600 MPa級釩氮微合金化熱軋高性能鋼筋的研制

李成軍

（濟鋼集團有限公司，濟南 250101)

600 MPa級釩氮微合金化熱軋高性能鋼筋的研制

李成軍

（濟鋼集團有限公司，濟南 250101)

介紹了濟鋼釩氮微合金化HRB600鋼筋的生產(chǎn)實踐。通過轉(zhuǎn)爐冶煉、爐外精煉和全連續(xù)軋機進行了工業(yè)試制，應(yīng)用光譜分析儀、顯微鏡、拉伸試驗機、多功能焊機等設(shè)備對試制鋼筋的成分、組織、性能，特別是鋼筋的時效性、焊接工藝性能、疲勞性能進行了分析。結(jié)果證明，采用釩氮微合金化工藝試制的產(chǎn)品的屈服強度達到670 MPa、抗拉強度達到800 MPa，斷后伸長率達到19%以上，鋼筋具有在500萬次高周疲勞應(yīng)力下未發(fā)生斷裂的疲勞性能，時效試驗表明產(chǎn)品性能穩(wěn)定，并且適用于多種焊接和機械連接方式，滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，其生產(chǎn)工藝具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

鋼筋 HRB600 釩氮微合金化 焊接性能

1 引言

目前，世界主要工業(yè)國家正在逐步淘汰強度小于400 MPa級水平的鋼筋。如美國多采用屈服強度在400 MPa以上的鋼筋，歐盟等國基本上采用500 MPa鋼筋，并正在開展600 MPa級甚至更高級別鋼筋的開發(fā)，而我國在2010年鋼筋的產(chǎn)銷量為1.36億噸，其中HRB400高強度鋼筋的應(yīng)用比例為38%，HRB500鋼筋的應(yīng)用比例不到2%[1]。2011年，工信部與建設(shè)部等相關(guān)部門建立了聯(lián)合推進高強度鋼筋應(yīng)用的機制，搭建起了推進高強鋼筋應(yīng)用的平臺。隨著

機制的運行，相信高強鋼筋的生產(chǎn)與應(yīng)用會得到快速的發(fā)展，大大改善當(dāng)前建筑用產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)，為實現(xiàn)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)提供有力的支撐。

微合金化技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代，單一或復(fù)合鈮、釩、鈦在微合金化設(shè)計、工藝配合、應(yīng)用等方面積累了豐富的經(jīng)驗和實踐，被譽為20世紀(jì)鋼鐵工業(yè)最突出的物理冶金成就之一。微量鈮、釩、鈦等元素被譽為鋼中的維生素，可顯著改善鋼的強度與韌性等綜合性能[2]。其中釩微合金化的作用主要體現(xiàn)在：（1)通過在鋼中增氮，會使釩在鋼中的存在形式由固溶態(tài)為主轉(zhuǎn)變?yōu)殁C的碳氮化物的析出態(tài)，增強淀強化作用;（2)析出的氮化釩可以起到鐵素體相變中形核核心的作用，增加形核質(zhì)點，誘導(dǎo)鐵素體析出，從而細化晶粒尺寸[3]。

本文通過在合金元素中加入微量V，并在鋼中增氮，新開發(fā)了600 MPa級高強度鋼筋，并對其微觀察組織與性能進行了研究。

2 成分和工藝設(shè)計

2.1 成分設(shè)計

成分設(shè)計主要考慮兩個方面，一是較高的屈服強度和抗拉強度的要求，二是鋼筋要有良好的焊接性，以保證產(chǎn)品普遍應(yīng)用的要求。成分的設(shè)計參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB1499.2—2007，鋼中的五大元素和碳當(dāng)量仍沿用標(biāo)準(zhǔn)GB1499.2—2007中HRB500鋼筋的要求，設(shè)計的成分見表1。通過鋼中增氮和軋制工藝的優(yōu)化，充分發(fā)揮了釩在鋼中沉淀強化和細晶強化的作用，保證了鋼的機械性能和焊接性能。

表1 成分設(shè)計 /%

2.2 工藝設(shè)計

HRB600鋼筋的生產(chǎn)工藝流程為：45 t轉(zhuǎn)爐冶煉→脫氧合金化→LF精煉→CCM方坯連鑄→剪切→檢驗→計量→加熱→軋制→冷床冷卻→定尺剪切→檢驗→包裝→計量→入庫。

用45 t轉(zhuǎn)爐進行窄成分控制冶煉，內(nèi)控范圍滿足表1要求。轉(zhuǎn)爐冶煉終點碳控制在0.08%以上，控制鋼水的氧化性，終點溫度控制在1 620～1 680℃;加熱溫度控制為1 100～1 200℃，從而既保證了微合金元素的充分固溶，又兼顧了防止奧氏體晶粒的粗化，終軋溫度在950℃以下，充分發(fā)揮了第二相粒子的析出作用。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 拉伸試驗

