应用氮化钒铁开发澳标500E钢筋

1、应用氮化钒铁开发澳标500E钢筋赵彻1， 梁新维2， 王琪3， 徐海斌3（河北钢铁集团承德分公司 技术中心， 河北 承德， 067002）摘 要： 承钢采用氮化钒铁微合金化技术和热轧钢筋生产工艺成功开发了澳标500MPa级低碳当量抗震延性钢筋，钢筋具有低Ceq、高强度、高强屈比以及良好的Agt值等特点。关键词： 钢筋； 抗震； 热轧； 氮化钒铁； 碳当量1 引言澳大利亚和新西兰两国共同制定的标准： 钢配筋材料 AS/NZS4671:2001中将钢筋分为低延性（L）、一般延性（L）和抗震延性（E），500E钢筋属于其中500MPa级别抗震延性钢筋。2 澳标500E抗震延性钢筋性能、成分要求以及与

2、国内500MPa抗震钢筋差异2.1 力学性能牌号屈服强度ReL/MPa抗拉强度Rm/MPa最大力总伸长率Agt/%强屈比屈标比澳标500E500600（1.15-1.40ReL10.01.151.40-HRB500E5006309.01.251.30表1 澳标500E和国标HRB500E钢筋力学性能要求澳标500E钢筋屈服强度要求为500600MPa，范围为100MPa，国标HRB500E抗震钢筋强屈要求为500650MPa，范围为150MPa，比澳标要求宽；国标HRB500E抗震钢筋强屈比下限为1.25，澳标500E强屈比下限为1.15；最大力总伸长率Agt国标要求低于澳标，见表1。2.2

3、工艺性能要求 牌号公称直径d弯心半径弯曲角度正弯90后反弯角度澳标500E164d9090204d180NAHRB500E6-256d1802028-407d1802040-508d18020表2 HRB500E和澳标500E钢筋工艺性能要求国标HRB500E级钢筋和澳标500E级钢筋冷、反弯性能要求各有特点，见表2。从弯心半径要求来看，澳标500E钢筋冷弯要求比国内标准要求严格；反向弯曲国内HRB500E钢筋所有规格在正弯90后均要求反弯角度为20，澳标500E钢筋16mm 规格反弯角度为90，20mm 规格不要求反弯。2.3 化学成分要求牌号分析类型化学成分/% 不大于CSiMnPSCeq

4、HRB500E成品0.250.801.600.0450.0450.55澳标500E熔炼0.220.0500.0500.49成品0.240.0550.0550.51Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15表3 HRB500E和澳标500E钢筋化学要求HRB500E和澳标500E钢筋化学要求见表3，澳标500E钢筋化学成分控制只规定了碳当量和碳、磷、硫元素的上限，其它合金元素添加量未作具体规定；国标HRB500E钢筋则详细规定了碳、硅、锰等元素以及碳当量的上限，且国标碳当量上限比澳标高0.06%。国标和奥标抗震钢筋都允许生产者自行决定微合金化方式与添加量。2.4 钢筋外形

5、要求国内HRB500E钢筋为月牙肋，澳标500E钢筋通常为等高肋。2.5 钢筋生产方式要求奥标500E钢筋未明确规定钢筋生产工艺；国标GB1499.2-2007标准中明确区分了钢筋的不同生产工艺（热轧钢筋、余热处理钢筋、控轧细晶钢筋）。3 承钢生产澳标500E钢筋工艺和性能控制3.1 澳标500E钢筋生产工艺控制目前国内钢筋生产工艺大致可分为以下三种：1）热轧态钢筋；2）余热回火处理钢筋即广义的穿水钢筋；3）控轧控冷细晶钢筋。近年来，国外标准中都在逐渐淡化生产工艺要求，只要产品各项性能都符合规定，除非特殊要求的合同，生产者都可以自行决定生产工艺。解读欧洲体系的标准体系，他们认为钢筋的生产工艺无

