熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的研制

程維瑋 韓玉梅 李 杰 夏云進(jìn)

(1.南京鋼鐵股份有限公司，南京 210035；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山 243002)

隨著全球能源的多樣化以及對環(huán)境保護(hù)的日益重視，天然氣作為一種清潔能源，未來的使用將越來越廣泛。將常壓氣態(tài)天然氣冷卻至-165 ℃以下凝結(jié)成液態(tài)天然氣，可大大縮小體積，為其儲存和運(yùn)輸帶來極大的便利，并可顯著降低儲存與運(yùn)輸?shù)馁M用。我國已建或在建的液化天然氣儲存罐大都是由含9%Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼板制作的內(nèi)罐與混凝土外罐組成的雙層罐體，在罐體的下面還有用耐寒水泥和耐寒鋼筋建造的混凝土結(jié)構(gòu)事故收集槽[1- 3]。但混凝土外罐和事故收集槽的建造需要消耗大量的帶肋鋼筋。

作為混凝土建筑結(jié)構(gòu)主要增強(qiáng)材料的熱軋HRB400、HRB500鋼帶肋鋼筋，其性能很難滿足-165 ℃以下液化天然氣低溫儲存罐建造的要求[4- 7]。國內(nèi)液化天然氣儲存罐用耐寒鋼筋完全依賴進(jìn)口。因此，有效利用鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)高品質(zhì)、高附加值的熱軋耐寒帶肋鋼筋，填補(bǔ)國內(nèi)熱軋耐寒帶肋鋼筋生產(chǎn)空白，實現(xiàn)熱軋耐寒帶肋鋼筋的國產(chǎn)化具有重要的現(xiàn)實意義。本文主要研究了熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的生產(chǎn)工藝及其性能。

1 熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的冶煉

1.1 生產(chǎn)工藝流程

熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的生產(chǎn)工藝流程為：100 t UHP電弧爐熔煉→100 t LF精煉爐精煉→100 t VD處理→150 mm×150 mm小方坯連鑄→鑄坯檢驗→加熱→軋制→快速冷卻→表面和尺寸檢驗→空冷→成品檢驗→包裝→標(biāo)識→稱重→入庫。

1.2 成分設(shè)計

1.2.1 碳

一般，鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和韌性降低，如在42CrMo鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)每提高0.1%，其屈服強(qiáng)度約提高27.4 MPa，抗拉強(qiáng)度提高58.8～78.4 MPa，而斷后伸長率則降低4.3%，斷面收縮率降低7.3%[8]。因此，對于要求低溫和超低溫拉伸、沖擊性能的鋼種，通常其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.15%。綜合考慮熱軋耐寒帶肋鋼筋的力學(xué)性能要求，本文試生產(chǎn)的熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.08%。

1.2.2 錳

錳在鋼中主要起固溶強(qiáng)化的作用，它可以彌補(bǔ)碳含量減少產(chǎn)生的強(qiáng)度下降。錳元素可增加鋼中奧氏體的穩(wěn)定性，細(xì)化珠光體，提高鋼的淬透性。Mn在提高強(qiáng)度的同時，隨著Mn含量的增加，鋼的塑性會有所下降。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過1.80%時，錳能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但不降低塑性[9]。

為了保證在屈服強(qiáng)度達(dá)到500 MPa，斷后伸長率仍能保持在14%以上，錳含量不宜過高，考慮到添加鎳、硅、鋁等強(qiáng)化元素的綜合效果，熱軋耐寒帶肋鋼筋的錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以1.50%～1.70%為宜。

1.2.3 硅

硅能降低鋼的密度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度。硅和鉬、鎢、鉻等結(jié)合，有提高抗腐蝕和抗氧化性能的作用[10]。但同時也在一定程度上降低鋼的韌性和塑性，因此，在不影響鋼的低溫韌性的前提下，可以適當(dāng)提高硅含量以提高鋼的強(qiáng)度，故熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.20%～0.30%。

