以铌代钒生产级螺纹钢产品工艺简介

以铌代钒生产级螺纹钢产品工艺简介

1替代钢的选择与子级钢筋相比，热交换率400mpa的钢筋具有强度高、性能稳定、抗疲劳防滑性能好、板材节省等优点。2003年，南昌钢业有限公司（南钢）开始开发和生产20万吨抗兴螺钉。但由于成本高发生亏损,迫切需要开发成本低的替代钢种,经调查,铌铁由于关税的下降等原因价格逐渐下降,而钒铁的价格则明显上升,以铌代钒生产Ⅲ级螺纹钢具有好的经济效益。然而铌微合金化钢筋自然冷却条件下强度偏低,加上负偏差轧制,强度不合格可能性较大,此钢必须采取穿水冷却或一定程度提高成分使强度有所富余,然而这样做又会造成大批试样屈服不明甚至少部分试样可能出现脆断。为此,在20MnSiNb试验及大批量生产阶段进行质量跟踪分析并反馈改进就显得及其重要。2生产工艺2.1出钢合金化连铸连轧穿水冷却冷床南钢公司目前生产Φ10mm～Φ32mm规格螺纹钢,生产工艺流程:高炉铁水+废钢→60t转炉→吹氩→出钢合金化→连铸→轧制加热→[[DQ(]小型分厂(Φ18mm、Φ20mm)横列式轧机轧制棒材分厂(其余规格)连轧→穿水冷却[DQ)]]→→[[DQ(]小型分厂(Φ18mm、Φ20mm)横列式轧机轧制棒材分厂(其余规格)连轧→穿水冷却[DQ)]]→冷床冷却→包装。2.2出钢时合金化的要求转炉冶炼应准确、稳定控制化学成分在所定范围内。为了使钢水成分均匀,出钢时合金化,钢包应确保足够的吹氩时间。由于含铌低碳钢连铸时在应力作用下易产生裂纹,连铸时应控制好冷却。2.3出钢温度的确定为了获得最佳效果,选择钢坯均热温度应考虑在开轧前,使铌尽可能多地溶入奥氏体中,以提高钢筋强度。然而根据实际生产情况,棒材厂为连轧机组,是升温轧制,过高的出钢温度会造成终轧后晶粒粗大,出钢温度应相对较低;而小型厂为横列式轧机,是降温轧制,可采取较高的出钢温度,但考虑到加热炉为推钢式,温度过高易产生粘钢现象,并且过高的出钢温度不利于晶粒细化,因此出钢温度应相对较高。棒材厂根据不同的规格采取相应的轧后穿水冷却以提高螺纹钢的性能。320质量分析：mnsinb试验阶段的质量分析3.1材料的力学性能2005年3月份,南钢公司初步试验了一批不同规格的20MnSiNb,首先从铌Ⅲ级螺纹钢成分制定入手,在生产的20MnSiV成分基础上,用铌替钒进行试生产,部分产品的检验数据如表1,表2。针对表1,表2力学性能试样结果和材上组织及晶粒度分析如下:(1)抗拉强度、屈服强度均大于国标要求,有的超出国标较多;小型分厂以及棒材分厂生产螺纹钢抗拉强度偏高、屈服呈现无明显屈服现象并且延伸率普遍偏低,个别炉号延伸率不合格、冷弯断裂。延伸率低的拉断试样断口平整,断口无明显的颈缩现象,表明钢的脆性较大。(2)B5-02471Φ12mm以及B5-02755Φ25mm未穿水样性能良好,B5-02755经一组穿水冷后,抗拉强度提高10MPa,而塑性未下降,表明晶粒细化起良好的作用;B5-02471经化验锰含量较高而且小规格穿水冷速快,强度比未穿水样提高达45MPa,而塑性指标严重下降,表明钢中出现脆化组织。(3)小型生产的两炉钢强度较高而延伸率勉强合格,也与钢中的脆化组织有关。(4)小型生产钢以及棒材穿水钢都不同程度存在粒状贝氏体,钢的组织中只要存在超过一定量(约15%)的粒状贝氏体,在试样冷变形过程中钉扎位错移动,从而屈服表现为连续屈服(不明显屈服)。