薄且不够致密，在潮湿环境极易锈蚀，用户不愿意接受，因此，微合金化成为hrb400e发展的必然趋势。

能够产生碳氮化物并有析出强化作用的微合金化元素主要有钒、铌、钛。钛与钢中的o、s、n有很强的结合力，在形成tic之前，tin将首先与钢中的o、s、n等元素行成ti的氧化物、硫化物、氮化物，导致钢中钛含量稳定控制比较困难，钢筋强度大幅度波动，另外，ti的氧化物和硫化物在钢液中形成，tin钢液凝固中形成，容易变成粗大的夹杂物，钛微合金化易堵塞水口，需要精炼和保护浇注，国内只有极少数企业研究和使用。钒微合金化主要采用钒氮合金或钒微合金化技术，含钒钢筋的生产有许多自由度，对生产工艺要求不高，性能稳定，目前世界各国发展高强度可焊接钢筋的主要技术路线，钒氮合金成为螺纹钢微合金化合金的主体，多数企业采用钒微合金化生产400mpa级别螺纹钢筋，但钒合金价格波动较大，原料成本较高，不利于推广使用。铌铁价格相比较为稳定，铌熔点高，有晶粒细化、降低相变转变温度、延迟再结晶以及沉淀强化的作用，可延迟奥氏体向铁素体转变，促进低温组织贝氏体产生的作用；铌微合金化生产螺纹钢筋依靠高温加热、低温控轧和控冷工艺，对工艺和设备要求较高，在现有棒材生产线是难以实现的，改造难度大，力学性能不如钒氮微合金化稳定，存在屈服点不明显下游用户不愿意接受和大规格强度不足问题，还有连铸坯裂纹出现几率高，导致铌微合金化在国内螺纹钢生产企业中难以推广应用。目前国内只有少数企业(如昆钢、永钢)具备铌微合金化生产螺纹钢工艺条件。

因此，如何研发一种新型提高螺纹钢筋强度的生产方法，以解决上述问题，成为国内钢企和科研院所亟待解决的问题。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提供了一种400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法，以至少解决以往铌微合金化导致螺纹钢存在屈服不明显、大规格存在强度不足以及对于工艺装备要求高等问题。

本发明提供的技术方案，具体为，一种400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将铁水转炉炼钢后在钢包中进行合金化、钢包吹氩，包芯线增氮，再次吹氩气后将钢水通过连铸机进行连铸，获得连铸方坯；

2)将连铸方坯在加热炉内加热，然后进行粗轧、中轧、精轧以及冷却后，进行倍尺剪切、冷床冷却以及定尺剪切，获得成品。钢坯加热温度1060-1150℃，开轧温度1000～1100℃，

优选，步骤1)中所述增氮通过采用增氮合金包芯线进行增氮。

进一步优选，步骤1)中所述增氮20-40ppm。

进一步优选，步骤2)中所述粗轧的开轧温度为1000-1100℃。

进一步优选，步骤2)中所述冷却采用穿水冷却，回火温度为940±40℃。

进一步优选，按质量百分比计，所述螺纹钢筋包含以下成分：c0.20-0.25％、si0.40-0.55％、mn1.20-1.45％、p0.040％、s0.040％、nb0.020-0.035％、ceq≤0.50％、铁余量。

本发明提供的一种400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法，在进行合金化后，又进行了增氮处理，使铌氮结合产生碳氮化铌，提高铌的析出强化能力，可进一步提高钢筋强度，进而降低锰、铌元素的加入量，减少贝氏体组织的产生，在节约合金，降低生产成本的同时，还可解决大规格强度不足的问题。

此外，通过增氮处理降低铌含量，可降低加热以及开轧温度，减少燃耗和钢坯氧化烧损。

本发明提供的400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法，具有方法简单、生产成本低、制得的螺纹钢筋性能稳定等优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为公称直径22mm的螺纹钢筋对应的力—位移曲线。

图2为公称直径12mm的螺纹钢筋对应的力—位移曲线。

具体实施方式

下面结合实施方案对本发明进行进一步的解释说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

为了解决以往铌的加入会延迟奥氏体向铁素体转变，促进低温组织贝氏体产生的作用，导致铌微合金化螺纹钢存在屈服不明显、大规格强度不足的问题，以及铌的熔点较高，所需的加热温度和开轧温度较高，导致对工艺装备要求较高的问题。本实施方案提供了一种400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将铁水转炉炼钢后进行合金化、钢包吹氩、包芯线喂丝增氮，再次吹氩，将钢水通过连铸机进行连铸，获得连铸方坯；

2)将连铸方坯送入加热炉内加热，然后进行粗轧、中轧、精轧以及冷却后，进行倍尺剪切、冷床冷却以及定尺剪切，获得成品。加热温度为1060-1150℃，控制开轧温度1000～1100℃。

上述螺纹钢筋，按质量百分比计，包含以下成分：c0.20-0.25％、si0.40-0.55％、mn1.20-1.45％、p0.040％、s0.040％、nb0.020-0.035％、ceq≤0.50％、铁余量。

上述方法生产的螺纹钢筋，产品牌号包括gb/t1499.2中400mpa级别钢筋混凝土用热轧带肋钢筋牌号：hrb400e(抗震钢筋)、hrb400；适用公称直径：10-32mm。

