鈦微合金化在熱軋帶肋鋼筋上的應(yīng)用

余 劍，祝俊飛

（方大特鋼科技股份有限公司技術(shù)中心，江西 南昌330012）

隨著螺紋鋼新國標GB 1499.2—2018的實施，傳統(tǒng)的通過加入大量錳、硅元素來提高鋼的強度會消耗更多的成本，微合金化作用提高螺紋鋼的強度將會是螺紋鋼重要發(fā)展方向。微合金化元素鈮、釩、鈦以鈦的成本最為低廉，其技術(shù)經(jīng)濟性能非常優(yōu)越。鈦在鋼中具有重要的合金化作用，這與其存在形式有關(guān)，固溶鈦與各種含鈦第二相的作用具有顯著的差別[1]。Ti（C、N）具有控制晶粒長大作用，TiC具有沉淀析出強化作用，固溶鈦能夠阻止奧氏體再結(jié)晶從而大幅提升鋼的強度[2]。因此，本文通過在熱軋帶肋鋼筋中添加微量的鈦元素，并與未添加鈦元素的熱軋帶肋鋼筋力學(xué)性能和金相組織方面進行對比，以研究鈦元素微合金化對熱軋帶肋鋼筋的力學(xué)性能以及微觀組織的影響。

1 試驗思路及工藝

以現(xiàn)有生產(chǎn)工藝條件為基礎(chǔ)，通過向鋼種添加一定的Ti合金，在鋼水冷卻過程中使鋼中形成TiN或Ti（C，N）顆粒，這些在晶界析出的顆粒起到阻止晶粒長大的作用，從而使鋼的強度得到提升，最終實現(xiàn)“提鈦降錳”的目的。試驗采取含鈦鋼冶煉工藝、控軋控冷工藝措施，通過力學(xué)性能檢測和顯微組織分析驗證鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能的關(guān)系，在滿足GB 1499.2—2018力學(xué)性能和顯微組織要求的條件下，將鋼中化學(xué)成分控制在合理區(qū)間范圍內(nèi)，具體研制思路如下。

1.1 煉鋼工藝的確定

考慮到螺紋鋼冶煉的生產(chǎn)節(jié)奏無法連續(xù)實現(xiàn)LF精煉處理，試驗煉鋼工藝流程初定為轉(zhuǎn)爐→吹氬→連鑄。由于鈦在鋼中氧化性極強，鋼水澆注過程中易造成絮流現(xiàn)象，故采用喂絲工藝提升鈦鐵回收率，最終試驗煉鋼工藝流程確定為轉(zhuǎn)爐→吹氬后喂鈦線→連鑄機全程保護澆注。

1.2 轉(zhuǎn)爐關(guān)鍵控制點

鈦的化學(xué)性質(zhì)非?；顫?，實際生產(chǎn)中易與碳、氮、氧、硫等發(fā)生反應(yīng)，優(yōu)先形成的TiO、TiS，這不但會消耗部分固溶鈦而且由于其尺寸較大會降低鋼的韌性。因此，轉(zhuǎn)爐工序確保終點w（C）大于0.12%，減少鋼水總氧含量，出鋼過程中優(yōu)先加入鋁粒和硅錳合金進行脫氧，鋼包大氬氣攪拌，保證脫氧劑、合金充分融化。

1.3 吹氬關(guān)鍵控制點

鈦與氧有很強親和力，出鋼過程中鋁粒加入量約1.5 kg/t，保證鋼中[O]含量較低，鈦線加入量180 m，喂線完成后保證軟吹時間大于10 min。

1.4 連鑄關(guān)鍵控制點

1）連鑄坯表面質(zhì)量控制。由于鈦在高溫時容易形成諸如氧化物、硫化物、硫碳化物等其他含鈦相，從而使得能夠形成TiC的有效鈦含量發(fā)生明顯的波動，因此需要確保連鑄坯表面溫度大于900℃，確保鈦的強化作用，減少連鑄坯表面裂紋。

2）連鑄工藝參數(shù)控制。連鑄生產(chǎn)過程中要求中間包溫度為1 535～1 545℃，拉速穩(wěn)定在（2.4±0.05）m/min，比水量為0.5～0.8 L/kg，結(jié)晶器水量為（110±2）t/h，矯直前鑄坯表面溫度910～950℃。

3）連鑄保護澆注控制。由于含鈦鋼水易氧化，所以過程保護澆注控制非常關(guān)鍵。鋼水軟吹結(jié)束后，鋼包、中間包表面及時加入覆蓋劑確保鋼水不裸露，鋼包長水口處采用氬封裝置，大包升降裝置實現(xiàn)全保護開澆，連鑄中間包配備整體式內(nèi)裝水口，保證了澆注過程順行。

