专利名称：一种600MPa级含钒高强热轧钢筋及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种600MPa级含钒高强热轧钢筋及其生产方法，特别是一种屈服强度在600MPa以上的建筑用含钒高强热轧钢筋及其生产方法，属于冶金炼钢和加工技术领域。
背景技术：
2010年，我国生产钢材约80000万吨，其中钢筋约13000万吨，在国民经济发展中占据重大作用。热轧钢筋是钢筋混凝土建筑结构的主要增强材料，随着高层、大跨度、抗震、 耐低温、耐火等多功能建筑结构的出现，要求钢筋具有更高的强度、韧性和较好的可焊性等综合性能。现在一些高层建筑、立交桥、地下管桩、核电站、大型水利工程、高速铁路、大跨度建筑工程和地下防空工程等需要强度更高的590MPA以上钢筋。目前，国标混凝土钢筋最高级别为HRB500(E)，冶炼时在20MnSi的基础上增加Nb、Ti、V等合金元素，是热轧低合金钢， 显微组织主要为铁素体和珠光体，但在500MPa上再增加强度变得困难，主要原因是冶炼时增氮固氮困难，轧制时形成大量固溶物、碳化物、氮化物和碳氮化物困难；而国标预应力混凝土钢筋最低级别为 PSB785，一般为 28Mn2V、45SiMnV、45Si2Cr、40Si2MnV 和 45Si2MnTi，是中碳精轧中合金钢筋，显微组织主要为铁素体和贝氏体，需要轧后进行回火处理。故590MPa 以上钢筋通常采用PSB785钢筋，造成合金消耗大、成本高、工艺复杂且能源消耗量大，同时由于碳当量高，只能采用机械连接不可焊接，造成连接成本上升。
发明内容
本发明的目的是提供一种600MPa级含钒高强热轧钢筋及其生产方法，该方法生产出高强度、可焊性和机械连接性能均十分良好的600MPa级含钒高强热轧钢筋，具有铁素体和珠光体的复相组织，其中珠光体体积百分含量为25%-50%，通过控制复相组织中各相的体积百分含量及晶粒大小，可获得良好的强韧性配合和可焊性，解决背景技术存在的上述问题。本发的技术方案
一种600MPa级含钒高强热轧钢筋的生产方法，包含炼钢工序和轧制工序，炼钢工序在 20MnSi的基础上增加钒和氮，包含如下工艺步骤①增钒转炉和精炼采用钒渣合金化增钒以及采用钒铁和氮化钒铁增钒，转炉进行成分粗调，精炼进行成分微调；②增氮固氮转炉和精炼采用氮化锰、氮化硅、氮化硅锰合金和氮化钒铁增氮固氮，全程软吹氮气增氮；通过上述步骤，控制钢中各成分的质量百分比为0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si, 1. 35 1. 55%Mn, 0. 08 0. 12%V, 0. 005 0. 04%N,彡 0. 040%S,彡 0. 040%P,其余为 Fe 及不可避免的不纯物；轧制工序采用控轧控冷和低温大压下技术，轧制时钢坯开轧温度按970 1150°C 范围控制，保证铸坯加热时钒均勻分布，精轧按850 970°C范围控制且总压下量彡50% ；保证晶界析出细小可控的碳化物、氮化物和碳氮化物，起到钉扎作用阻止晶粒长大，最终实现细晶强化、固溶强化和沉淀析出强化作用从而得到理想的微观组织和优异的力学性能。
添加钒的目的是为了采用钒微合金化的机理，利用钒的细晶强化和沉淀固溶及析出强化作用来提高钢筋的强度；氮含量的控制主要是利用氮元素的强化作用以及氮与钒等结合生成氮化物或碳氮化物实现强度的提高。所说的炼钢工序，包括如下流程转炉、LF精炼、连铸；所说的轧钢工序包括如下流程棒材机组轧制、冷却、剪切。一种600MPa级含钒高强热轧钢筋，采用如下成分的钢坯轧制而成，钢中各成分的质量百分比为0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si，l. 35 1. 55%Μη，0· 08 0. 12%V,0. 005 0. 04%N, ^ 0. 040%S, ^ 0. 040%P，其余为Fe及不可避免的不纯物。钢的冶炼采用如下工艺步骤①增钒转炉和精炼采用钒渣合金化增钒以及采用钒铁和氮化钒铁增钒，转炉进行成分粗调，精炼进行成分微调；②增氮固氮转炉和精炼采用氮化锰、氮化硅、氮化硅锰合金和氮化钒铁增氮固氮，全程软吹氮气增氮。