基于降硅合金優化降低鋼材成本方案的可行性探究

李 偉，王 勇，桓 杰

（漢中鋼鐵有限責任公司，陜西 漢中 724200）

0 引言

熱軋帶肋抗震鋼筋是當前建筑用鋼的核心產品之一，占據鋼鐵市場近30%的份額，對其進行工藝優化有著極為重要的作用。鋼中添加合金元素是改善鋼材性能最為有效、最為核心的方法，合金元素的添加會使鋼材的性能、組織成分都發生改變。硅作為鋼材中核心合金元素之一，對鋼材性能有著重要的影響，同時硅元素影響鋼材錳、釩對鋼性能產生的作用。由于當前鋼鐵市場形勢較為嚴峻，各地企業均在積極探求通過合金優化降低鋼材成本的方法，降低硅含量也成為合金優化的重要方向。此外，受鋼鐵市場環境影響，優化合金成分成為鋼鐵企業低成本運行的重要手段，因此探究硅元素對鋼材組織性能影響對于當前熱軋帶肋抗震鋼筋后續發展有著極為深遠的意義。

硅元素是鋼材冶煉最為常用的脫氧元素，其在鋼中不以碳化物形式存在，一般以固溶體形式存在于鐵素體或奧氏體中。作為鋼中存在的合金元素時，Si 能夠提升鋼材的強度、硬度以及彈性極限，同時對鋼材的塑形、沖擊韌性、冷彎性能有較為明顯的影響。但伴隨硅含量的增加，鋼材的焊接性能會隨之降低，這對熱軋帶肋抗震鋼筋會產生一定的影響[1]。鑒于此，本文探究硅含量對熱軋帶肋抗震鋼筋組織與力學性能的影響，在盡可能將硅對鋼材的正向影響發揮到最大的同時，降低鋼材合金成本，實現低成本運行。

1 實驗材料及方案

為確保實驗數據真實性與實用性，借助某大型鋼鐵企業生產設備進行實際生產數據記錄。本實驗為對比實驗，實驗對象選用具有代表性的Φ12 mm 規格的HRB400E，硅成分采用遞減式設計，共選取20 組實驗數據進行分析，其具體成分如表1、表2 所示。

表1 Φ12 mm HRB400E 化學成分

表2 降硅合金優化后Φ12 mm HRB400E 化學成分

本實驗在該企業2 號棒線進行實際生產軋制，采用18 架軋機，Φ12 mm HRB400E 采用五切分軋制工藝，實際終冷溫度大于900 ℃，開軋溫度大于1 050 ℃。

在組織檢測方面，采用金相實驗觀測金相內部組織，通過拉伸實驗、彎曲實驗測定鋼材抗拉強度、屈服強度、強屈比。

2 實驗結果

2.1 力學性能

20 組試樣的力學性能如表3、表4 所示，本次實驗共軋制80 余批次鋼材，w（Si）跨度由0.60%減少到0.30%，屈服強度范圍為440～475 MPa，抗拉強度范圍為615～660 MPa。根據實驗數據可發現，當w（Si）保持在0.40%～0.60%區間時，隨著硅含量的減少，鋼材整體力學性能呈下降趨勢，近似可得w（Si）每降低0.01%，屈服強度降低1.5 MPa，抗拉強度降低4～5 MPa。當w（Si）低于0.40%時，硅對鋼材性能影響較為微弱，隨著硅含量進一步降低，其對剛才力學性能影響可近似忽略不計。