当粒状贝氏体含量不多时,对性能有一定的好处,可较大提高强度,而降低塑性不明显;当粒状贝氏体含量多时,强度有大幅度提高,钢的脆性也大幅增加。组织情况如图1,图2。(5)锰、铌都是粒状贝氏体形成元素,它们固溶于钢中增加钢的连续冷却曲线的稳定性,而且改变贝氏体转变区形状使该转变区更加突出。当奥氏体成分一定时,冷速越大,冷却曲线更易穿过贝氏体转变区。从化学成分来看:成分越高或加热溶于奥氏体铌越多,奥氏体越稳定,使得CCT曲线向右移动,更有利于贝氏体的形成。从棒材生产的Φ22mm螺纹钢检验数据来看,锰含量偏高同时穿水冷却速度较快,不仅生成的贝氏体量增加,而且,贝氏体的脆性也变大。相反,若降低易形成粒状贝氏体的锰含量同时控制一定的铌含量,采用一定穿水冷却速度,即使形成少量的粒状贝氏体,中温阶段粒状贝氏体组织中奥氏体小岛也不会在随后的冷却中形成马氏体,此时在力学性能上表现:强度有较大的提高而塑性下降不明显。(6)从棒材生产的Φ22mm螺纹钢金相组织状况来看,穿水样边部晶粒较细为7.0～8.0级,往内晶粒逐渐变粗,说明了终轧后穿水使得螺纹钢从表层到一定深度范围内温度降低到较低水平,保持了终轧后细化的再结晶晶粒;而钢内部温度高,使得细化的再结晶晶粒长大。施加合适的穿水冷却,尽量保留细小的晶粒使其不易长大,使抗拉强度得到一定的提高。3.2工艺调整3.2.1颗粒材料的选择初次试生产的20MnSiNb采用的是中限化学成分,结果造成塑性不足,强度有余,主要原因钢中存在较多粒状贝氏体。锰、铌都是粒状贝氏体形成元素,铌在钢中起重要作用:不仅起晶粒细化作用而且起沉淀强化作用,降低锰含量是最佳的选择。但锰是固溶强化的重要元素,每降低0.1%锰,大致使抗拉强度降低15MPa,为了保证强度指标,铌含量保持一定量,碳含量应相应增加。3.2.2制装配厂的调整普遍减弱穿水强度,按规格控制好相应的穿水冷却强度,使钢筋得到良好边部及内部组织结构,避免发生有害的贝氏体和马氏体相变。420强度工序能力对正式生产阶段的大量数据进行统计分析见表3,发现20MnSiNb强度水平不仅低于20MnSiV,而且连续式轧机生产的钢强度偏低的比例较高,部分炉号甚至由于低于企业内控或国标而改判Ⅱ级钢;同时出现较多比例屈服不明现象,尤其以横列式轧机生产的钢居多。4.2强度偏低分析由表3分析:(1)20MnSiNb抗拉强度及屈服强度的平均水平低于20MnSiV的平均水平,而延伸率水平相差不大。从工序能力指数来看:两个钢种延伸率工序能力指数相近,20MnSiNb抗拉强度及屈服强度的工序能力指数低于20MnSiV的平均水平,而其中抗拉强度工序能力指数明显偏低,1≥Cp>0.67属于工序能力不充分,此项性能相应的统计学上可能不合格率为0.5%。在铌钢中,由于铌具有细化晶粒和沉淀硬化两重作用,必须有一定的量,由于过多的粒状贝氏体可产生脆性,促进粒状贝氏体形成元素铌的存在使得具有同样作用的锰含量不宜偏高,这样锰的固溶强化作用就减弱;而钒钢中的锰可以更多地提高,以充分发挥锰的固溶强化作用。经统计:两种微合金化钢碳、硅平均含量相同,而铌微合金化钢筋平均锰含量比钒微合金钢偏低约0.1%,因此铌微合金化钢筋强度水平就自然偏低。