化学成份采用铌氮微合金化(铌铁+增氮合金)，所述钢筋不同公称直径具有下列质量分数的化学成分:

上述实施方案提供的生产方法中，由于铌有延迟组织转变，促进低温贝氏体组织产生的作用，贝氏体组织是导致螺纹钢铌微合金化屈服不明显的主要原因；c、mn、nb是产生贝氏体组织的主要元素，在成份设计时避免同时偏高，通过增氮工艺使铌氮结合产生碳氮化铌，提高铌的析出强化能力，进一步提高强度，可减少锰、铌的加入量，节约合金、减少贝氏体组织产生，解决大规格强度不足问题。

上述的增氮方式优选采用增氮合金包芯线进行增氮，喂线前后均要求吹氩2分钟以上，增氮20-40ppm；增氮合金采用包芯线方式加入，相比块状或粒状增氮，有利于提高氮的回收率和增氮效果。

其中，优选，步骤2)中粗轧的开轧温度为1060-1100℃，所述冷却采用穿水冷却，回火温度为940±40℃。步骤2)中控轧控冷工艺的主要目的是通过控制轧制和控制冷却工艺减少贝氏体组织产生，具体而言，通过控制加热温度和开轧温度，提高铌的固溶度又要避免加热温度过高导致晶粒粗大，甚至产生有害的魏氏体组织；铌的熔点较高，在钢中主要以固溶状态存在，0.03％的nb完全固溶需要的加热温度为1250℃，但加热温度超过1150℃，奥氏体晶粒粗大降低屈服强度。控制加热温度在合适的范围，既提高铌的熔解度，又要避免加热温度过高晶粒粗化，且不需机架间冷却，降低工艺设备的要求。

轧后(相变前)采用穿水快速冷却工艺，控制上冷床回火温度940±40℃(弱冷)。奥氏体向铁素体转变的主要因素包括相变前的奥氏体晶粒度、残余应变和相变过程中的冷却速率，奥氏体晶粒越小，相变越易于发生，铁素体转变温度越高，转变速率越快；通过细化相变前奥氏体晶粒尺寸，促进铁素体转变，保持细小奥氏体晶粒尽可能不长大，减少低温贝氏体组织产生。上冷床回火温度低于900℃钢筋易锈蚀；回火温度高于800℃以上控冷工艺不能提高屈服强度。

上述实施方案中，螺纹钢筋的生产方法具体可按照如下两大流程步骤进行：

1、炼钢工艺流程：

转炉炼钢—合金化—吹氩—喂丝(加入增氮合金包芯线增氮)—吹氩—连铸；

2、轧钢工艺流程：

连铸方坯在加热炉加热(钢坯加热温度1060-1150℃)—粗轧机组(开轧温度1000-1100℃)—切头—中轧机组—精轧机组—穿水冷却(快速冷却,回火温度940±30℃)—倍尺剪切—冷床冷却—定尺剪切—收集打捆—入库。

实验证明：

采用上述实施方案提供的生产方法与钒氮微合金化相比，吨钢合金成本可降低20-50元/吨，对于一条60万吨年产能的棒材产线来说，年可降低合金成本1200-3000万元，经济效益显著。

上述400mpa级别铌氮微合金化螺纹钢筋的生产方法与铌微合金化工艺相比：

1)铌有延迟奥氏体和铁素体转变促进低温组织贝氏体组织产生的作用，c、mn、nb是产生贝氏体组织的主要元素，不能同时过高，铌氮微合金化工艺通过增氮工艺促进铌的析出强化作用，进一步提高钢筋强度，可以降低铌含量；通过优化c、mn、nb化学成分配比，减少贝氏体产生。铌氮微合金化比铌微合金化氮含量高20-30ppm。

2)均采用轧后快速冷却加速了奥氏体转变以减少低温贝氏体组织产生；通过控制回火温度降低上冷床温度，降低钢筋在冷床上的冷却速度，减少贝氏体组织产生。铌氮微合金化工艺降低了加热温度和开轧温度，解决了多数企业铌微合金化钢因铌熔点高，所需加热温度和开轧温度较高问题，降低了燃耗；过高的加热温度容易产生有害的魏氏体组织。

3)铌氮微合金化工艺解决了铌微合金化钢筋屈服不明显、力学性能不稳定、大规格强度不足难题，不需要机架间冷却，解决了工艺装备不足问题。通过控制合适的上冷床回火温度，避免了微穿水钢筋锈蚀问题，且不会形成国家标准不允许存在的闭环组织。

下面结合具体的实施例对本发明进行更进一步的解释说明，但是并不用于限制本发明的保护范围。

2019年4-5月份将该生产方法在本溪北营钢铁集团有限公司进行了抗震钢筋hrb400e铌氮微合金化工艺生产试验，试验结果如下。

1)化学成份统计：

备注：选用复氮合金包芯线，按吨钢1kg加入，实际增氮20-40ppm。

2)力学性能统计：

屈服平台情况

将公称直径22mm的螺纹钢筋进行拉伸试验，对应的力—位移曲线参见图1，将公称直径12mm的螺纹钢筋进行拉伸试验，对应的力—位移曲线参见图2。

产品组织：铁素体+珠光体+少量贝氏体。

通过生产实践：上冷床回火温度800℃以上均无闭环或板封闭的回火层；回火温度低于900℃钢筋易锈蚀。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述的内容，可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。