HRB500E铌钛微合金高强度抗震钢筋及生产工艺的制作方法

本发明属于冶金技术领域，具体涉及hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋及生产工艺。

背景技术：

随着我国经济迅猛发展，小规格钢筋在高层建筑工程和重大工程钢筋混凝土结构中的用量越来越多，对钢筋性能的要求越来越高，建筑结构的安全性、抗震性、可焊接性等问题成为人们关注的重点。目前，世界上大多数国家已经淘汰了强度级别为355mpa的带肋钢筋，低强度级别的钢筋在建筑安全性、强屈比、屈服强度、焊接强度以及钢筋利用率方面均存在显著的劣势，给建筑工程安全性带来众多隐患，钢材浪费严重。美国及欧盟国家普遍采用屈服强度为500mpa级别的钢筋，并在不断开发研制600mpa的带肋钢筋。高强度、高延性的hrb500e钢筋可有效减少在单位面积内用量，改善钢筋密排的情况，大大降低钢筋用量，从而降低生产能耗，节能减排，可有效节约建筑成本并提高工程建筑的使用安全性。我国在400mpa、500mpa级钢筋的研制方面还处于相对落后的阶段，生产出的500mpa高强度钢筋合格率低，性能不稳定，工艺稳定性有待提高，目前钒氮微合金化或钒铌微合金化工艺是生产高强度可焊接钢筋的主要手段，此工艺对于化学成分及轧制温度的要求严格，控制难度较大，生产出的钢筋棒材合格率不是很高，特别体现在小规格上合格率更低。

高强度热轧小规格螺纹钢筋是值得关注的品种。在混凝土结构用钢筋中，约有1/5～1/4是直径小于12mm的细直径钢筋，主要用作板、墙类构件的受力钢筋及梁、柱构件的箍筋，也大量用作架立筋、分布筋、构造筋。通过微合金化和控冷技术，可研制抗拉度级别更高的800～1170mpa级6～12mm热轧带肋钢筋盘条，取代目前800～1170mpa级冷轧带肋钢筋盘条使用，有点是塑性好，黏着力好，减少了冷轧工序。但还需做配套的产品和设计标准制定和修改工作。

目前钒氮微合金化或钒铌微合金化工艺是生产高强度可焊接钢筋的主要手段，在小规格钢筋铌钛复合微合金化并调整轧制工艺方面的研究还比较少，研发强度、韧性和焊接性能优良的小规格钢筋用以满足建筑工程结构用钢的需求对提升企业竞争力具有重要的意义。

技术实现要素：

本发明提供一种hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋及生产工艺，所述的hrb500e铌钛微合金钢筋具有强度高、焊接性能强及抗震性能良好等特点，综合性能稳定，应用前景广阔。

本发明的一种hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋，所述钢筋化学成分按质量百分比如下：c：0.20～0.25％，ti：0.005～0.03％，nb：0.01～0.04％，si：0.60～0.80％，mn：1.40～1.60％，p≤0.045％，s≤0.045％，其余为fe和不可避免的杂质。

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋的规格为该钢筋的规格为小规格；所述钢筋的屈服强度≥500mpa，抗拉强度≥630mpa，强屈比≥1.25，屈标比≤1.30，断后伸长率≥15％，最大伸长率agt≥9.0％。

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋的生产工艺，包括以下步骤：

步骤1，转炉冶炼工序：

(1)加入铁水和废钢进行吹炼，吹炼10～15min，控制终点温度为1630～1680℃，出钢过程加入硅铁、硅锰、铌铁合金，其中硅铁加入量为铁水和废钢总质量的0.27～0.325kg/t；硅锰加入量为铁水和废钢总质量的0.09～0.1kg/t；铌铁合金加入量为铁水和废钢总质量的0.005～0.009kg/t；

