HRB400E热轧带肋钢筋增氮强化的生产实践

第43卷第6期2020年12月V ol.43No.6Dec.2020
辽宁科技大学学报Journal of University of Science and Technology Liaoning HRB400E 热轧带肋钢筋
增氮强化的生产实践
康建光1，战东平2，王荣健2，杨永坤2，刘新2，谈昕晖3
（1.无锡新三洲特钢有限公司，江苏无锡214000；2.东北大学冶金学院，
辽宁沈阳110819；3.浙江长兴同昕炉料有限公司，浙江湖州313100）
摘要：某特钢公司探索了微合金化+增氮强化工艺生产HRB400E 热轧带肋钢筋，在减少V 、Nb 合金加入、降低生产成本的同时，微观组织和力学性能均满足了新版国家标准对热轧带肋钢筋的要求。

采用V 微合金化+增氮强化工艺和Nb 微合金化+增氮强化工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋，与原工艺相比分别节约了0.020%~0.025%V 和0.012%~0.013%Nb+0.005%~0.010%V ；与常规V 微合金化工艺相比，V 微合金化+增氮强化工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋屈服强度和抗拉强度均略有增加；与常规V-Nb 复合微合金化工艺相比，Nb 微合金化+增氮强化工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋抗拉强度与原工艺保持相当，而屈服强度略有增加；采用微合金化+增氮强化工艺生产的热轧带肋钢筋具有良好的铁素体+珠光体微观组织形态，未见异常组织，铁素体晶粒度均能达到11级。

关键词：HRB400E 热轧带肋钢筋；增氮强化工艺；微合金化；力学性能
中图分类号：TG335.64文献标识码：A 文章编号：1674-1048（2020）06-0405-05
DOI ：10.13988/tl.2020.06.002
新版国家标准GB1499.2—2018《钢筋混凝土用钢—第2部分：热轧带肋钢筋》对热轧带肋钢筋的质量提出明确要求。

热轧带肋钢筋的金相组织主要是铁素体和珠光体，不得有影响使用性能的其它组织存在，晶粒度为9级或更细。

螺纹钢如何在不增加Si 、Mn 、Nb 、V 等合金成本的同时，达到国家新标准的要求是生产企业面临的新课题［1］。

V 微合金化是发展高强度热轧钢筋的主要技术路线之一，在钢液中加入适量含V 合金，可以形成具有强化作用的细小弥散分布的碳氮化物。

研究表明［2］，氮是含V 微合金钢中十分有效的合金化
元素，与V 具有较强的亲和力，钢中增氮能促进含V 第二相的析出，起到细化晶粒的作用，进而改善钢的强韧性。

含V 钢中每增加10×10-6的氮可提高强度8MPa ，可节约20%~40%的V ，有效降低钢材生产成本［3-5］。

目前，向钢液中增氮主要有两种方式：一种是加入富氮合金，钢中氮质量分数较易精确控制，但成本较高；另一种是吹入氮气增氮，冶炼成本较低，但是钢中氮质量分数控制不稳定，且易造成钢液温度降低。

某特钢公司尝试采用微合金化+增氮强化生
产工艺，在降低生产成本的同时，充分利用合金元素的沉淀析出强化作用，生产的热轧带肋钢筋可以满足国家标准的强度、韧性等性能要求。

1热轧带肋钢筋生产工艺
某特钢公司采用目前螺纹钢筋生产企业普遍使用的设备和工艺，生产流程：600m 3高炉铁水—收稿日期：2020-09-24。

基金项目：国家自然科学基金（51874081）。

作者简介：康建光（1974—），男，河北石家庄人，高级工程师。

通讯作者：战东平（1976—），男，黑龙江鹤岗人，
教授。

辽宁科技大学学报第43卷60t 转炉吹炼—吹氩站—连铸—加热炉—连轧。

转炉用铁水成分：碳质量分数4.5%~4.8%，硅质量分数0.3%~0.5%，锰质量分数0.1%~0.2%，磷、硫和钛质量分数分别控制在0.14%、0.05%和0.07%以下。

转炉出钢过程加入FeSi 合金、MnSi 合金、
FeNb 合金（或FeV 合金）进行脱氧合金化，并加入4.5~5.0kg/t 的增氮强化剂（成分为：CaO 40%，Al 2O 323%，Re 25%，N 10%，SiO 22%），出钢全程底吹氮气进行充分搅拌。