同时采用如下的轧制工艺促进增钒工艺中的游离钒与增氮中的游离氮反应形成氮化物或碳氮化物也起到固氮作用；同时固氮作用可以有效缓解游离氮产生的时效现象。轧制过程采用控轧控冷和低温大压下技术，轧制时钢坯开轧温度按970 1150°C 范围控制，保证铸坯加热时钒均勻分布，精轧按850 970°C范围控制且总压下量彡50% ；保证晶界析出细小可控的碳化物、氮化物和碳氮化物，起到钉扎作用阻止晶粒长大，最终实现细晶强化、固溶强化和沉淀析出强化作用从而得到理想的微观组织和优异的力学性能。本发明增加钒和氮的理论基础如下
1)钒强化机理钒是位于元素周期表第四周期第VB族的过度族金属元素，是强的碳化物和氮化物形成元素，具有低等的细晶强化和高等的沉淀析出强化作用，钒在钢中主要以氮化钒、碳化钒和碳氮化钒和固溶钒形式存在。钒微合金化钢的强韧化机理主要是靠晶粒细化、沉淀析出强化和固溶强化实现的。高强钢中通过增氮来优化V(C，N)铁素体中的析出强化作用，因为富氮的V(C，N)的优先析出对于铁素体的强化十分有效。对V :N比为4:1 的含钒钢，每增加0.001%的N可提高强度7MPa，而游离钒只提高约2 MPa0在钒氮微合金钢中，析出强度可达250 300MPa。低氮钒钢中，约36%钒形成碳氮化钒；高氮钒钢中，约 70%的钒析出形成碳氮化钒，其它为固溶钒。当钢中的氮含量较低时，几乎可以肯定添加V 没有作用，发现要充分利用V的析出强化作用，必须增加氮含量，而且通过对氮含量的调整可有效控制析出物的数量实现强度保持在一定范围。2)氮强化机理在有氮化物形成元素存在的条件下，钢在高温下溶入的氮，在室温下可以存留下来起到固溶强化作用，微合金钢中，氮元素的固溶强化系数约为3750比锰的 37和硅的83高很多，故添加氮相比是最经济的。对氮的强化主要考虑如何增氮固氮，对此， 采用上述增氮固氮工艺可有效利用氮来实现强度提高的目的。当V/N=7、时，对形变时效的抑制效果最佳，故可通过控制钒氮比例有效控制时效现象。3)轧制强化机理轧制工艺引起强度的变化主要体现在晶粒度的变化和相体积百分比的变化。晶粒细化既可提高强度也可提高韧性，可获得强韧性优异的性能，一般每提高晶粒度1级可提高强度15 35MPa。珠光体是强度较高的组织，铁素体是塑韧性较好的组织， 在铁素体和珠光体的复相组织中，每提高1%的珠光体体积百分含量可提高强度5MPa。采用控制轧制和控制冷却技术来限定开轧温度和精轧温度是为了获得所需要的复相组织，采用低温大压下技术保证精轧压下量>45%可促使铁素体形变诱导相变，增加位错密度和细化晶粒来提高强度。故通过控轧控冷和低温大压下技术可有效实现对晶粒度和相比例的控制，从而实现对强度的控制。本发明的特点是在20MnSi的基础上添加V，同时调整氮含量，采用控轧控冷工艺和低温大压下技术改变碳化物、氮化物或碳氮化物析出量、尺寸等来控制各相的比例、形态、大小及分布，增加固溶和沉淀析出强化以及细晶强化作用，从而实现强度的提高，性能的改善；同时氮以固氮形式加入，可保证氮化物和碳氮化物的生成和稳定性；并有效防止氮的时效引起的强度下降。采用本发明生产的600MPa级含钒高强热轧钢筋，由于强度提高，可以节省钢材， 降低排筋密度，降低建造成本，或增加结构的强度，加大安全储备量；由于其屈服强度在 600MPa级，填补了 HRB500和PSB785间无对应强度级别钢筋的空白，有利于资源的合理均衡应用；其显微组织为铁素体和珠光体，提高了热轧混凝土钢筋的强度级别；相比预应力混凝土钢筋，减少了回火处理和合金料消耗，降低了成本，节约了资源。
具体实施例方式以下结合实施例，对本发明作进一步说明。在实施例中，本发明采用的工艺流程100吨转炉提钒、100吨转炉冶炼、LF精炼、 方坯连铸、均热、高压水除磷、棒材机组轧制、轻穿水、冷床自然冷却、剪切。本发明的600MPa 级含钒高强热轧钢筋，钢中各成分的质量百分比为0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si， 1. 35 1. 55%Mn, 0. 08 0. 12%V, 0. 005 0. 04%N,彡 0. 040%S,彡 0. 040%P,其余为 Fe 及不可避免的不纯物。转炉和精炼采用钒渣合金化、钒铁和氮化钒铁增钒；采用氮化锰、氮化硅、 氮化硅锰合金和氮化钒铁增氮固氮以及全程软吹氮气增氮；转炉进行成分粗调，精炼进行成分微调。采用控轧控冷和低温大压下技术，轧制时钢坯开轧温度按970 1150°C范围控制；精轧按850 970°C范围控制且总压下量彡50%。实施例1