(2)加入硅铁、硅锰、铌铁合金后，进行脱氧合金化，大气量底吹气3～5min，大气量流速为300～400l/min；随后调至小气量吹气3～5min，小气量流速为30～50l/min；小气量吹气后测温取样，待成分合格后加入钛铁，其中钛铁加入量为铁水和废钢总质量的0.01～0.012kg/t；以300～400l/min大气量底吹气40～50s，搅拌使其快速熔化，然后调至小气量软吹气，小气量的流速为10～30l/min，软吹气时间≥5min；待炉后温度为1555～1580℃，停止吹气，送至连铸浇注；

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，其中结晶器冷却水量控制在2600～2800l/min，进出水温差在5～8℃，中包温度为1515～1540℃，连铸过程采用恒拉速，比水量为1.45～1.55l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，加热与轧制工艺

将铸坯加热至1050～1100℃，开轧温度控制为1040～1090℃，在精轧机组前采用预穿水工艺，供水量为50～150m³/h，冷却时间为0.5～1.5s，进水温度≤35℃，出水温度＜55℃，预穿水冷却后钢件表面温度为850～950℃，所述预穿水冷却后温度即为终轧温度；钢件经输送辊道进入冷床的温度为700～800℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

所述步骤1(1)中，铁水和废钢的重量比为9:(1～2)，升温速率为30～40℃/min。

所述步骤1中，钛铁合金成分按质量百分比：钛20～30％、碳0.10％、硅4％、铅3.5％，余量为铁；硅锰合金成分按质量百分比：锰60～63％、硅14～25％、余量为铁及杂质；硅铁合金成分按质量百分比：硅75～80％，铝0.5～2.0％，余量为铁及杂质；钛铁合金成分按质量百分比：铌60～70％、余量为铁及杂质。

所述步骤2中拉速为2.6～2.8m/min。

所述步骤3中，冷却水压力为0.2～0.4mpa，总压下率≥60％。

上述转炉冶炼工序吹气是为了调温，进行脱氧合金化过程中测温取样，假如成分不符合标准，则按所述步骤1(1)中比例进行调整，再进行脱氧合金化过程。

目前钒氮微合金化或钒铌微合金化工艺是目前生产高强度可焊接钢筋的主要手段，对于铌钛微合金化并调整轧制工艺的研究较少。nb作为常见的合金化元素，易与钢液中的碳氮反应，形成碳化物、氮化物和碳氮化物，nb能显著的细化晶粒，提高奥氏体向铁素体转变的相变驱动力，增加铁素体形核率，使组织得到了明显的细化，微量的nb可使未再结晶温度提高到轧制可实现的程度，从而保证在未再结晶区轧制时奥氏体晶粒拉长扁平化，而后通过相变细化得到细晶组织，但铌元素在增强钢的综合性能的同时也增加了连铸坯的裂纹敏感性以及焊接热影响区裂纹的倾向，严重影响铸坯质量。为解决该问题，在冶炼过程中加入ti元素，起到微ti固n的作用，在高温时析出细小弥散的tin可抑制奥氏体晶粒长大，使得固溶析出的nb大部分为碳化物的形式，改善钢的热塑性，从而降低钢坯裂纹敏感性，此外tin颗粒可抑制焊接热影响区的晶粒粗化，细化焊接热影响区的显微组织，改善热影响区的低温韧性，从而减少nb导致的钢坯缺陷。

精轧前预穿水工艺可以抑制网状碳化物析出，降低网碳级别，使其在精轧时受到较大变形渗透的塑性加工，从而得到“破碎”细化，在碳化物中形成位错，为碳化物的溶解、熔断、扩散和沉淀创造有利条件，最后形成断续的条状及半球状的碳化物颗粒。此外由于小规格钢筋横截面积较小，轧制过程中向中心处的热传递均匀，外表面和芯部温度梯度较小，有利于奥氏体产生均匀相变，从而达到破网和细化晶粒的效果，使得nb、ti析出物充分散布在铁素体晶界和晶粒内位错上，使小规格钢筋韧性和强度显著上升。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明通过对转炉和轧钢工艺参数的严格控制，得到了化学成分稳定，波动范围较小的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋。nb在细化晶粒的同时也增加了连铸坯的裂纹敏感性以及焊接热影响区裂纹的倾向，严重影响铸坯质量，ti固n效果显著，高温先析出的tin颗粒能细化晶粒，使得钢液中n含量降低，nb大部分与c形成碳化物，改善钢的热塑性，从而降低连铸坯的裂纹敏感性，tin颗粒可进一步细化焊接热影响区的显微组织，从而减少nb导致的钢坯缺陷。

