盤螺HRB400E屈服強度偏高分析

馮 寶， 楊其敏， 邱衛鋒， 葉德新

（寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司， 廣東 韶關 512123）

隨著我國經濟發展步入結構優化、動力轉換的新常態，我國鋼鐵行業在結構調整和需求升級方面也遇到了新的機遇。為了提高建筑物的使用年限，同時減少鋼材用量，我國全面普及使用400 MPa級鋼筋，推廣使用500 MPa及以上高強鋼筋。HRB400E是帶抗震作用的400 MPa級鋼筋，比普通鋼筋的延展性更好，從而能夠更好地保證重要結構構件在地震時具有足夠的塑性變形能力和耗能能力，從而提高了建筑物抵抗地震的能力?？拐痄摻钋姸炔荒苓^高，需滿足鋼筋的實測屈服強度與標準規定的屈服強度特征值之比，比值不大于1.30（400 MPa級鋼筋屈服強度實測值不大于520 MPa）的要求。為穩定控制鋼筋屈服強度，目前較為普遍的生產控制方法是微合金化生產。

1 生產工藝流程和存在問題

1.1 生產工藝流程

寶武集團廣東韶關鋼鐵有限公司（以下簡稱韶鋼）盤螺HRB400E的生產工藝流程為：頂底復吹轉爐冶煉→氬站處理→（LF爐外精煉）→方坯連鑄機澆注→鑄坯驗收→鑄坯紅送/冷裝→鋼坯入加熱爐加熱→高線控軋控冷→精整→成品檢驗→打包→稱質量→材料入庫。

工藝流程說明：為了穩定盤螺各部分的性能，提高盤螺通條性，需確保鋼水成分的均勻性，煉鋼單位在氬站處理工序補加合金（包括碳粉）、降溫料后吹氬時間應適當延長，確保所加合金全部溶解并在鋼液中分布均勻。LF爐外精煉為非必須流程，如因調整成分需要或者生產節奏需要鋼水經過LF爐外精煉流程，需嚴格控制低吹氬氣流量，避免鋼水裸露，并在電弧的作用下異常吸氮。

1.2 存在的問題

某客戶反映，從韶鋼采購的某檢驗批（檢驗批號：Z79068560）10 mm規格HRB400E盤螺經現場檢測屈服強度偏高，工地無法正常使用，需更換相應質量的鋼材避免影響工期。具體檢測性能結果和標準要求如表1所示。

表1 盤螺HRB400E力學性能

從表1可以看出，該批盤螺HRB400E的屈服強度高出標準規定的范圍，其他指標如抗拉強度等滿足技術條件要求。伸長率和最大力總伸長率余量較大，說明此批盤螺韌性較好。由表1數據可以計算出該批鋼筋強屈比為1.33也滿足標準要求。

2 樣品檢驗和分析

2.1 化學成分

在螺紋鋼成分體系中，對螺紋鋼強度貢獻大的元素分別是碳元素、硅元素、錳元素和釩元素，其中碳元素能固溶在基體中起到明顯的固溶強化作用，硅元素主要是通過強化鐵素體組織提高鋼筋的屈服強度，錳和釩兩大元素均能起到細化晶粒，提高鋼材強度的作用。為此，對該批屈服強度偏高的盤螺進行化學成分檢測分析，檢測結果如表2所示。

表2 盤螺HRB400E化學成分 %

從表2可以看出，盤螺HRB400E的化學成分滿足技術條件要求，其中碳含量和錳含量控制精確，為技術要求的中位值，影響鋼材強度的另外2個元素硅元素和釩元素的含量均控制在技術要求范圍的較低值，不會造成鋼材強度異常升高。此外，磷和硫2個對螺紋鋼有害的元素含量也控制在較低范圍，所以能有效防止盤螺發生冷脆和熱脆。

2.2 工藝參數分析

盤螺的軋制工藝對盤螺性能也存在很大影響，尤其是開軋溫度和吐絲溫度直接影響到盤螺的強度。經查驗軋制檢驗批Z79068560的鋼坯實際開軋溫度、精軋機組進口溫度和吐絲溫度均控制在技術要求范圍內。

