以鈮代釩生產(chǎn)級螺紋鋼產(chǎn)品工藝簡介

以鈮代釩生產(chǎn)級螺紋鋼產(chǎn)品工藝簡介

1替代鋼的選擇與子級鋼筋相比，熱交換率400mpa的鋼筋具有強度高、性能穩(wěn)定、抗疲勞防滑性能好、板材節(jié)省等優(yōu)點。2003年，南昌鋼業(yè)有限公司（南鋼）開始開發(fā)和生產(chǎn)20萬噸抗興螺釘。但由于成本高發(fā)生虧損,迫切需要開發(fā)成本低的替代鋼種,經(jīng)調查,鈮鐵由于關稅的下降等原因價格逐漸下降,而釩鐵的價格則明顯上升,以鈮代釩生產(chǎn)Ⅲ級螺紋鋼具有好的經(jīng)濟效益。然而鈮微合金化鋼筋自然冷卻條件下強度偏低,加上負偏差軋制,強度不合格可能性較大,此鋼必須采取穿水冷卻或一定程度提高成分使強度有所富余,然而這樣做又會造成大批試樣屈服不明甚至少部分試樣可能出現(xiàn)脆斷。為此,在20MnSiNb試驗及大批量生產(chǎn)階段進行質量跟蹤分析并反饋改進就顯得及其重要。2生產(chǎn)工藝2.1出鋼合金化連鑄連軋穿水冷卻冷床南鋼公司目前生產(chǎn)Φ10mm～Φ32mm規(guī)格螺紋鋼,生產(chǎn)工藝流程:高爐鐵水+廢鋼→60t轉爐→吹氬→出鋼合金化→連鑄→軋制加熱→[[DQ(]小型分廠(Φ18mm、Φ20mm)橫列式軋機軋制棒材分廠(其余規(guī)格)連軋→穿水冷卻[DQ)]]→→[[DQ(]小型分廠(Φ18mm、Φ20mm)橫列式軋機軋制棒材分廠(其余規(guī)格)連軋→穿水冷卻[DQ)]]→冷床冷卻→包裝。2.2出鋼時合金化的要求轉爐冶煉應準確、穩(wěn)定控制化學成分在所定范圍內(nèi)。為了使鋼水成分均勻,出鋼時合金化,鋼包應確保足夠的吹氬時間。由于含鈮低碳鋼連鑄時在應力作用下易產(chǎn)生裂紋,連鑄時應控制好冷卻。2.3出鋼溫度的確定為了獲得最佳效果,選擇鋼坯均熱溫度應考慮在開軋前,使鈮盡可能多地溶入奧氏體中,以提高鋼筋強度。然而根據(jù)實際生產(chǎn)情況,棒材廠為連軋機組,是升溫軋制,過高的出鋼溫度會造成終軋后晶粒粗大,出鋼溫度應相對較低;而小型廠為橫列式軋機,是降溫軋制,可采取較高的出鋼溫度,但考慮到加熱爐為推鋼式,溫度過高易產(chǎn)生粘鋼現(xiàn)象,并且過高的出鋼溫度不利于晶粒細化,因此出鋼溫度應相對較高。棒材廠根據(jù)不同的規(guī)格采取相應的軋后穿水冷卻以提高螺紋鋼的性能。320質量分析：mnsinb試驗階段的質量分析3.1材料的力學性能2005年3月份,南鋼公司初步試驗了一批不同規(guī)格的20MnSiNb,首先從鈮Ⅲ級螺紋鋼成分制定入手,在生產(chǎn)的20MnSiV成分基礎上,用鈮替釩進行試生產(chǎn),部分產(chǎn)品的檢驗數(shù)據(jù)如表1,表2。針對表1,表2力學性能試樣結果和材上組織及晶粒度分析如下:(1)抗拉強度、屈服強度均大于國標要求,有的超出國標較多;小型分廠以及棒材分廠生產(chǎn)螺紋鋼抗拉強度偏高、屈服呈現(xiàn)無明顯屈服現(xiàn)象并且延伸率普遍偏低,個別爐號延伸率不合格、冷彎斷裂。延伸率低的拉斷試樣斷口平整,斷口無明顯的頸縮現(xiàn)象,表明鋼的脆性較大。(2)B5-02471Φ12mm以及B5-02755Φ25mm未穿水樣性能良好,B5-02755經(jīng)一組穿水冷后,抗拉強度提高10MPa,而塑性未下降,表明晶粒細化起良好的作用;B5-02471經(jīng)化驗錳含量較高而且小規(guī)格穿水冷速快,強度比未穿水樣提高達45MPa,而塑性指標嚴重下降,表明鋼中出現(xiàn)脆化組織。(3)小型生產(chǎn)的兩爐鋼強度較高而延伸率勉強合格,也與鋼中的脆化組織有關。(4)小型生產(chǎn)鋼以及棒材穿水鋼都不同程度存在粒狀貝氏體,鋼的組織中只要存在超過一定量(約15%)的粒狀貝氏體,在試樣冷變形過程中釘扎位錯移動,從而屈服表現(xiàn)為連續(xù)屈服(不明顯屈服)。