铌微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法

技术领域

本发明属于热轧钢筋生产技术领域，提供了一种铌微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法。

背景技术

混凝土用热轧带肋钢筋(以下简称钢筋)是我国最大的单一钢铁品种，长期以来占我国粗钢产量的20％以上，加上我国60％以上地区处于地震易发区，因此抗震钢筋的产品升级和质量提升不但关系到建筑和人民生命财产安全，而且对于钢铁行业的高质量发展，以及“碳达峰、碳中和”战略具有重大意义。

现阶段，我国实施的混凝土用热轧带肋钢筋国家标准是GB/T 1499.2-2018，标准对钢筋强度等级、生产工艺和金相组织等提出了要求，标准中强度等级最低牌号HRB400(E)要求下屈服强度为400MPa以上、抗拉强度为540MPa以上，满足抗震要求的HRB400E还要求强屈比(实测抗拉强度/实测下屈服强度)不低于1.25，屈标比(实测下屈服强度/400MPa)不高于1.30，最大力总延伸率不低于9％。

目前，钢厂生产HRB400E钢筋方法主要采用钒或者铌微合金化。由于铌能够扩大奥氏体非再结晶区，通过低温控制轧制实现性能提高。专利公告号CN100465321C、发明名称为“含微量铌控冷钢筋用钢及其生产方法”公开了通过加入0.005～0.015％Nb，并结合轧制过程中对轧件的控制冷却，获得了400MPa级钢筋。但其生产出的热轧钢筋的显微组织85％以上为铁素体+珠光体，不能避免含有贝氏体(粒状贝氏体)等组织。这会导致所获得的钢筋力学性能检验中拉伸曲线的屈服平台不明显，进而影响性能。此外，该专利中Si的含量偏高，也使得合金成本较高。

专利公告号CN 113373377B、发明名称为“低成本且表面氧化铁皮厚度10μm以上的高速棒材螺纹钢及生产方法”公开了通过加入0.015～0.035％Nb进行成分设计，经过高速棒材轧制，获得了Φ10～Φ25的含Nb HRB400E直条螺纹钢筋。然而，由于在该钢筋的制造过程中Nb的加入量较高，从而不利于广泛推广应用。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了一种铌微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法，在保持加入微量铌的情况下，获得了一种铌微合金化热轧带肋钢筋，其金相组织均为铁素体和珠光体。

根据本发明的一个方面，提供了一种铌微合金化热轧带肋钢筋，所述铌微合金化热轧带肋钢筋中的化学成分按重量百分比计为：C：0.20％～0.25％，Si：0.20％～0.30％，Mn：1.10％～1.30％，Nb:0.005～0.010％，P：<0.045％，S：<0.045％，N<0.008％；其余为Fe和杂质元素，其中所述铌微合金化热轧带肋钢筋的金相组织仅包括铁素体和珠光体。

进一步地，在铌作为微量添加元素的情况下，通过控制轧制和冷却的参数来获得所述铌微合金化热轧带肋钢筋。

进一步地，用于生产铌微合金化热轧带肋钢筋的钢坯出炉并经过水除鳞后连续轧制过程处理，所述连续轧制过程包括粗轧机组轧制、中轧机组轧制、预精轧机组轧制和精轧机组轧制。

进一步地，通过控制预精轧阶段的轧机功率和控制冷却条件的参数来获得所述铌微合金化热轧带肋钢筋。

进一步地，在连续轧制过程中，钢坯经过水冷却装置，钢坯粗轧开轧温度为960℃～980℃，经中轧机组轧制后，进预精轧机组的温度为850℃～880℃，出预精轧后钢坯经过水冷至750℃～800℃并进精轧机组轧制，其中精轧阶段总截面面积减率大于70％。

进一步地，精轧后通过分级冷却钢筋表面控冷至550℃～600℃，冷速大于100℃/s；返温后钢筋表面的温度为750℃～780℃上冷床缓冷。

进一步地，在连续轧制之前，钢坯还经过铁水预处理、转炉炼钢、精炼、连铸和连铸坯加热，其中在连铸坯加热中，将连铸坯在步进梁加热炉中加热，均热温度控制在980℃～1000℃之间，加热时间为60min～80min。

根据本发明的另一个方面，提供了一种铌微合金化热轧带肋钢筋的生产方法，所述铌微合金化热轧带肋钢筋是上述的铌微合金化热轧带肋钢筋，

所述生产方法包括：

(1)提供高炉铁水；

(2)铁水预处理：高炉铁水经脱硫工艺后S含量的重量百分比控制为小于0.015％；

(3)转炉炼钢：转炉中加入经脱硫处理后的铁水，控制废钢装入量占总装入量不超过15％，在达到终点成分及出钢温度后，吹炼结束；滑板挡渣出钢，在出钢1/3时，加入脱氧剂对钢液进行脱氧，加入硅锰合金元素和增碳剂，出钢2/3时加完，出钢结束后转入精炼；