精轧前预穿水工艺可以抑制网状碳化物析出，降低网碳级别，细化晶粒，提高钢筋的力学性能及疲劳强度。

小规格钢筋横截面积较小，轧制过程中向中心处的热传递均匀，外表面和芯部温度梯度较小，有利于奥氏体产生均匀相变，从而达到破网和细化晶粒的效果，使得nb、ti析出物充分散布在铁素体晶界和晶粒内位错上，使小规格钢筋韧性和强度显著上升。

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋与500mpa级抗震钢筋相比，由于强度提高，可节省钢材，降低排筋密度，降低建造成本，增加结构的强度，加大安全储备量，具有节能减排，安全环保的现实意义。

附图说明

图1实施例1制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线；

图2实施例2制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线；

图3实施例3制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线；

图4实施例4制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线；

图5实施例5制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线；

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围不仅限于下面的实施例。以下实施例使用的铁水原料化学成分按质量百分比为c：3～3.5％，si：0.4～0.7％，mn：0.3～0.5％，p：0.1～0.2％，s：0.01～0.03％，余量为fe和不可避免的杂质元素。

实施例1

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋的生产工艺，包括以下步骤：

步骤1，转炉冶炼工序：

按9:1比例加入铁水和废钢，铁水和废钢的总量为80t；吹炼10min，升温速率为36℃/min，控制终点温度为1660℃，出钢过程中加入22kg硅铁、7.4kg硅锰合金和0.4kg铌铁进行脱氧合金化，340l/min大气量底吹气3min，随后调至34l/min小气量，测温取样，待成分合格后加入0.82kg钛铁，大气量底吹气40s，搅拌使其快速熔化，然后调至20l/min小气量软吹气6min，待炉后温度为1568℃，关闭氩气，送至连铸浇注；

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2650l/min，进出水温差在8℃，中包温度为1525℃；连铸过程采用恒拉速，拉速为2.7m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.45l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1080℃，开轧温度为1040℃，预穿水冷却水压力为0.2mpa，供水量为80m³/h，冷却时间为1s，进水温度为30℃，出水温度为33℃，预穿水冷却后钢件表面温度为910℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为780℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

本实施制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋化学成分按质量百分比为c：0.24％、si：0.73％、mn:1.48％、p:0.023％、s:0.023％、nb:0.028％、ti:0.014％，其余为fe和不可避免的杂质；本实施例制得钢筋的性能参数为屈服强度585mpa、抗拉强度750mpa、断后伸长率22％、最大伸长率agt11.38％、强屈比1.29、屈标比1.16。

本实施例制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线如图1，含有的化学成分及性能参数见表1。

实施例2

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋的生产工艺，包括以下步骤：

步骤1，转炉冶炼工序：

按9:1比例加入铁水和废钢，铁水和废钢的总量为80t，吹炼12min，升温速率为31℃/min，控制终点温度为1670℃，出钢过程中加入23kg硅铁、7.6kg硅锰合金和0.5kg铌铁进行脱氧合金化，360l/min大气量底吹气4min，随后调37l/min小气量，测温取样，待成分合格后加入0.85kg钛铁，大气量底吹气45s，搅拌使其快速熔化，然后调至小气量18l/min软吹气7min，待炉后温度为1575℃，关闭氩气，送至连铸浇注；

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2700l/min，进出水温差在7℃，中包温度为1530℃；连铸过程采用恒拉速，拉速为2.8m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.50l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1090℃，开轧温度为1080℃，预穿水冷却水压力为0.3mpa，供水量为85m³/h，冷却时间为1s，进水温度为32℃，出水温度为36℃，预穿水冷却后钢件表面温度为920℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为786℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