表3 Φ12 mm HRB400E 力學性能

表4 降硅合金優化后Φ12 mm HRB400E 力學性能

2.2 組織結構

根據試樣金相可知，HRB400E 其金相組織為鐵素體+珠光體，其珠光體含量與鐵素體含量并無較為明顯的差異變化。不同成分的試樣金相顯微形貌如圖1—圖3 所示。

圖1 w（C）=0.24%、w（Si）=0.30%、w（Mn）=1.37%、w（V）=0.029%金相顯微形貌

圖2 w（C）=0.24%、w（Si）=0.44%、w（Mn）=1.35%、w（V）=0.030%金相顯微形貌

圖3 w（C）=0.24%、w（Si）=0.54%、w（Mn）=1.35%、w（V）=0.030%金相顯微形貌

2.3 表面質量

在實驗過程中發現隨著硅含量的降低，鋼材表面浮銹生成速度加快。選取w（Si）為0.58%、0.50%、0.42%、0.39%的四組試樣放置于室溫下的潮濕環境中，靜置24 h 后取出，試樣表面形貌如圖4—圖7 所示。根據試樣表面產生銹蝕情況可以發現，硅含量越低，試樣表面浮銹越明顯。

圖4 w（Si）=0.58%試樣表面形貌

圖5 w（Si）=0.50%試樣表面形貌

圖6 w（Si）=0.42%試樣表面形貌

圖7 w（Si）=0.39%試樣表面形貌

3 結果討論與分析

3.1 Si 對熱軋帶肋抗震鋼筋組織的影響

Si 元素是鐵素體形成元素，能夠使奧氏體的高溫轉變曲線近似保持“C”形象不改變，僅促使奧氏體等溫轉變曲線向右移。同時在一定情況下能夠促進先共析鐵素體的形成。通過金相實驗可以看出不同硅含量下HRB400E 仍為鐵素體+珠光體組織結構，且鐵素體與珠光體晶粒沒有明顯細化的痕跡，因而Si 元素只提供了固溶強化作用。

3.2 Si 對熱軋帶肋抗震鋼筋力學性能的影響

根據實驗數據可以發現，w（Si）最為明顯的分界線為0.5%，當w（Si）高于0.4%，硅元素能夠有效提升鋼材的屈服強度與抗拉強度，w（Si）由0.5%上升至0.6%，屈服強度增加10 MPa，抗拉強度增加21 MPa。當w（Si）低于0.4%時，硅元素對鋼材性能的影響微乎其微。由此可以發現，硅元素作為實際合金元素時能夠提高鋼材的強度，顯著提高鋼材抗拉強度與強屈比。在HRB400E 類熱軋帶肋抗震鋼筋中，硅元素一般作為脫氧劑加入鋼水冶煉過程中，實際鋼材中w（Si）一般小于0.5%，且在現有的釩氮微合金化工藝下，單一硅元素對于鋼材性能的影響遠小于碳、氮、釩等。在該企業HRB400E 當前合金成分下，適當降低硅元素含量可以確保鋼材的組織性能及各項指標合格，故可以采用降硅合金優化這一方法降低合金成本。

3.3 Si 對熱軋帶肋抗震鋼筋表面質量的影響

值得一提的是，硅元素對于鋼材除固溶強化作用外，還可以提高鋼材的抗氧化能力；Si 元素可擴散至材料表面的氧化膜中，在膜層富集甚至形成SiO2，能夠有效保護材料表面[1]，在實驗過程中可以發現,隨著硅含量的降低，鋼材堆垛后其表面形成浮銹的時間也會縮短，因此過分追求較低的硅含量很容易造成鋼材表面質量被破壞，如果采用控制冷卻法軋制鋼材，這一現象將更為顯著。因此科學合理的調控Si 元素含量極為重要。

4 結論

1）硅元素含量較高時能顯著提高鋼材抗拉強度、強屈比，能夠提高一定的屈服強度，提升鋼材的力學性能，硅元素含量較低時其對鋼材力學性能的影響隨著含量降低而降低，最終趨于無影響。

2）硅元素在鋼材中主要起固溶強化作用，降低硅合金量后對鋼材組織和晶粒尺寸無明顯影響。

3）硅元素含量的降低能夠明顯影響鋼材的表面抗氧化能力，使鋼材易被腐蝕產生銹蝕，因此應合理降低硅元素含量。

4）合理降低硅元素含量能夠有效降低鋼材合金成本。