(2)经统计:棒材分厂连续轧机与小型分厂横列式轧机所轧制的20MnSiNb螺纹钢各主要元素的化学成分相差无几,而棒材分厂抗拉性能平均值较小型分厂偏低约10MPa,说明轧制工艺对性能有较大的影响:①在钢坯加热的过程中,超过平衡量的未溶解铌会以较粗的碳氮化铌质点形式出现,这些质点在加热及开轧时可以阻止奥氏体晶粒长大,但细化晶粒效果并不卓越,只有选择更高的钢坯加热温度,使铌尽可能多地溶入奥氏体中,这样在一方面,随着轧制温度的降低,在应力的作用下可促进更多细小Nb(C,N)的析出,这种应变析出物质点阻止奥氏体再结晶,阻止晶界的移动,从而细化晶粒;在另一方面,在奥氏体向铁素体的持续相变过程中,由于铌、氮在铁素体相溶解程度小,在变动的两相界面形成更为细小的Nb(C,N)沉淀物,相变前溶于奥氏体中的铌越多,这种细小沉淀物的量也越多,强化效果也越强;②终轧温度是对性能影响的另一个重要因素,由于铌有很强的抑制再结晶能力,终轧前轧料温度降至950℃以下,就可实现未再结晶轧制,使得在拉长的奥氏体晶粒内获得更为细小的铁素体-珠光体组织,并且终轧温度低再结晶晶粒也不易长大;③另外,无论小型厂及棒材厂生产的钢筋在成分上碳、锰含量过低,都会严重影响钢筋固溶强化,造成抗拉强度指标偏低。5粒度贝氏体分析2005年6～7月,20MnSiNb螺纹钢强度有所提高,但在这时期有较大比例屈服呈现无明显屈服(连续屈服)现象,强度低于内控的比例相应很少。而2005年4～5月20MnSiNb螺纹钢强度相对偏低,较多部分强度低于内控,为了寻找其中影响因素,把二段时期所生产的20MnSiNb性能进行对比分析,(其中抗拉强度区间以620MPa为区间,经统计,抗拉强度大于此数,屈服完全表现为无明显屈服)。见表4。由表4看出:(1)无论小型和棒材生产的钢都存在一定比率不明显屈服现象,对屈服不明试样进行金相组织分析,都存在不同数量的粒状贝氏体。螺纹钢轧后穿水所形成的边部细晶组织对性能的提高有限,强度指标可提高15～20MPa,螺纹钢中存在少量的粒状贝氏体可较大提高强度指标。含有少量粒状贝氏体钢相对无粒状贝氏体钢,其平均抗拉强度提高25～30MPa,而平均延伸率仅下降0.7%～1.4%。检验中也存在极个别炉号延伸率低的状况,其内部组织存在过量的粒状贝氏体。(2)棒材分厂2005年4～5月生产的20MnSiNb抗拉强度大于等于620MPa的炉数比率为31.5%,而在2005年6～7月抗拉强度大于等于620MPa的炉数比率高达67.7%;小型分厂生产的20MnSiNb在2005年4～5月抗拉强度大于等于620MPa的炉数比率为55.8%,而在2005年6～7月抗拉强度大于等于620MPa的炉数比率相近59.9%。对比两段时期及同一生产时期抗拉强度高、低区间,各元素的含量及碳当量的平均值极为相近,由此说明:目前因成分偏高而造成较多粒状贝氏体现象为少数,粒状贝氏体所引起的强度偏高以及屈服不明现象有其它因素起作用,主要有以下因素:①出钢温度高造成溶解于奥氏体的铌量也越多,经终轧后析出的强化螺纹钢质点Nb(C,N)也越多,部分溶解状态的铌可促成贝氏体转变;②钢水浇注过热度:钢水过热度过高,易造成连铸铸坯内部粗大的等轴晶,粗大的等轴晶是成分严重的枝晶偏析,在随后的轧制加热中只能部分减轻偏析。尽管有的炉号成分偏低,但其内部存在严重的枝晶偏析,钢筋中部富炭、锰区域在随后的冷却中易形成粒状贝氏体,而边部区域尽管冷速相对快但其组织仍为铁素体加珠光体;③穿水冷却变强或者穿水冷却波动易造成在强冷却阶段发生粒状贝氏体转变。6可显著替代20mnsinb(1)钒微合金化钢筋具有较高的塑性和强度配比,其性能受生产条件影响不大。相比之下,20MnSiNb要依靠