本实施例制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线如图2，含有的化学成分及性能参数见表2。本实施制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋化学成分按质量百分比为c：0.21％、si：0.68％、mn:1.53％、p:0.025％、s:0.026％、nb:0.025％、ti:0.015％，其余为fe和不可避免的杂质；本实施例制得钢筋的性能参数为屈服强度580mpa、抗拉强度750mpa、断后伸长率22％、最大伸长率11.88％、强屈比1.29、屈标比1.16。

实施例3

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋生产工艺，包括以下步骤：

步骤1，转炉冶炼工序：

按9:1比例加入铁水和废钢，铁水和废钢的总量为80t，吹炼10min，升温速率为37℃/min，控制终点温度为1668℃，出钢过程中加入24kg硅铁、7.8kg硅锰合金和0.6kg铌铁进行脱氧合金化，370l/min大气量底吹气5min，随后调35l/min小气量，测温取样，待成分合格后加入0.9kg钛铁，大气量底吹气50s，搅拌使其快速熔化，然后调至小气量20l/min软吹气7min，待炉后温度为1570℃，关闭氩气，送至连铸浇注；

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2750l/min，进出水温差在8℃，中包温度为1520℃；连铸过程采用恒拉速，拉速为2.7m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.55l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1050℃，开轧温度为1090℃，预穿水冷却水压力为0.2mpa，供水量为90m³/h，冷却时间为1s，进水温度为28℃，出水温度为33℃，预穿水冷却后钢件表面温度为915℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为783℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

本实施例制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线如图3，含有的化学成分及性能参数见表2。本实施制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋化学成分按质量百分比为c：0.23％、si：0.72％、mn:1.54％、p:0.027％、s:0.028％、nb:0.021％、ti:0.018％，其余为fe和不可避免的杂质。本实施例制得钢筋的性能参数为屈服强度580mpa、抗拉强度745mpa、断后伸长率22％、最大伸长率11.57％、强屈比1.29、屈标比1.16。

实施例4

本发明的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋生产工艺，包括以下步骤：

步骤1，转炉冶炼工序：

按9:1比例加入铁水和废钢，铁水和废钢的总量为80t，吹炼10min，升温速率为35℃/min控制终点温度为1650℃，出钢过程吨钢加入26kg硅铁、8kg硅锰合金和0.7kg铌铁进行脱氧合金化，380l/min大气量底吹气5min，随后调至33l/min小气量，测温取样，待各元素含量符合设定范围后，加入0.87kg钛铁，大气量底吹气48s，搅拌使其快速熔化，然后调至18l/min小气量软吹气7min，待炉后温度为1575℃，关闭氩气，送至连铸浇注。

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2750l/min，进出水温差在8℃，中包温度为1520℃；连铸过程采用恒拉速，拉速为2.8m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.50l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1080℃，开轧温度为1070℃，预穿水冷却水压力为0.4mpa，供水量为75m³/h，冷却时间为1s，进水温度为32℃，出水温度为35℃，预穿水冷却后钢件表面温度为915℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为763℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

本实施制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋化学成分按质量百分比为c：0.25％、si：0.65％、mn:1.45％、p:0.032％、s:0.022％、nb:0.028％、ti:0.012％，其余为fe和不可避免的杂质；本实施例制得钢筋的性能参数为屈服强度595mpa、抗拉强度765mpa、断后伸长率21％、最大伸长率11.38％、强屈比1.28、屈标比1.19。

本实施例的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线如图4，含有的化学成分及性能参数见表2。

实施例5

本发明一种hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋，包括以下步骤：

步骤1，转炉冶炼工序：

按9:1比例加入铁水和废钢，铁水和废钢的总量为80t，吹炼13min，升温速率为30℃/min控制终点温度为1678℃，出钢过程吨钢加入24kg硅铁、7.5kg硅锰合金和0.6kg铌铁进行脱氧合金化，370l/min大气量底吹气5min，随后调至32l/min小气量，测温取样，待各元素含量符合设定范围后，加入0.88kg钛铁，大气量底吹气50s，搅拌使其快速熔化，然后调至15l/min小气量软吹气7min，待炉后温度为1573℃，关闭氩气，送至连铸浇注。