1.2.4 磷和硫

磷在鋼中固溶強(qiáng)化和冷作硬化作用強(qiáng)，作為合金元素加入低合金鋼中，能提高鋼的強(qiáng)度和耐大氣腐蝕性能，但降低了冷沖壓性能。磷溶于鐵素體，雖然能提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但是偏析嚴(yán)重，并增加回火脆性，顯著降低鋼的塑性和韌性，特別是鋼的低溫沖擊韌性[11]。磷對焊接性能也有不良影響，是有害元素，應(yīng)嚴(yán)格控制。熱軋N500B 鋼耐寒帶肋鋼筋中磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在0.010%以下。

硫在通常情況下也是有害元素，會導(dǎo)致鋼熱脆。硫在鋼中偏析嚴(yán)重，惡化鋼的質(zhì)量；在高溫下，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成開裂。硫?qū)︿摰暮附有阅芤膊焕€降低耐腐蝕性。因此鋼中的硫也應(yīng)嚴(yán)格控制，本文試生產(chǎn)的熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.006%以下。

1.2.5 鉻、鎳、銅

鉻能提高鋼的強(qiáng)度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性，降低鋼的電導(dǎo)率和電阻溫度系數(shù)。鉻與碳形成多種碳化物，當(dāng)有鉻的碳化物析出時，將使鋼的耐腐蝕性能下降[12]。在熱軋耐寒帶肋鋼筋中，碳含量較低，若加鉻，則主要起固溶強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度，但會降低鋼的低溫韌性和塑性，因此，熱軋耐寒帶肋鋼筋中不宜加入鉻。

鎳是形成和穩(wěn)定鋼中奧氏體的元素，鋼中鎳含量的增加可以降低臨界淬火速度、細(xì)化過冷奧氏體轉(zhuǎn)變組織，改善鋼的韌性和塑性。鎳還是提高鋼的低溫強(qiáng)度和韌性、降低脆性轉(zhuǎn)變溫度最有效的元素[13]。因此，熱軋耐寒帶肋鋼筋中應(yīng)加入一定量的鎳。綜合考慮生產(chǎn)成本和企業(yè)現(xiàn)有的工藝條件，將鋼中鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在1.00%～1.20%。

銅是奧氏體穩(wěn)定化元素，可提高鋼的淬透性，細(xì)化轉(zhuǎn)變后的組織，從而改善鋼的低溫韌性。銅在α- Fe中的溶解度會隨著溫度的降低而急劇下降，可起析出強(qiáng)化的作用[14]。銅對臨界溫度和淬透性的影響及其強(qiáng)化作用與鎳相似，可代替一部分鎳。隨著銅含量的提高，鋼的室溫沖擊韌度略有提高[15]。因此，熱軋耐寒帶肋鋼筋中可加入適量的銅，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.10%～0.15%。

1.3 關(guān)鍵成分的控制

1.3.1 碳

由于熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋具有典型的特殊鋼性質(zhì)，有些元素(如Cr、Sn、Zn等)必須嚴(yán)格控制，為此在電爐冶煉時采用了高鐵水比(達(dá)60%)裝料制度，這既有利于控制鋼中的有害元素，又有利于提高鋼的潔凈度。在電爐冶煉過程中，采用合理的供氧制度，主氧槍供氧量控制在50～65 m3/min，集束氧槍供氧量3 100～3 400 m3/h。吹煉后期，關(guān)閉主氧槍，所有集束氧槍處于保持模式。LF精煉過程中采用長弧操作，快速升溫，快速造白渣，合金化時添加微碳或低碳合金；連鑄過程保護(hù)渣選用低碳類保護(hù)渣。

1.3.2 磷

根據(jù)高堿度、低溫、高氧化性有利于脫磷的熱力學(xué)條件，結(jié)合脫磷的動力學(xué)條件，為了控制鋼中的磷含量，在電爐冶煉過程中采取如下措施：料籃加廢鋼時在其底部均勻配入2～3 t的石灰，加入爐內(nèi)后兌入鐵水供氧，促進(jìn)早成渣，利用熔化期溫度相對較低有利于脫磷的條件強(qiáng)化熔化期脫磷；冶煉過程中，根據(jù)廢鋼熔化和吹氧脫碳情況適時分批向爐內(nèi)加入石灰；根據(jù)廢鋼熔化及噴濺情況適當(dāng)調(diào)整槍位及其插入深度；電爐冶煉后期將溫度控制在1 630～1 650 ℃，防止高溫回磷；出鋼采用留鋼留渣操作，留鋼量≥15 t，防止卷渣；脫氧合金化選用低磷合金。