在炉后吹氩站使用碳包芯线进行成分微调，钢水处理时间确保8min 以上。

钢包全程加盖保护，并保持18min 浇注周期的快节奏生产模式，减少钢水转移和浇注过程中的温度损失，确保钢水的洁净度。

加热炉预热段、加热段、开轧、上冷床温度控制分别为800~850、1020~1040、1000~1050、850~900℃。

采用18架Pomini 平立交替连轧机组：6架粗轧机、6架中轧机、6架精轧机。

中轧后进行预穿水，穿水压力0.5~0.6MPa 。

采用精轧Ⅰ架预切分和Ⅲ架切分的轧制模式，其中Φ10、Φ12、Φ14规格四切分轧制，Φ16、Φ18、Φ20规格三切分轧制，Φ22和Φ25规格两切分轧制，Φ28规格单线轧制。

步进式冷床下部设置风机，针对不同规格采取差异化的冷却速率，确保钢材组织的均匀和性能的稳定。

2微合金化+增氮强化生产热轧带
肋钢筋实践结果
2.1原工艺与新工艺生产热轧带肋钢筋成分及力学性能
原工艺包括V 微合金化和V-Nb 微合金化生产热轧带肋钢筋，新工艺包括V 微合金化+增氮强化和Nb 微合金化+增氮强化生产热轧带肋钢筋。

表1为原工艺和新工艺生产热轧带肋钢筋的控制
方式。

其中V 以VN16合金加入进行合金化处理，Nb 以FeNb60合金加入进行合金化处理，N 以加入特制增氮剂配合底吹氮气共同控制其质量分数。

原工艺与新工艺生产热轧带肋钢筋成分如表2所示。

C 、Si 、Mn 、P 、S 元素的质量分数控制在规定范围内，V 、Nb 和N 的质量分数控制范围有所不
表1原工艺与新工艺生产热轧带肋钢筋的控制方式
Tab.1Control methods of hot rolled ribbed steel bars produced by original and new processes
编号1#2#3#4#生产工艺V 微合金化V-Nb 微合金化V 微合金化+增氮强化Nb 微合金化+增氮强化V 加入方式VN16合金VN16合金VN16合金—Nb 加入方式—FeNb60合金—FeNb60合金增氮强化方式
—
—
特制增氮剂配合底吹氮气
特制增氮剂配合底吹氮气
表2原工艺与新工艺工艺生产热轧带肋钢筋成分质量分数，%
Tab.2Chemical compositions of hot rolled ribbed bars produced by original and new processes (mass fraction)，%
编号1#2#3#4#C 0.22~0.250.22~0.250.22~0.250.22~0.25Si 0.40~0.500.40~0.500.40~0.500.40~0.50Mn 1.35~1.451.35~1.451.30~1.401.30~1.40P ≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045S ≤0.045
≤0.045
≤0.045≤0.045Nb —0.020~0.025—0.008~0.012V 0.030~0.0400.005~0.0100.010~0.015—N 0.005~0.0060.004~0.0050.014~0.0160.014~0.016Fe Bal.Bal.Bal.
Bal.
同。

与原工艺V 微合金化相比，采用新工艺V 微合金化+增氮强化生产时，钢筋中V 的质量分数减少了0.020%~0.025%，N 的质量分数增加了0.009%~0.010%。

与原工艺V-Nb 复合微合金化相比，采用新工艺Nb 微合金化+增氮强化生产时，钢筋中Nb 的质量分数减少了0.012%~0.013%，N 的质量分数增加了0.010%~0.011%，且不用加入V 合金。

每种工艺随机选择10~12炉，对原工艺和新工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋进行力学性能分析，结果如表3和图1所示。

与原V 微合
··
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第6期表3生产的热轧带肋钢筋力学性能，MPa
Tab.3Mechanical properties of hot rolled ribbed bars ，MPa
编号1#2#3#4#屈服强度435~450430~445440~455440~460平均屈服强度440.83438.75448.0450.0抗拉强度605~620605~630610~620605~625平均抗拉强度
611.67
617.92
615.5
617.5
图1热轧带肋钢筋力学性能
Fig.1Mechanical properties of hot rolled ribbed bars
金化工艺相比，采用新工艺V 微合金化+增氮强化生产时，在降低V 质量分数、节约生产成本的同时，屈服强度和抗拉强度均略高于原V 微合金化工艺产品，其中平均屈服强度高7.17MPa ，平均抗拉强度高3.83MPa 。

与原V+Nb 复合微合金化工艺相比，采用新工艺Nb 微合金化+增氮强化生产时，在省去V 合金加入、降低Nb 质量分数、节约生产成本的同时，抗拉强度与原工艺生产的热轧带肋钢筋相当，而平均屈服强度增加11.25MPa 。