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2730l/min，进出水温差在6℃，中包温度为1540℃；连铸过程采用恒拉速，拉速为2.8m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.48l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1070℃，开轧温度为1060℃，预穿水冷却水压力为0.35mpa，供水量为80m³/h，冷却时间为1s，进水温度为32℃，出水温度为35℃，预穿水冷却后钢件表面温度为910℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为778℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

本实施制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋化学成分按质量百分比为c：0.22％、si：0.75％、mn:1.55％、p:0.038％、s:0.032％、nb:0.032％、ti:0.017％，其余为fe和不可避免的杂质。本实施例制得钢筋的性能参数为屈服强度595mpa、抗拉强度765mpa、断后伸长率21％、最大伸长率11.57％、强屈比1.29、屈标比1.15。

本实施的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋拉伸试验曲线如图5，含有的化学成分及性能参数见表2。

实施例6

本发明hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋生产工艺，包括以下步骤：

步骤，转炉冶炼工序：

按9:1比例加入铁水和废钢，铁水和废钢的总量为80t，吹炼10min，升温速率为35℃/min，控制终点温度为1630℃，出钢过程中加入25kg硅铁、7.2kg硅锰合金和0.64kg铌铁进行脱氧合金化，380l/min大气量底吹气3min，随后调33l/min小气量，测温取样，待成分合格后加入0.80kg/t钛铁，大气量底吹气40s，搅拌使其快速熔化，然后调至小气量18l/min软吹气6min，上钢温度为1565℃；

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2600l/min，进出水温差在7℃，中包温度为1540℃；连铸采用恒拉速，拉速为2.6m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.47l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1100℃，开轧温度为1050℃，预穿水冷却水压力为0.4mpa，供水量为50m³/h，冷却时间为1.5s，进水温度为30℃，出水温度为40℃，预穿水冷却后钢件表面温度为850℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为700℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

实施例7

本发明hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋生产工艺，包括以下步骤：

步骤，转炉冶炼工序：

按9:2比例加入铁水和废钢进行吹炼，铁水和废钢的总量为80t，控制终点温度为1680℃，出钢过程中加入26kg硅铁、7.68kg硅锰合金和0.72kg铌铁进行脱氧合金化，大气量底吹气5min，随后调小气量，测温取样，待成分合格后加入0.96kg钛铁，大气量底吹气50s，搅拌使其快速熔化，然后调至小气量软吹气6min，上钢温度为1575℃；

步骤2，连铸工序：

采用连铸全程保护浇铸，结晶器冷却水量控制在2800l/min，进出水温差在6℃，中包温度为1515℃；连铸采用恒拉速，拉速为2.7m/min；二冷水采用气雾喷咀弱冷模式，比水量为1.53l/kg，最终得到铸坯；

步骤3，铸坯加热及轧制工序：

将铸坯加热至1070℃，开轧温度为1072℃，预穿水冷却水压力为0.2mpa，供水量为150m³/h，冷却时间为0.5s，进水温度为35℃，出水温度为50℃，预穿水冷却后钢件表面温度为950℃，精轧后钢筋通过倍尺剪剪切，经输送辊道进入冷床的温度为800℃，空冷冷却，冷却后进行定尺剪切，剪切后检验入库。

以上实施例1～5使用的铁水原料化学成分按质量百分比见表1。

以上实施例1～5制备的hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋的化学成分及性能参数见表2(所述化学成分以质量百分比计)。

表1.实施例1～5使用的铁水原料化学成分按质量百分比

表2.实施例1～5hrb500e铌钛微合金高强度抗震钢筋含有的化学成分及性能参数