钢中各成分的质量百分比为0. 23%C，0. 42%Si, 1. 42%Mn,0. 091%V，0. 0137%N,0. 021%S, 0. 030%P,其余为Fe及不可避免的不纯物。100吨转炉提钒、100转炉和LF精炼过程进行钒渣合金化和添加氮化钒合金、全程吹氮气、钢坯连铸、均热、高压水除磷、棒材机组轧制(开轧温度990°C、精轧温度910°C)、轻穿水、冷床自然冷却、剪切。所得钢筋的力学性能、成形性能及显微组织见表1。
表1本发明实施例1性能及显微组织
权利要求
1.一种600MPa级含钒高强热轧钢筋的生产方法，包含炼钢工序和轧制工序，其特征在于炼钢工序在20MnSi的基础上增加钒和氮，包含如下工艺步骤①增钒转炉和精炼采用钒渣合金化增钒以及采用钒铁和氮化钒铁增钒，转炉进行成分粗调，精炼进行成分微调； ②增氮固氮转炉和精炼采用氮化锰、氮化硅、氮化硅锰合金和氮化钒铁增氮固氮，全程软吹氮气增氮；通过上述步骤，控制钢中各成分的质量百分比为0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si, 1. 35 1. 55%Μη，0· 08 0. 12%V,0. 005 0. 04%N,彡 0. 040%S,彡 0. 040%P,其余为Fe及不可避免的不纯物；轧制工序轧制时钢坯开轧温度按970 1150°C范围控制，保证铸坯加热时钒均勻分布，精轧按850 970°C范围控制且总压下量> 50%。
2.根据权利要求1所述之一种600MPa级含钒高强热轧钢筋的生产方法，其特征在于 所说的炼钢工序，包括如下流程转炉、LF精炼、连铸；所说的轧钢工序包括如下流程棒材机组轧制、冷却、剪切。
3.—种600MPa级含钒高强热轧钢筋，其特征在于采用如下成分的钢坯轧制而成，钢中各成分的质量百分比为0. 21 0. 25%C，0. 35 0. 60%Si, 1. 35 1. 55%Μη，0· 08 0. 12%V, 0. 005 0. 04%N, ^ 0. 040%S, ^ 0. 040%P，其余为Fe及不可避免的不纯物。
4.根据权利要求3所述之一种600MPa级含钒高强热轧钢筋的生产方法，其特征在于钢的冶炼采用如下工艺步骤①增钒转炉和精炼采用钒渣合金化增钒以及采用钒铁和氮化钒铁增钒，转炉进行成分粗调，精炼进行成分微调；②增氮固氮转炉和精炼采用氮化锰、 氮化硅、氮化硅锰合金和氮化钒铁增氮固氮，全程软吹氮气增氮。
5.根据权利要求3或4所述之一种600MPa级含钒高强热轧钢筋的生产方法，其特征在于轧制时钢坯开轧温度按970 1150°C范围控制，保证铸坯加热时钒均勻分布，精轧按 850 970°C范围控制且总压下量彡50%。
全文摘要
本发明涉及一种600MPa级含钒高强热轧钢筋及其生产方法，属于冶金炼钢和加工技术领域，术方案是制备该钢筋的成分质量百分比为0.21～0.25%C，0.35～0.60%Si，1.35～1.55%Mn，0.08～0.12%V，0.005～0.04%N，≤0.040%S，≤0.040%P，其余为Fe及不可避免的不纯物；在冶炼过程采取增钒、增氮和固氮工艺，轧制过程采取降低开轧温度和精轧温度来保证低温大压下实现细晶、固溶和沉淀析出强化来提高强度；该热轧钢筋具有铁素体和珠光体复相组织，珠光体占25～50%，控制各相比例、形态及大小，可获得良好强韧性配合。
文档编号C22C33/04GK102383033SQ20111035019
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者国富兴, 张俊粉, 张兴利, 田鹏, 白瑞国, 韩春良, 高海 申请人:河北钢铁股份有限公司承德分公司