(4)精炼：在钢包中吹入保护气体进行不少于10min的精炼，在吹保护气体精炼脱氧良好后加入铌铁，待熔炼成分合格后，停止精炼，开始进行浇注；

(5)连铸：连铸中包采用碱性保护渣，连铸钢包和中间包采用长水口保护浇铸，中间包过热度不大于15℃，最终获得连铸坯；

(6)连铸坯加热：将连铸坯在加热炉中加热，均热温度控制在980℃～1000℃之间，加热时间为60min～80min；

(7)控制轧制控冷冷却：钢坯出炉并水除鳞后连续轧制，所述连续轧制包括粗轧机组轧制、中轧机组轧制、预精轧机组轧制和精轧机组轧制，期间经过水冷却装置，钢坯在粗轧机组中的粗轧开轧温度为960℃～980℃，经中轧机组轧制后，进预精轧机组中的温度为850℃～880℃，出预精轧机组后钢坯经过水冷至750℃～800℃后，送进精轧机组中进行精轧；

(8)轧后控制冷却：精轧后通过分级冷却钢筋表面，控冷至550℃～600℃，冷速大于100℃/s，返温后钢筋表面的温度为750℃～780℃，上冷床缓冷后获得所述的铌微合金化热轧带肋钢筋。

进一步地，所述保护气体包括氩气，所述连铸坯的横截面尺寸为150mm×150mm～170mm×170mm；

所述铸坯加热的步骤中的加热炉为步进梁加热炉。

进一步地，所述精轧阶段总截面面积减率大于70％；

在轧后控制冷却步骤中，钢筋上冷床缓冷后，经过切定尺、集捆和包装后获得所述的铌微合金化热轧带肋钢筋。

根据本发明实施例所述的铌微合金化热轧带肋钢筋及其的生产方法具有以下优点中的至少一个：

(1)本发明采用Nb微合金化的成分设计，结合控制轧制控制冷却生产出的钢筋性能指标满足下屈服强度≥425MPa，抗拉强度≥570MPa，最大力总延伸率≥12％，抗拉强度/屈服强度≥1.30，屈服强度/屈服强度特征值≤1.12；均满足GB/T1499.2中HRB400E的性能要求，其金相组织均为铁素体和珠光体，尺寸涵盖直径6mm～16mm。

(2)本发明的实施例中，仅通过硅锰合金和Nb微合金化，合金成本经济。

附图说明

本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1A是根据本发明的实施例1获得的屈服强度为425MPa级热轧抗震钢筋的显微组织的金相照片；

图1B是根据本发明的实施例2获得的屈服强度为425MPa级热轧抗震钢筋的显微组织的金相照片；

图1C是根据本发明的实施例3获得的屈服强度为425MPa级热轧抗震钢筋的显微组织的金相照片；

图2是根据本发明的另一个实施例的铌微合金化热轧带肋钢筋的生产方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

为了实现铌微合金化热轧带肋钢筋的性能改善，本发明提供了一种铌微合金化热轧带肋钢筋以及相应的生产方法。

具体地，本发明在保持采用微量铌元素添加的情况下，通过控制钢筋生产方法中的轧制和冷却参数，提供了一种高性能的钢筋材料，且其金相组织均为铁素体和珠光体。或者说本发明提供的钢筋的金相照片中仅能看到其金相组织为铁素体和珠光体，没有看到贝氏体组织。

在一个优选的实施例中，本发明通过控制生产方法中的钢坯精轧阶段的功率和冷却条件，实现钢筋的金相组织仅为铁素体和珠光体。

在一个优选的实施例中，钢筋可以是HRB400(E)钢筋，满足GB/T 1499.2中HRB400E的性能要求，组织均为铁素体和珠光体，尺寸涵盖直径6mm～16mm。

在一个示例中，所述铌微合金化热轧带肋钢筋中的化学成分按重量百分比计为：C：0.20％～0.25％，Si：0.20％～0.30％，Mn：1.10％～1.30％，Nb:0.005～0.010％，P：<0.045％，S：<0.045％，N<0.008％；其余为Fe和杂质元素，其中所述铌微合金化热轧带肋钢筋的金相组织结构仅包括铁素体和珠光体。