6、论是热轧还是冷轧仅仅影响的是力学性能与疲劳性能，包括强度、延伸率尤其是强屈比。强屈比是间接限定生产工艺的最适合方法，这其中控轧控冷钢筋强屈比最低；穿水钢筋介于热轧与冷轧之间；热轧钢筋强屈比最高。我们经过市场调查认为：目前形成规模的只有首钢螺纹从某种意义上讲真正做到了控轧控冷细晶钢筋，其他厂家多为热轧钢筋和穿水钢筋。承钢受制于轧机能力限制目前尚无法批量生产控冷细晶钢筋。而且我们通过试验发现，承钢穿水钢筋强屈比介于1.051.20之间，大部分都处于1.10以下，不能达到澳标抗震延性钢筋对强屈比的要求；热轧态钢筋强屈比介于1.201.55之间，因此我们选定澳标500E钢筋生产工艺为热轧态钢筋，为保证

7、产品强度性能，还可以辅助以轻穿水工艺。3.2 澳标500E钢筋性能控制热轧态钢筋在轧制工艺稳定的情况下其强度和性能主要受钢材化学成分影响，国内抗震钢筋主要是在HRB335钢的基础上辅助以不同微合金化方式生产，微合金化方式主要有钒微合金化和铌微合金化两种。澳标500E钢筋化学成分控制看似很宽松，实现起来却很难。从承钢长期钢筋生产经验来看，如果钢筋中锰含量超过1.60%，则大大增加钢筋脆断的可能性，而澳标500E钢筋熔炼成分碳当量被严格限制在0.49%以下、碳含量上限为0.22%。当碳含量为0.22%、锰含量为1.50%左右时，C+Mn的碳当量已经达到0.47%，如果加上其它元素的影响，碳当量必定

8、要超出上限。因此，澳标500E钢筋对碳当量的要求严重制约了碳、锰元素对强度的贡献。3.2.1 钢中碳的控制碳元素是有效提高钢筋屈服强度和强屈比的主要元素，而且也是最廉价的合金元素。通过统计，热轧钢筋中碳元素每提高0.01%，提高屈服强度10MPa左右，且碳元素对强屈比的贡献1.25。因此，为降低钢筋成本、提高钢筋强度和强屈比，碳元素熔炼成分上限为0.22%为宜。3.2.2 硅元素的控制硅元素也是提高钢屈服强度和强屈比的元素之一，但是硅元素对强度的贡献不明显，为了保证钢材脱氧良好和具有较好的强屈比性能，硅元素应控制在0.20-0.40%。3.2.3 锰元素的控制锰元素也是有效提高钢筋屈服强度和强

9、屈比的主要元素，热轧钢筋中锰元素每提高0.10%，屈服强度提高约10MPa左右，锰元素对强屈比的贡献也1.25。由于受500E钢筋碳当量限制，当碳元素为0.22%时，去除Cr、V等元素对碳当量的影响约0.04%，锰元素含量最大只能限制在1.38%以内。3.2.4 残余元素的控制承钢矿资源中镍和铜的含量很低，对碳当量基本不构成影响，但铁精粉中铬元素较高，铁水如果不经过提钒工序直接炼钢，钢中残Cr约0.15%以上，铬元素在螺纹钢中主要影响焊接性能，对强度影响不大，但如果铁水不经过提钒处理，将影响0.03%左右的碳当量，严重影响其它合金元素添加量。因此，我们规定生产500E钢筋的铁水须经过提钒处理。

10、3.2.5 硫、磷元素的控制奥标钢筋对S、P的要求较国内宽松，但从长期生产经验来看，钢筋中中S、P如果大于0.045%，则对钢筋冷反弯性能产生不利影响。因此我们沿用国内标准将钢中S、P元素限制在0.045%以下。3.2.6 微合金化元素的控制受澳标500E钢筋碳当量以及碳元素含量的限制，钢中碳、锰元素含量都受到影响，在这样的条件下，中等规格以上热轧螺纹钢筋屈服强度最高只能达到350-360MPa左右。我们理想状态下500E钢筋屈服强度应在520-540MPa（承钢钢筋规定出厂强度检验应有20MPa余量，否则时效后复验合格才能出厂），钢筋实行轻穿水工艺可提高强度10-20MPa，这样需要通过微合