1.3.3 硫

鋼- 渣間脫硫反應(yīng)為[S]+(O2-)=[O]+(S2-)，硫在渣鋼間的分配系數(shù)為[16]：

(1)

式中：kS為平衡常數(shù)；LS為硫在渣鋼間的分配系數(shù)；a[O]、aO2-分別為鋼中氧、渣中氧離子的活度；NO2-為渣中氧離子摩爾分?jǐn)?shù)；f[O]、f[S]、rO2-、rS2-依次為[O]、[S]、O2-、S2-的活度系數(shù)；[%O]為鋼中氧濃度。

由式(1)可以看出，鋼中氧含量越低，硫在渣- 鋼間的分配系數(shù)越大，鋼中硫含量越低。因此，脫硫的核心就是控氧。為了控制電爐冶煉終點的氧含量，應(yīng)準(zhǔn)確控制冶煉終點碳含量以避免終點過氧化，嚴(yán)格控制出鋼下渣。LF爐精煉過程中造白渣進(jìn)行強(qiáng)脫氧，VD真空處理進(jìn)一步強(qiáng)化碳脫氧。

2 N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的軋制

N500B鋼鑄坯(150 mm×150 mm)進(jìn)加熱爐開始加熱時緩慢升溫，預(yù)熱段溫度控制在850 ℃以下，緩慢加熱，防止鑄坯內(nèi)部開裂?？刂萍訜岫渭熬鶡岫螠囟仍? 100～1 260 ℃，即保證微合金元素充分溶解，同時奧氏體晶粒不易長大；總加熱時間2 h以上。

由于N500B鋼合金元素含量較高，變形抗力較大，考慮設(shè)備條件，選取軋制工藝為奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制軋制。為了保證充分再結(jié)晶，需要足夠的軋制壓縮比，因此，軋制壓縮比≥6.0，始軋溫度為1 100～1 040 ℃，終軋溫度約為960～1 000 ℃。

鑄坯軋制后穿水快速冷卻是生產(chǎn)合格的熱軋耐寒帶肋鋼筋的關(guān)鍵工序之一。根據(jù)設(shè)計的化學(xué)成分，選取0.07%C、0.25%Si、1.55%Mn、1.00%Ni、0.030%Al和0.007% N作為熱軋耐寒帶肋鋼筋的目標(biāo)成分，模擬計算了鋼的CCT曲線，結(jié)果見圖1。按照圖1控制其冷卻速度達(dá)到10 ℃以上，在保證熱軋N500B鋼帶肋鋼筋穿水后表面溫度達(dá)到580～600 ℃時，形成以B+F為主的成品組織。

圖1 理論計算的N500B鋼的CCT曲線Fig.1 Theoretically calculated CCT curve for the N500B steel

3 試驗結(jié)果

3.1 化學(xué)成分及鑄坯低倍組織

本文試生產(chǎn)的熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的化學(xué)成分如表1所示?？梢钥闯?，熱軋耐寒帶肋鋼筋的化學(xué)成分完全符合設(shè)計要求。鑄坯中心疏松及中心偏析均為0.5級，表面無缺陷，低倍組織良好。

3.2 顯微組織

本批材料共試軋了直徑12 、16、18、20和25 mm等5個規(guī)格的熱軋耐寒帶肋鋼筋，對5個規(guī)格取樣觀察其夾雜物，結(jié)果，A、B、C類夾雜物均為0級，D類夾雜物為0～0.5級；表層顯微組織均為粒狀貝氏體，晶粒比較細(xì)小，晶粒度9.5～12級，鋼筋直徑越小，晶粒越細(xì)小；心部組織主要是鐵素體和粒狀貝氏體，晶粒度9～11級，鋼筋直徑越小，晶粒同樣越細(xì)小。圖2為φ16 mm熱軋耐寒帶肋鋼筋的顯微組織。

