1、- 1 -HRB400 高强度钢筋的研制开发摘 要：研究和分析柳钢开发试制 HRB400 高强度钢筋的技术要求、微合金化+ 控轧控冷工艺，以及试制结果。关键词： HRB400 高强度钢筋；微合金化；控轧控冷；开发 1 前 言随着国内建筑行业的发展，高层、大跨度建筑物不断增多，为确保建筑的安全，在结构设计中对带肋钢筋强度和韧性的要求不断提高。HRB400 高强度钢筋作为 HRB335 钢筋的升级换代产品， 目前正处于国家大力推广应用阶段，市场对其需求量将会越来越大。为适应市场对钢筋强度级别要求的变化，提高经济效益，优化产品结构，柳钢棒线厂决定在高速线材生产线开发 HRB400 高强度钢筋，经过系
2、列试制获得成功，产品化学成分、力学性能均达到标准要求。2 HRB400 高强度钢筋技术要求HRB400 高强度钢筋要求具有高强度、高韧性及高焊接性能。因此，结合棒线厂的设备情况，根据相关技术资料及用户的使用要求，设计内控成分，在 GB1499.2-2007 标准基础上加入微合金强化元素 V，进行固溶强化、沉淀强化、和细化晶粒，并结合控扎控冷工艺提高力学性能，保证钢筋的塑性和可焊接性能。2.1 化学成分为保证钢筋强度和塑性的最佳匹配，主要控制 C、Mn 的含量在中上限；同时，考虑采用加入少量 V 提高产品综合性能；Si、Mn 含量及匹配关系对产品性能也至关重要，为使钢能在较高的回火温度下不降低强
3、度，改善钢筋的延时断裂现象，设计 Si 的含量偏高；由于 P、S 对组织和性能为害较大，按优质钢的要求，P、S 含量设计为小于 0.035%。综合以上各方面因素，化学成分控制范围见表 1。表 1 HRB400 高强度钢筋化学成分 %C Si Mn P S Al、Nb、V 和其它元素或CeqGB1499.2-2007 0.25 0.80 1.60 0 .045 0 .045 Ceq0.54柳 钢 内控标准 0.200.25 0.400.70 1.301.60 0.035 0 .035 V0.025，Ceq0.542.2 力学性能考虑到高强度钢筋存在时效问题，轧制后放置一段时间，强度会稍微有所下降
4、，塑性稍微上升，因此在力学性能内控标准上，提高强度指标，预留强度余量，具体力学性能见表 2。表 2 HRB400 高强度钢筋力学性能下 屈 服 强 度 ReL/Nmm-2 抗 拉 强 度Rm/Nmm-2断后伸长率 A/%GB1499.2-2007 400 540 16柳 钢 内 控 要 求 415 570 162.3 金相组织HRB400 高强度钢筋实质为低碳钢和亚共析钢，要求具有高强韧性及焊接性能良好，金相组织：- 2 -铁素体+细小珠光体 +少量贝氏体组织。3 试制方案3.1 工艺流程方坯连铸（加 V）方坯加热高速线材轧制控轧控冷斯太尔摩冷却 集卷P&F 空冷检验打包入库。3.2 V 微合
5、金化工艺目前微合金化工艺得到迅猛的发展，它对提高低碳钢强度效果显著，在开发高强度钢筋领域得到广泛的应用。 1 根据 V、Ti、Nb 的强化机理，与 Ti 和 Nb 相比，V 的主要优点在于：在较低的加热温度下，V（N）的溶解度大比 Ti、Nb 大，其碳化物可以完全溶解到奥氏体中，因此 V 的利用率高，对沉淀强化贡献大，为 Ti 和 Nb 所不及。因此，在对比分析 V、Nb、Ti 主要特点后，结合棒线厂实际情况和 V 在合金钢中的强化机理，决定选择 V 作为微合金强化元素。3.3 控轧控冷工艺设计3.3.1 加热制度为保证 V 元素充分、均匀熔于钢坯，达到沉淀强化和析出强化作用，要求加热温度为
6、1 1001 180，均热段温度为 1 0401 150，钢坯加热时间75min，保证开轧温度为 1 0201 080，钢坯沿长度方向温度均匀，温差不得大于 30。3.3.2 控轧控冷制度3.3.2.1 控冷设备：高速线材控冷工艺实际主要是利用精轧前水冷+精轧后水冷+斯太尔摩风冷的控制手段进行控冷。柳钢高速线材生产线在精轧前有 2 个水箱（原来只有 1 个，由于冷却能力不足，后另增加 1 个水箱，提高进精轧冷却能力） ，精轧后 4 个水箱，风冷线长度 91m，分入口段、冷却段、出口段，11 台变频风机，风机功率：154 000mm3/h。 精轧前水冷目的是控制终轧温度从而控制晶粒度；精轧后水冷
7、目的使轧件轧后快速冷却，有效抑制晶粒长大，减少氧化铁皮的产生，最主要目的是为相变冷却（风冷）做准备。因此，风冷前的控冷关键是进精轧温度、吐丝温度。斯太尔摩风冷主要是通过控制冷却速度，完成相变组织的转变，得到所需金相组织。3.3.2.2 控冷工艺设计的基本思路是细晶强化：通过晶粒细化，相变强化，析出强化相结合的方法来达到提高强韧化的目的 2 。晶粒细化（包括变形细化和相变细化）是唯一能够同时提高强度和韧性的方法。3.3.2.3 控冷关键温度参数设计：开轧温度：采取低温轧制细化晶粒，开轧温度 9801 030，通过在奥氏体在结晶区反复轧制使奥氏体晶粒不断破碎和再结晶，从而细化奥氏体晶粒。进精轧温度