當粒狀貝氏體含量不多時,對性能有一定的好處,可較大提高強度,而降低塑性不明顯;當粒狀貝氏體含量多時,強度有大幅度提高,鋼的脆性也大幅增加。組織情況如圖1,圖2。(5)錳、鈮都是粒狀貝氏體形成元素,它們固溶于鋼中增加鋼的連續(xù)冷卻曲線的穩(wěn)定性,而且改變貝氏體轉變區(qū)形狀使該轉變區(qū)更加突出。當奧氏體成分一定時,冷速越大,冷卻曲線更易穿過貝氏體轉變區(qū)。從化學成分來看:成分越高或加熱溶于奧氏體鈮越多,奧氏體越穩(wěn)定,使得CCT曲線向右移動,更有利于貝氏體的形成。從棒材生產(chǎn)的Φ22mm螺紋鋼檢驗數(shù)據(jù)來看,錳含量偏高同時穿水冷卻速度較快,不僅生成的貝氏體量增加,而且,貝氏體的脆性也變大。相反,若降低易形成粒狀貝氏體的錳含量同時控制一定的鈮含量,采用一定穿水冷卻速度,即使形成少量的粒狀貝氏體,中溫階段粒狀貝氏體組織中奧氏體小島也不會在隨后的冷卻中形成馬氏體,此時在力學性能上表現(xiàn):強度有較大的提高而塑性下降不明顯。(6)從棒材生產(chǎn)的Φ22mm螺紋鋼金相組織狀況來看,穿水樣邊部晶粒較細為7.0～8.0級,往內(nèi)晶粒逐漸變粗,說明了終軋后穿水使得螺紋鋼從表層到一定深度范圍內(nèi)溫度降低到較低水平,保持了終軋后細化的再結晶晶粒;而鋼內(nèi)部溫度高,使得細化的再結晶晶粒長大。施加合適的穿水冷卻,盡量保留細小的晶粒使其不易長大,使抗拉強度得到一定的提高。3.2工藝調整3.2.1顆粒材料的選擇初次試生產(chǎn)的20MnSiNb采用的是中限化學成分,結果造成塑性不足,強度有余,主要原因鋼中存在較多粒狀貝氏體。錳、鈮都是粒狀貝氏體形成元素,鈮在鋼中起重要作用:不僅起晶粒細化作用而且起沉淀強化作用,降低錳含量是最佳的選擇。但錳是固溶強化的重要元素,每降低0.1%錳,大致使抗拉強度降低15MPa,為了保證強度指標,鈮含量保持一定量,碳含量應相應增加。3.2.2制裝配廠的調整普遍減弱穿水強度,按規(guī)格控制好相應的穿水冷卻強度,使鋼筋得到良好邊部及內(nèi)部組織結構,避免發(fā)生有害的貝氏體和馬氏體相變。420強度工序能力對正式生產(chǎn)階段的大量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析見表3,發(fā)現(xiàn)20MnSiNb強度水平不僅低于20MnSiV,而且連續(xù)式軋機生產(chǎn)的鋼強度偏低的比例較高,部分爐號甚至由于低于企業(yè)內(nèi)控或國標而改判Ⅱ級鋼;同時出現(xiàn)較多比例屈服不明現(xiàn)象,尤其以橫列式軋機生產(chǎn)的鋼居多。4.2強度偏低分析由表3分析:(1)20MnSiNb抗拉強度及屈服強度的平均水平低于20MnSiV的平均水平,而延伸率水平相差不大。從工序能力指數(shù)來看:兩個鋼種延伸率工序能力指數(shù)相近,20MnSiNb抗拉強度及屈服強度的工序能力指數(shù)低于20MnSiV的平均水平,而其中抗拉強度工序能力指數(shù)明顯偏低,1≥Cp>0.67屬于工序能力不充分,此項性能相應的統(tǒng)計學上可能不合格率為0.5%。在鈮鋼中,由于鈮具有細化晶粒和沉淀硬化兩重作用,必須有一定的量,由于過多的粒狀貝氏體可產(chǎn)生脆性,促進粒狀貝氏體形成元素鈮的存在使得具有同樣作用的錳含量不宜偏高,這樣錳的固溶強化作用就減弱;而釩鋼中的錳可以更多地提高,以充分發(fā)揮錳的固溶強化作用。經(jīng)統(tǒng)計:兩種微合金化鋼碳、硅平均含量相同,而鈮微合金化鋼筋平均錳含量比釩微合金鋼偏低約0.1%,因此鈮微合金化鋼筋強度水平就自然偏低。