用100 t或200 t液壓微機伺服萬能試驗機對開發(fā)的4個規(guī)格的鋼筋進行了拉伸試驗。結(jié)果顯示：鋼筋的屈服強度在645～685 MPa，抗拉強度在785～810 MPa，斷后伸長率為18%～25%，各指標(biāo)滿足HRB600鋼筋的技術(shù)要求（即屈服強度不小于600 MPa、抗拉強度不小于730 MPa、斷后伸長率不小于15%)。鋼筋的力學(xué)性能結(jié)果見表2。

表2 鋼筋的力學(xué)性能結(jié)果

圖1為批號19858、Φ25 mm鋼筋的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可觀察到拉伸過程存在明顯的屈服臺階，說明鋼筋具有良好的延性，有利于建筑結(jié)構(gòu)的抗震性。

圖1 Φ25 mm鋼筋的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

批號19858、Φ25 mm鋼筋拉斷后的鋼筋試樣在拉伸過程出現(xiàn)了明顯的“頸縮”，宏觀斷口呈“杯凸?fàn)睢?，見圖 2（a)、（b)，屬于韌性斷裂。采用掃描電鏡，對該試樣拉伸斷口的形貌進行分析，見圖2（c)，可見斷口中存在較多的韌窩。

圖2 斷口宏觀和微觀形貌

3.2 時效分析

為檢驗鋼筋的時效性，對3批Φ12 mm鋼筋，按試驗批號每批在同一支鋼筋上截取時效樣3套，分別進行1周、1個月的自然時效性能檢驗，結(jié)果見表3。時效性能對比結(jié)果見表4。

表3 時效性能表

表4 時效性能對比結(jié)果

對力學(xué)性能比較分析可以看出，經(jīng)7天（168 h)時效后，屈服強度和抗拉強度降低7～8 MPa;經(jīng)30天（720 h)時效后，屈服強度和抗拉強度降低9 MPa，延伸率略有提高，總之，鋼筋無明顯的時效性，但是隨著時效時間的延長，屈服強度和抗拉強度略有降低，延伸率略有上升。

3.3 金相組織

利用OLYMPUS光學(xué)顯微鏡，分別對試制的12、16、25、36 mm的鋼筋進行了顯微組織觀察，鋼的組織為鐵素體和珠光體，晶粒度在9.5～10級，晶粒均勻。圖3為批號19858、Φ25mm鋼筋試樣在100倍和500倍條件下的顯微組織照片。

圖3 批號19858、Φ25 mm的顯微組織

3.4 焊接工藝評定

按照《鋼筋焊接及檢驗規(guī)程》JGJ 18—2003國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別采用閃光對焊、幫條焊、搭接焊、坡口焊、熔槽幫條焊、窄間隙焊、電渣壓力焊、氣壓焊和機械連接九種方式進行了鋼筋焊接和連接拉力試驗，結(jié)果拉伸斷口特征均為延性斷裂，且拉伸斷裂位置均為母材位置，該結(jié)果顯示鋼筋具有良好的焊接性能，適用于常規(guī)及特殊焊接方式進行連接。焊接拉伸后的照片見圖4。

圖4 焊接試樣拉伸后照片

3.5 疲勞性能

按照疲勞試驗取樣標(biāo)準(zhǔn)，對Φ12、Φ25三個規(guī)格的鋼筋送檢國家建筑鋼材監(jiān)督檢測中心，進行了應(yīng)力幅值260 MPa、5×106次疲勞測試，所有試樣均未斷裂。

4 結(jié)論

應(yīng)用釩氮合金化，可以生產(chǎn)600 MPa級的熱軋狀態(tài)的高強度鋼筋，屈服強度可達680 MPa、抗拉強度達到800 MPa、延伸率保持19%以上，其產(chǎn)品具有機械性能穩(wěn)定，時效性不明顯，焊接性適用范圍廣等特點。

[1]蘇世懷，完衛(wèi)國，孫維，等.中國建筑用帶肋鋼筋、線材品種的優(yōu)化[J].建材世界，2010，31（5)：36-39.

[2]劉建,王華昆.釩氮微合金化高強度鋼的研究及應(yīng)用[J].上海金屬，2006，28（2)：56-60.

[3]楊才福，張永權(quán).釩氮微合金化技術(shù)在HSLA鋼中的應(yīng)用[J].鋼鐵，2002，37（11)：42－47.

Development of 600 MPa Grade V-N microalloying Hot Rolled Rebar of High Performance

Li Chengjun
(Jigang Group Company Limited,Jinan 250101,China)

The production practice of V-N microalloying HRB600 rebar at Jigang is described.Industry trial was run through converter melting,LF refining and continuous rolling;the composition,structure and properties of the produced rebar,especially aging,weldability and fatigue,were analyzed by spectrometer,microscope,tensile testing machine and multifunction welder.Results showed over 670 MPa yielding strength,800 MPa tensile strength,over 19%elongation after fracture,non breakage fatigue under 5,000,000 times high cycle fatigue stress,and stable properties in aging test.Suitable for many welding and mechanical connection methods,the rebar meets the standard requirement by the industry and possessed economic advantages in production process.

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李成軍（1975—)，男，山東高唐人，碩士，主要從事軋鋼工藝、新材料和新產(chǎn)品的開發(fā)工作，E-mail：lichengjun7510@126.com。

（收稿 2012-02-20 編輯 潘娜)