3.3 力學(xué)性能

圖2 φ16 mm帶肋鋼筋外緣(a)和心部(b)的顯微組織Fig.2 Microstructures in (a) outer edge and (b) core of the ribbed bar 16 mm in diameter

對試軋的φ16 mm熱軋耐寒帶肋鋼筋進(jìn)行了常溫和(-170±5) ℃的拉伸性能檢測，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，所測9個試樣的屈服強(qiáng)度、強(qiáng)屈比、斷后伸長率、最大力總伸長率均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。當(dāng)天檢測、15和60天時效后檢測的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度相差不大，其屈服強(qiáng)度為562～572 MPa，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的RP0.2≥500 MPa，強(qiáng)屈比為1.18～1.19，平均為1.18，強(qiáng)屈比也達(dá)到了試驗前設(shè)定的≥1.08的目標(biāo)；最大力總伸長率Agt為8.5%～9.0%，均達(dá)到了Agt≥5.0%的要求。試樣反彎全部合格。其他規(guī)格鋼筋的檢測結(jié)果也均合格，其中φ12 mm熱軋耐寒帶肋鋼筋的抗拉強(qiáng)度最高，為712 MPa，屈服強(qiáng)度最高為638 MPa，這也與其晶粒度更細(xì)小相對應(yīng)。φ16 mm熱軋耐寒帶肋鋼筋的常溫拉伸曲線見圖3。

對φ16 mm耐寒帶肋鋼筋在-170 ℃進(jìn)行無缺口試樣和有缺口試樣拉伸試驗，結(jié)果如表3所示。屈服強(qiáng)度為657～682 MPa，滿足要求的RP0.2≥575 MPa；無缺口試樣的低溫缺口敏感性比率NSR為1.17～1.19，滿足無缺口NSR≥1.0的標(biāo)準(zhǔn)要求；無缺口試樣的Agt為6.5%～7.5%，滿足無缺口試樣Agt≥4.0%的標(biāo)準(zhǔn)要求；有缺口試樣的Agt為4.5%～6.5%，滿足有缺口試樣Agt≥1.0%的標(biāo)準(zhǔn)要求；所有規(guī)格鋼筋的低溫拉伸性能全部合格；相應(yīng)的φ12 mm熱軋耐寒帶肋鋼筋的低溫抗拉強(qiáng)度也最高，為810 MPa，屈服強(qiáng)度最高為696 MPa。φ16 mm熱軋耐寒帶肋鋼筋的低溫拉伸曲線見圖4。

表2 熱軋耐寒帶肋鋼筋的常溫拉伸性能Table 2 Tensile properties of the hot rolled cold- resistant ribbed bars at room temperature

圖3 φ16 mm帶肋鋼筋的常溫應(yīng)力- 應(yīng)變圖Fig.3 Stress- strain curve at room temperature for the ribbed bar 16 mm in diameter

表3 熱軋耐寒帶肋鋼筋-170 ℃拉伸性能Table 3 Tensile properties of the hot- rolled cold- resistant ribbed steel bar at -170 ℃

圖4 φ16 mm帶肋鋼筋的低溫拉伸曲線圖Fig.4 Low temperature tensile curve for the ribbed bar 16 mm in diameter

4 結(jié)論

(1)采用100 t UHP電弧爐→100 t LF精煉爐→100 t VD處理爐→150 mm×150 mm小方坯連鑄→加熱→軋制→穿水快速冷卻→表面和尺寸檢驗→空冷工藝流程可以生產(chǎn)熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋。

(2)試生產(chǎn)的熱軋N500B鋼耐寒帶肋鋼筋的化學(xué)成分為0.07% C、1.53% Mn、0.23% Si、0.005% P、0.001% S、1.15% Ni、0.13% Cu，達(dá)到了設(shè)計要求。

(3)熱軋耐寒帶肋鋼筋的表層顯微組織為粒狀貝氏體+少量板條狀貝氏體，晶粒度9.5～12級；心部顯微組織為鐵素體和粒狀貝氏體，晶粒度9～11級。

(4)熱軋耐寒帶肋鋼筋常溫及(-170±5)℃低溫力學(xué)性能均達(dá)到了要求，其成分設(shè)計及冶煉、軋制工藝合理。

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