2.2热轧带肋钢筋微观组织
原工艺和新工艺生产的热轧带肋钢筋微观组织如图2所示。

新工艺生产的热轧带肋钢筋组织与原工艺相同，均以铁素体和珠光体为主，未见异常组织，组织形态相近，珠光体和铁素体组织含量相当。

随机选取两种新工艺生产的10炉热轧带肋钢筋进行铁素体晶粒度分析统计，结果如图3所示。

两种新工艺生产的带肋钢筋均能满足新版国
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卷
图2两种新工艺生产的热轧带肋钢筋金相组织
Fig.2Metallographic structures of hot rolled ribbed steel bars produced by two new
processes
图3两种新工艺生产的热轧带肋钢筋铁素体晶粒度
Fig.3Ferrite grain-size numbers of hot rolled ribbed steel bars produced by two new processes
家标准，晶粒度等级均能达到11级，其中采用Nb
微合金化+增氮强化工艺生产的钢筋晶粒度等级
比V微合金化+增氮强化工艺更为稳定。

3结论
（1）某特钢公司通过在转炉出钢过程中增N
降V和增N降Nb两种微合金化工艺，探索了一种
稳定控制钢中N含量的工艺技术，有效提高了钢
水中N元素的质量分数，充分利用合金元素沉淀
强化和细晶强化作用，实现了Ⅲ级抗震螺纹钢筋
的稳定生产。

（2）采用V微合金化+增氮强化工艺和Nb微·
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第6期Production practice of HRB400E hot rolled ribbed steel bars strengthened
by Nitrogen enhancement
KANG Jianguang 1，ZHAN Dongping 2，WANG Rongjian 2，
YANG Yongkun 2，LIU Xin 2，TAN Xinhui 3
（1.Wuxi Xinsanzhou Special Steel Co.，Ltd.，Wuxi 214000，China ；2.School of Metallurgy ，Northeastern University ，
Shenyang 110819，China ；3.Zhejiang Changxing Tongxin burden Co.，Ltd ，Huzhou 313100，China ）
Abstract：A Special Steel company explored the production of HRB400E hot-rolled ribbed steel bars using the techniques of microalloying and nitrogen enhancement.In addition to reduce the V and Nb additions and the production costs ，the microstructures and mechanical properties of the bars meet the requirements of the new national standard for hot-rolled ribbed steel pared with the original process ，a Φ18mm HRB400E hot rolled ribbed bar produced by V microalloying +nitrogen enhancement and Nb microalloying +nitrogen enhancement saves 0.020%~0.025%V and 0.012%~0.013%Nb+0.005%~0.010%V ，pared with the conventional V-microalloying process ，the yield strength and tensile strength of the bar produced by V microalloying+nitrogen enhancement increase slightly.The bar produced by Nb microalloying+nitrogen enhancement exhibits similar tensile strength to that by the conventional V-Nb composite microalloy-ing process ，while its yield strength is slightly higher.The bar produced by the new technique has a preferred microstructure of ferrite +pearlite without abnormal structure ，and the ferrite grain size number can reach grade 11.
Keywords：HRB400E hot rolled ribbed bar ；nitrogen enrichment process ；microalloying ；mechanical proper-ty
（Received September 24，2020）合金化+增氮强化工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋与原V 微合金化工艺和V-Nb 复合微合金化工艺相比，分别节约了0.020%~0.025%V 和0.012%~0.013%Nb+0.005%~0.010%V 。

（3）采用V 微合金化+增氮强化工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋与常规V 微合金化生产的热轧带肋钢筋相比，屈服强度和抗拉强度均略有增加，其中平均屈服强度增加7.17MPa ，平均抗拉强度增加3.83MPa 。

（4）采用Nb 微合金化+增氮强化工艺生产的Φ18mm HRB400E 热轧带肋钢筋与常规V-Nb 复合微合金化生产的热轧带肋钢筋相比，抗拉强度与原工艺生产的带肋钢筋保持相当，而平均屈服强度增加11.25MPa 。

（5）采用微合金化+增氮强化工艺生产的热轧带肋钢筋组织与常规微合金化工艺生产的热轧带肋钢筋组织相同，均以铁素体和珠光体为主，未见异常组织。

参考文献：
［1］张彦辉，战东平，杨永坤，等.Ti 微合金化技术在热轧带肋钢筋中的应用［J ］.材料与冶金学报，2020，19（1）：51-56.
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1998，38（10）：1130-1139.
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康建光，等：HRB400E 热轧带肋钢筋增氮强化的生产实践··
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