在铌作为微量添加元素的情况下，通过控制轧制和冷却的参数来获得所述铌微合金化热轧带肋钢筋。

进一步地，用于生产铌微合金化热轧带肋钢筋的钢坯出炉并经过水除鳞后连续轧制过程处理，所述连续轧制过程包括粗轧机组轧制、中轧机组轧制、预精轧机组轧制和精轧机组轧制。

具体地，通过控制预精轧阶段的轧机功率和控制冷却条件的参数来获得所述铌微合金化热轧带肋钢筋。

在连续轧制过程中，钢坯经过水冷却装置，钢坯粗轧开轧温度为960℃～980℃，经中轧机组轧制后，进预精轧机组的温度为850℃～880℃，出预精轧后钢坯经过水冷至750℃～800℃并进精轧机组轧制，其中精轧阶段总截面面积减率大于70％。

进一步地，精轧后通过分级冷却钢筋表面控冷至550℃～600℃，冷速大于100℃/s；返温后钢筋表面的温度为750℃～780℃上冷床缓冷。

在连续轧制之前，钢坯还经过铁水预处理、转炉炼钢、精炼、连铸和连铸坯加热，其中在连铸坯加热中，将连铸坯在步进梁加热炉中加热，均热温度控制在980℃～1000℃之间，加热时间为60min～80min。

下面介绍，本发明钢筋中的各添加元素的作用及配比依据如下：

碳(C)：碳是提高钢筋强度最有效且廉价的元素，随着C含量的增加，钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，为保证钢筋的强度，又不因为其含量过高导致焊接性能的降低，因此本发明的钢筋中C含量的范围限定在0.20％～0.25％。

硅(Si)：硅是常用的脱氧元素，同时有较强的固溶强化作用，有利于提高钢的强度，但Si含量过高时，不利于钢筋外表面起保护作用的氧化铁皮的生成，还会增加合金成本，本发明的钢筋中将Si含量的范围限定在0.20％～0.30％。

锰(Mn)：锰是重要的强韧化元素和良好的脱氧剂、脱硫剂，太低的Mn则不能保证钢的强度，但太高的Mn对钢坯中心偏析有不利影响，对于本发明，将其含量的范围限定在1.10％～1.30％，便于直接通过硅锰合金元素加入达到钢筋的硅和锰含量配比。

磷(P)和硫(S)：钢中杂质元素，显著降低塑韧性和焊接性能，其含量应在不显著增加成本的情况下越低越好，均控制在0.045％以下。

铌(Nb)：铌是强碳氮化合物形成元素，能提高钢的奥氏体非再结晶温度。可以在更高的轧制温度下进行奥氏体非再结晶区轧制，从而获得带有较多形核位置的奥氏体晶粒，进而通过奥氏体相变获得细小的组织；此外Nb在控制轧制过程中，通过Nb的碳氮化物的应变诱导析出可以钉轧奥氏体晶粒，细化奥氏体晶粒，以及在奥氏体和铁素体中的析出强化来提高强度。同时在满足性能要求的前提下，经济性使用，本发明设定其含量在0.005％～0.010％。

氮(N)：氮含量在转炉炼钢中一般为0.0050％，该发明中对其限制

N<0.008％，主要是为了降低铌的碳氮化物固溶于奥氏体中的温度和析出温

度，使轧制时钢坯加热温度不必过高，更充分地发挥铌的强化作用。

本发明的铌微合金化热轧带肋钢筋可以是抗震螺纹HRB400E钢筋。

根据本发明的另一个实施例提供了一种铌微合金化热轧带肋钢筋的生产方法。如图2所示，所述生产方法包括以下流程：(1)提供高炉铁水(高炉冶炼铁水)→(2)铁水预处理→(3)转炉冶炼→(4)精炼→(5)连铸→(6)连铸坯加热→(7)控制轧制控冷冷却→(8)轧后控制冷却。