2.3 金相分析

產品標準規定鋼筋混泥土用熱軋帶肋鋼筋的金相組織應主要是鐵素體+珠光體組織，其中鐵素體是軟韌相，對鋼材屈服強度影響不大，珠光體是滲碳體分布在鐵素體上形成的組織，具有較高的強度。在屈服強度偏高的試樣上取橫向樣做金相分析，發現鋼材金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度達11級。（見圖 1、圖 2）。

圖1 Z79068560金相組織（100×）

圖2 Z79068560金相組織（500×）

從圖1圖2還可以看出，該批盤螺HRB400E的鐵素體和珠光體分布均勻，且鐵素體含量比珠光體含量高，此外鋼材沒有尺寸異常粗大的晶粒，表明錳釩2個元素的細晶強化效果明顯。為分析晶粒度是否為引起該批盤螺HRB400E屈服偏高的主要原因，在性能合格的鋼材上（檢驗批號：Z89001770）取樣做金相組織分析進行對比。經檢測屈服強度合格的盤螺HRB400E（檢驗批號：Z89001770）金相組織為鐵素體+珠光體（見圖3、圖4），晶粒度也為11級。

2.4 鋼材氮含量分析

盤螺HRB400E采用釩氮合金控制鋼中釩含量，氮元素能優化釩元素在鋼中的析出，充分發揮析出強化的作用，鋼中氮含量上升會強化氮化釩析出效果，使鋼筋強度升高。在屈服強度偏高（檢驗批號：Z79068560）和2批屈服強度合格（檢驗批號：Z89001770和檢驗批號：Z89001780）的鋼材上分別取樣檢測氮含量并進行對比，結果如表3所示。

圖3 Z89001770金相組織（100×）

圖4 Z89001770金相組織（500×）

表3 盤螺HRB400E氮含量對比

從表3可以看出，屈服強度偏高的盤螺HRB 400E氮含量（質量分數）比屈服強度合格的盤螺HRB400E w（N）高出了 25×10-6。

3 討論與分析

1）盤螺HRB400E的化學成分符合標準要求，對鋼材強度有影響的元素含量均控制在中下限，屈服強度異常偏高并非成分原因造成。

2）盤螺HRB400E的金相組織主要是鐵素體加珠光體，并且鐵素體含量大，也不存在影響影響盤螺HRB400E使用性能的其他組織，此外屈服強度偏高和屈服強度正常的鋼材金相組織和晶粒度無明顯區別，由此可知屈服強度異常偏高也非組織原因造成。

3）屈服強度偏高的盤螺HRB400E鋼中氮含量比性能正常的HRB400E鋼中氮含量（質量分數）高出25×10-6，使鋼的析出強化加強[1]，鋼筋強度顯著增大，超出標準值。同時V（CN）的析出也有細化晶粒的作用。

4 改善措施

1）嚴格控制出鋼時間，避免出鋼過程中裸露鋼水長時間與空氣接觸吸氮，造成鋼水氮含量異常增多[2]。

2）如果鋼水經過LF爐處理，要合理控制氬氣流量和壓力，避免鋼水裸露，造成吸氮。

3）連鑄增氮是鋼水N含量異常升高的主要原因之一，采用長水口氬封保護澆注，合理使用中包用覆蓋劑和結晶器保護渣可以減少鋼水異常吸氮[3]。

5 結語

盤螺HRB400E 屈服強度偏高主要是因為鋼水N含量異常升高導致的，通過控制鋼水出鋼時間和盡量避免鋼水裸露以及做好保護澆注能有效防止鋼水異常增氮導致螺紋鋼強度異常升高。

[1]孫凌云.釩氮合金的應用及展望[J].四川冶金，2005，27（4）：12-13.

[2]張立標.鋼水過程增氮分析與控制[J].山東冶金，2011，33（3）：14.

[3]李勇.煉鋼過程中鋼水氮含量控制[J].鋼鐵，2010，45（10）：55-56.