(2)經(jīng)統(tǒng)計:棒材分廠連續(xù)軋機與小型分廠橫列式軋機所軋制的20MnSiNb螺紋鋼各主要元素的化學成分相差無幾,而棒材分廠抗拉性能平均值較小型分廠偏低約10MPa,說明軋制工藝對性能有較大的影響:①在鋼坯加熱的過程中,超過平衡量的未溶解鈮會以較粗的碳氮化鈮質點形式出現(xiàn),這些質點在加熱及開軋時可以阻止奧氏體晶粒長大,但細化晶粒效果并不卓越,只有選擇更高的鋼坯加熱溫度,使鈮盡可能多地溶入奧氏體中,這樣在一方面,隨著軋制溫度的降低,在應力的作用下可促進更多細小Nb(C,N)的析出,這種應變析出物質點阻止奧氏體再結晶,阻止晶界的移動,從而細化晶粒;在另一方面,在奧氏體向鐵素體的持續(xù)相變過程中,由于鈮、氮在鐵素體相溶解程度小,在變動的兩相界面形成更為細小的Nb(C,N)沉淀物,相變前溶于奧氏體中的鈮越多,這種細小沉淀物的量也越多,強化效果也越強;②終軋溫度是對性能影響的另一個重要因素,由于鈮有很強的抑制再結晶能力,終軋前軋料溫度降至950℃以下,就可實現(xiàn)未再結晶軋制,使得在拉長的奧氏體晶粒內(nèi)獲得更為細小的鐵素體-珠光體組織,并且終軋溫度低再結晶晶粒也不易長大;③另外,無論小型廠及棒材廠生產(chǎn)的鋼筋在成分上碳、錳含量過低,都會嚴重影響鋼筋固溶強化,造成抗拉強度指標偏低。5粒度貝氏體分析2005年6～7月,20MnSiNb螺紋鋼強度有所提高,但在這時期有較大比例屈服呈現(xiàn)無明顯屈服(連續(xù)屈服)現(xiàn)象,強度低于內(nèi)控的比例相應很少。而2005年4～5月20MnSiNb螺紋鋼強度相對偏低,較多部分強度低于內(nèi)控,為了尋找其中影響因素,把二段時期所生產(chǎn)的20MnSiNb性能進行對比分析,(其中抗拉強度區(qū)間以620MPa為區(qū)間,經(jīng)統(tǒng)計,抗拉強度大于此數(shù),屈服完全表現(xiàn)為無明顯屈服)。見表4。由表4看出:(1)無論小型和棒材生產(chǎn)的鋼都存在一定比率不明顯屈服現(xiàn)象,對屈服不明試樣進行金相組織分析,都存在不同數(shù)量的粒狀貝氏體。螺紋鋼軋后穿水所形成的邊部細晶組織對性能的提高有限,強度指標可提高15～20MPa,螺紋鋼中存在少量的粒狀貝氏體可較大提高強度指標。含有少量粒狀貝氏體鋼相對無粒狀貝氏體鋼,其平均抗拉強度提高25～30MPa,而平均延伸率僅下降0.7%～1.4%。檢驗中也存在極個別爐號延伸率低的狀況,其內(nèi)部組織存在過量的粒狀貝氏體。(2)棒材分廠2005年4～5月生產(chǎn)的20MnSiNb抗拉強度大于等于620MPa的爐數(shù)比率為31.5%,而在2005年6～7月抗拉強度大于等于620MPa的爐數(shù)比率高達67.7%;小型分廠生產(chǎn)的20MnSiNb在2005年4～5月抗拉強度大于等于620MPa的爐數(shù)比率為55.8%,而在2005年6～7月抗拉強度大于等于620MPa的爐數(shù)比率相近59.9%。對比兩段時期及同一生產(chǎn)時期抗拉強度高、低區(qū)間,各元素的含量及碳當量的平均值極為相近,由此說明:目前因成分偏高而造成較多粒狀貝氏體現(xiàn)象為少數(shù),粒狀貝氏體所引起的強度偏高以及屈服不明現(xiàn)象有其它因素起作用,主要有以下因素:①出鋼溫度高造成溶解于奧氏體的鈮量也越多,經(jīng)終軋后析出的強化螺紋鋼質點Nb(C,N)也越多,部分溶解狀態(tài)的鈮可促成貝氏體轉變;②鋼水澆注過熱度:鋼水過熱度過高,易造成連鑄鑄坯內(nèi)部粗大的等軸晶,粗大的等軸晶是成分嚴重的枝晶偏析,在隨后的軋制加熱中只能部分減輕偏析。盡管有的爐號成分偏低,但其內(nèi)部存在嚴重的枝晶偏析,鋼筋中部富炭、錳區(qū)域在隨后的冷卻中易形成粒狀貝氏體,而邊部區(qū)域盡管冷速相對快但其組織仍為鐵素體加珠光體;③穿水冷卻變強或者穿水冷卻波動易造成在強冷卻階段發(fā)生粒狀貝氏體轉變。6可顯著替代20mnsinb(1)釩微合金化鋼筋具有較高的塑性和強度配比,其性能受生產(chǎn)條件影響不大。相比之下,20MnSiNb要依靠