1.5 軋制工藝控制點

鈦微合金鋼通常在1 250℃以上均熱后再進行軋制，確保鈦主要以TiN或非常富氮的Ti(C，N)形式沉淀析出，適當增大冷卻速度壓低實際沉淀溫度可使沉淀相尺寸細化，從而保證獲得有效阻止均熱態(tài)奧氏體晶粒長大的效果[3]。

按照以上理論基礎(chǔ)，軋制工藝思路是提高加熱溫度，在滿足國標宏觀金相要求的前提下降低精軋溫度。最終確定軋制工藝為加熱段爐溫1 290℃左右，加熱段在爐時間為45 min，均熱段爐溫為1 180℃左右，均熱段在爐時間為32 min，進軋溫度為1 000～1 100℃，上冷床溫度為820～870℃。

2 試驗材料及方法

試驗用鋼為方大特鋼科技股份有限公司生產(chǎn)的HRB400鋼坯，其化學(xué)成分見表1所示。其中成分1為常規(guī)不含鈦鋼，成分2為低鈦鋼，成分3為含鈦鋼。試驗用鋼冷坯裝爐后，經(jīng)相同加熱工藝、軋制工藝生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋，分別軋制了Φ14 mm、Φ22 mm兩個規(guī)格熱軋帶肋鋼筋的試驗。其中在Φ14 mm規(guī)格進行了不含鈦HRB400、含鈦HRB400和不含鈦低溫軋制工藝的對比試驗；在Φ22 mm規(guī)格進行了含鈦HRB400擴大試驗。通過對應(yīng)熱軋鋼筋成品頭、中、尾等相同位置進行取樣檢測后，進行對比分析三種成分在相同加熱工藝和軋制工藝下力學(xué)性能、顯微組織的變化。

表1 試驗鋼的化學(xué)成分 %

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 鈦對力學(xué)性能測試結(jié)果分析

在Φ14 mm規(guī)格上進行了同生產(chǎn)工藝條件下的成分1和成分2的對比試驗，試驗的力學(xué)性能如表2所示。在Φ22 mm規(guī)格上進行同生產(chǎn)工藝條件下的擴大對比試驗，試驗的力學(xué)性能如表3所示。

表2 顯示，屈服強度和抗拉強度對比中成分2含鈦鋼較成分1不含鈦含鈮鋼明顯偏高，不含鈦鋼的屈服強度平均值低6 MPa，不含鈦鋼的抗拉強度平均值低13 MPa；斷后伸長率A和最大力下總伸長率Agt無明顯差異。而成分3不含鈦不含鈮鋼盡管降低了終軋溫度，但屈服強度最小值已低于國標要求，故不可取。表3 顯示，成分2含鈦鋼屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率A和最大力下總伸長率Agt均滿足國標

表2 試驗鋼Φ14 mm規(guī)格力學(xué)性能對比表

表3 試驗鋼Φ22 mm規(guī)格力學(xué)性能對比表

要求且與表2中Φ14 mm規(guī)格性能相當，說明含鈦鋼在較大規(guī)格上性能仍然穩(wěn)定。

3.2 鈦對熱軋帶肋鋼筋顯微組織的測試結(jié)果對比分析

圖1 含鈦鋼Φ14 mm規(guī)格顯微組織

圖1 為含鈦鋼顯微組織，從邊部到中心的微觀組織均得到典型的鐵素體-珠光體組織，其邊部的鐵素體晶粒尺寸較中心處細化效果明顯。

下頁圖2為不含鈦鋼顯微組織，其邊部到中心處均得到鐵素體-珠光體組織，中部組織晶粒度與圖1并無明顯差別，邊部組織晶粒度等級小于圖1。

不含鈦鋼、含鈦鋼顯微組織，其邊部到中心處均得到典型鐵素體-珠光體組織，其邊部、中心的晶粒度對比情況如下頁表4所示，鈦元素對熱軋帶肋鋼筋邊部晶粒有一定細化效果。

圖2 不含鈦鋼Φ14 mm規(guī)格顯微組織

表4 試驗鋼微觀組織平均值對比表

4 結(jié)語

通過煉鋼轉(zhuǎn)爐→吹氬后喂線→連鑄機全程保護澆注工藝、軋制控軋控冷工藝，成功實現(xiàn)了鈦微合金化螺紋鋼的生產(chǎn)。在現(xiàn)有熱軋帶肋鋼筋生產(chǎn)工藝不變的條件下，其力學(xué)性能、組織、晶粒度均滿足GB 1499.2—2018要求，對比含鈮螺紋鋼，噸鋼成本降低約30元。鈦微合金化螺紋鋼的生產(chǎn)實施，為企業(yè)微合金化螺紋鋼積累了技術(shù)儲備并提升了企業(yè)的核心競爭力。