具体地，每个步骤的主要内容如下：

(1)高炉冶炼铁水；

(2)铁水预处理：高炉铁水经脱硫工艺后S含量的重量百分比控制为：＜0.015％；

(3)转炉炼钢：转炉中加入步骤(2)中经脱硫处理后的铁水，控制废钢装入量占总装入量不超过15％，在达到终点成分(或目标成分)及出钢温度

后，吹炼结束，滑板挡渣出钢，在出钢1/3时，加入脱氧剂对钢液进行脱氧，加入适当含量的硅锰合金元素和增碳剂，出钢2/3时加完，出钢结束后转入精炼；

(4)精炼：在钢包中吹入例如氩气的保护气体进行不少于10min的精炼，在吹氩精炼脱氧良好后加入铌铁，待熔炼成分合格后，停止精炼，开始进行浇注；

(5)连铸：连铸中包采用碱性保护渣，连铸钢包和中间包采用长水口保护浇铸，中间包过热度不大于15℃，最终获得截面尺寸为150mm×150mm

～170mm×170mm的连铸坯；

(6)连铸坯加热：将连铸坯在步进梁加热炉中加热，均热温度控制在

980℃～1000℃之间，加热时间为60min～80min。

本发明中通过对连铸坯均热温度进行上述控制，既可以使微铌铸坯中的

Nb(C,N)完全溶解并扩散均匀，又可以有效防止奥氏体晶粒长得过大。同时，

上述较低的均热温度还降低了连铸坯开轧温度，有利于各道次轧制细化晶粒的效果。

(7)轧制阶段(控制轧制控冷冷却)：钢坯出炉并水除鳞后连续轧制，

连续轧制包括粗轧机组轧制、中轧机组轧制、预精轧机组轧制和精轧机组轧

制，期间经过水冷却装置，钢坯在粗轧机组中的粗轧开轧温度为

960℃～980℃，经中轧机组轧制后，进预精轧机组中的温度为850℃～880℃，出预精轧机组后钢坯经过水冷至750℃～800℃后，送进精轧机组中进行精轧制，

其中精轧阶段总截面面积减率大于70％(总截面面积减率＝(精轧前截面积-精轧后截面积)/精轧前截面积)；

本发明中通过对钢坯实施以上的进预精轧机中的温度要求，可以获得细小的奥氏体晶粒，为后续精轧工艺做准备。随后按上述工艺进行精轧时，可以通过形变诱导析出Nb(C,N)，同时使Nb(C,N)析出的温度与铁素体转变温度耦合，利用从奥氏体向铁素体转变时相间析出的细小Nb(C,N)阻碍相变铁素体晶粒长大，从而一方面通过获得细晶组织提高钢筋的强度，另一方面析出的细小

Nb(C,N)起到析出强化的作用。

经过实际生产验证，精轧变形阶段钢坯的截面面减率越大，Nb(C,N)析出温度越高，并且形变奥氏体缺陷密度越高，促进铁素体相变的温度也越高，当其大于70％，可以实现Nb(C,N)析出与铁素体相变耦合，析出强化和晶粒细化共同带来的强化效果明显。

(8)轧后控制冷却：精轧后通过分级冷却钢筋表面，控冷至

550℃～600℃，冷速大于100℃/s；返温后钢筋表面的温度为750℃～780℃，上冷床缓冷，经过切定尺、集捆和包装后获得本发明所述的钢筋。

本发明通过对钢筋精轧后进行控制冷却，实现了以快速冷却阻止相变铁素体和形变铁素体再结晶后的长大，保留精轧后的细化晶粒；同时抑制析出

Nb(C,N)的粗化，从而确保细晶强化和析出强化效果。当钢筋表面冷却至

550℃～600℃时，其宏观金相无封闭环，各位置金相组织均为铁素体+珠光体，满足GB1499.2-2018的组织和性能的要求。

根据本发明上述的生产方法，所制备获得的铌微合金化热轧带肋钢筋(以下简称钢筋)的实际化学成分如表1所示。

表1本发明钢筋的化学成分(wt％)

本发明生产的各规格钢筋的实际工艺参数如表2所示，轧制下线后的钢筋的性能指标结果如表3所示。由表3可以看出，本发明生产各规格的钢筋各项指标达到：屈服强度≥425MPa，抗拉强度≥570MPa，最大力总延伸率≥12％，抗拉强度/屈服强度≥1.30，屈服强度/屈服强度特征值≤1.12。实施例的金相组织分别如图1A～1C所示，其金相组织均为铁素体+珠光体组织。

表2本发明钢筋的轧制工艺参数

表3本发明钢筋的各种性能指标结果

与相关的现有技术相比，本发明实施例提供的铌微合金化热轧带肋钢筋及其生产方法具有以下优点中的至少一个：

(1)本发明采用Nb微合金化的成分设计，结合控制轧制控制冷却生产出的钢筋性能指标满足下屈服强度≥425MPa，抗拉强度≥570MPa，最大力总延伸率≥12％，抗拉强度/屈服强度≥1.30，屈服强度/屈服强度特征值≤1.12；均满足GB/T1499.2中HRB400E的性能要求，组织均为铁素体和珠光体，尺寸涵盖直径6mm～16mm。

(2)本发明的实施例中，仅通过硅锰合金和Nb微合金化，合金成本经济。

虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。