11、金化提高屈服强度160MPa以上。使用钒铁微合金化不能达到如此高的强度，使用钒铁合金化，钒主要起到固溶强化作用，析出强化和细晶强化作用较小，热轧态下，使用钒铁微合金化，0.01%的V约影响屈服强度10MPa左右。而且钒对强度的贡献不是线性的，约在0.110.12%左右出现拐点，钒对强度的贡献见图1和图2。图1 某钢种钒元素含量与抗拉强度散点图图2 某钢种钒元素含量与屈服强度散点图3.2.6.1 Nb微合金化Nb合金化强度可以达到钒铁微合金化强度的1.4倍，且Nb元素不参与碳当量计算，使用Nb合金化还可适当上调C、Mn含量。但是目前热轧钢筋生产过程一般是升温轧制，钢筋在终轧机架的出口温度在110

12、0以上，钢筋生产很难满足含Nb钢要求的低温大变形的工艺条件；另外，加热温度在1200左右时，仅有0.02%左右的Nb能固溶到钢中，钢筋的生产工艺条件难以发挥含Nb钢细晶强化作用。通过试验发现，钢中Nb含量超过0.03%以后，含Nb钢筋生产难度明显增大，连铸过程中铸坯裂纹倾向和轧制过程中坯头开裂现象明显增多。因此我们认为Nb微合金化目前只适合生产500MPa以下级别中、小规格钢筋。3.2.6.2 氮化钒铁微合金化氮化钒铁（V50，N12）微合金化可明显提高钒的析出强化和细晶强化作用，显著提高了钢筋的屈服强度，氮化钒铁对强度的贡献实测是钒铁的1.4倍以上，且加入量范围宽、生产工艺简单、价格基本和钒

13、铁相当，比铌铁价格低一倍以上，非常适合生产高强度钢筋；氮化钒铁加入量较大时会降低钢筋强屈比，但实测都在1.20以上，符合澳标钢筋要求。4 承钢生产澳标500E钢筋炼钢生产工艺4.1 12-16mm钢筋由连轧机组生产4.1.1 工艺路线高炉铁水40吨转炉提钒40吨转炉冶炼方坯连铸钢坯检验钢坯加热连轧生产线4.1.2 生产工艺控制a) 炉前实行拉碳控制，提高钢水纯净度，以保证钢筋冷反弯性能。b）小规格钢筋压缩比较大，强度容易提高，可适当减少氮化钒铁的加入量。4.2 20以上钢筋由棒材生产线生产3.2.1 工艺路线混铁炉100吨转炉提钒100吨转炉冶炼LF轻处理方坯连铸钢坯检验棒材生产线3.2.2

14、生产工艺控制a）实行拉碳控制，提高钢水纯净度，以保证钢筋冷反弯性能。b）25以上钢筋适当增加氮化钒铁加入量。c）为确保大规格钢筋冷反弯性能，25以上钢筋采用LF轻处理工艺，延长吹氩时间和补偿温度损失。d）大规格钢筋连铸采用保护浇注工艺，保证铸坯表面质量。e）棒材钢筋采取轻穿水工艺，可提高强度10-20MPa。5 生产结果分析5.1 产品屈服性能和熔炼成分承钢生产的澳标500E钢筋屈服强度在535-555MPa之间，全部符合要求，熔炼成分与屈服强度见图3。图3 某规格500E屈服强度与熔炼成分5.2 产品强屈比与Agt统计了某一批次产品强屈比与Agt值，结果全部符合要求，见表4。项目强屈比Agt平均值1.259 12.1 最大值1.274 13.7最小值1.236 10.9表4 某批次500E强屈比与Agt统计结果5.3 产品冷反弯性能所有批次产品冷反弯检验全部合格，且不需要时效。6 结论6.1 承钢应用氮化钒铁微合金化技术成功开发了澳标500E钢筋。6.2 氮化钒铁与