8、：HRB400 属于亚共析钢，为得到细小珠光体+铁素体组织，终轧温度要略高于 AR3相变点，终轧温度在 980左右。同时为使加入的 V 元素达到沉淀强化和析出强化作用，也要求终轧温度1 000。因此为更好的充分细化奥氏体晶粒和控制终轧温度，为更好的细化晶粒，进精轧温度控制在 830 880（在精轧机最大负荷范围内） ，同时投入精轧机架水冷（水冷导卫冷却）和加大辊环冷却水压力，目的在于降低在精轧中轧制时产生的温升，促使晶粒细化。吐丝温度：轧制时，特别是小规格容易出现吐丝吐断和水箱堆钢故障，规格越小，越敏感，工艺难以顺行，所以采取大幅度降速或减少精轧后水箱压力和流量方法，但造成整体产量低下，穿-
9、3 -水吐丝温度控制困难，因此结合实际设备条件，确保工艺顺行，精轧后水箱采取轻穿水，目的减少氧化铁皮，吐丝温度1 000。由于钢是低温轧制，奥氏体原始晶粒已比较细小，吐丝温度的提高对晶粒粗化程度影响很小。斯太尔摩风冷设计： HRB400 属于低合金钢，淬透性较高，坯料中加入 V 微合金元素使“C”曲线往右下方偏移，根据资料3 ， “C”曲线位置与冷却速度有很大关系，冷却速度越低，则“C”曲线向右下移动距离越小，所以通过细化奥氏体晶粒和选择合理的冷却速度，避开马氏体和贝氏体转变区，获得大量的细小珠光体+铁素体+少量贝氏体理想组织。4 试制情况与结果分析4.1 试制过程首先进行了 6mm 模拟试轧
10、和样品试制，初步掌握了 HRB400 高强度钢筋的化学成分、轧制工艺、产品的力学性能和金相组织，并根据试验结果制定了相应的内控化学成分范围，优化工艺参数。之后，进行小批量试制，发给用户试用，收集质量信息，进行用户走访，采取相应的质量改进措施，2009 年后开始批量试制。2009 年共生产 HRB400 高强度钢筋 4.8 万余吨，规格为6mm、8mm、10 mm 和 12mm，市场对产品质量反映良好。4.1.1 2009 年试制的 612mmHRB400 高强度钢筋化学成分、力学性能统计分析结果见表 3、表4。表 3 试制的 612mmHRB400 高强度钢筋化学成分 %C Si Mn P S
11、 V实际范围 0.200.23 0.490.60 1.321.45 0.0230.030 0.0190.030 0.0320.048平均值 0.21 0.52 1.39 0.027 0.025 0.038表 4 试制的 612mmHRB400 高强度钢筋力学性能下 屈 服 强 度 ReL/Nmm-2 抗 拉 强 度 Rm/Nmm-2 断后伸长率 A/%国 标 要 求 400 540 16实际范围 405480 585720 26.131.1平均值 430 630 28.84.1.2 HRB400 高强度钢筋金相检验结果见图 1、图 2。- 4 -图 1 晶粒度 11.5 级 （200 倍焦）
12、图 2 组织 珠光体+铁素体+贝氏体（200 倍焦）4.1.3 612mm 试制 HRB400 高强度钢筋的经济指标见表 5。表 5 试制 HRB400 高强度钢筋的经济指标产品规格 产量/t 合格率/% 成材率/%6mm 2 073.57 99.9 97.178mm 20 595.49 99.8 98.2210mm 18 279.61 99.82 98.2712mm 7 503.16 99.81 98.41合计 48 451.83 99.83 98.024.2 试制结果分析4.2.1 化学成分控制均在要求范围内，C、Si、Mn 成分均值控制在中上限，P 含量均值控制在0.027%，S 含量均
13、值控制在0.025%，均达到内控目标的要求。4.2.2 产品的力学性能符合国标要求，个别批号屈服强度偏低，复样后合格。抗拉性能和断后伸长率率均值分别为 630MPa 和 28.8% ，具有足够的富余量，力学性能指标达到预期目标。但波动范围较大，屈服强度不明显,抗拉强度偏高，对产品性能的稳定性造成影响。4.2.3 从金相组织上看晶粒度、组织结构均满足协议要求，部分试样肋部和表面出现回火马氏体和贝氏体，芯部为珠光体+铁素体。4.2.4 根据用户反馈情况，产品性能全部标准的要求。5 结 语5.1 根据试制结果，柳钢采用微合金化+控轧控冷工艺进行试轧 HRB400 高强度钢筋已基本取得成功，各项技术指
14、标均能达到控制要求，已具备批量生产的能力。5.2 坯料中各元素化学成分控制较好，达到内控标准要求。5.3 采用的加 V 微合金化和控制冷却工艺，晶粒细化明显，基本在 11.5 级以上,获得较好的综合力学性能。5.4 产品力学性能波动较大，控制水平还不是很理想，因此减少力学性能波动，提高性能稳定性将是今后质量改进的重点。6 下一步改进措施：6.1 根据性能结果，调整成分，适当降 Mn,增 C,同时减少 V 合金含量，既保证力学性能,右降低生产成本。6.2 加热时，严格控制加热温度和钢坯加热时间，保证 V 元素充分熔解。6.3 严格控制进精轧温度和终轧温度，保证加入的 V 元素达到沉淀强化和析出强化作用。6.4 优化控冷工艺参数，收窄温度波动范围，提高钢坯加热均匀性和通条冷却效果的均匀性。- 5 -参考文献宋维锡. 金属学. 北京：冶金工业出版社，1979 王占学. 控制轧制与控制冷却. 北京：冶金工业出版社，1988刘永铨. 钢的热处理. 北京：机械工业出版社，1987 作者：樊 强，大学学历，高级工程师，现任棒线厂生产技术科副科长。
