经济型铌钒微合金化HRB600E钢筋产品研发与应用

发布时间:

2026-05-29

摘要：为适应建筑用钢市场发展需求，通过铌钒复合微合金化设计与控轧控冷工艺优化，结合微合金元素热力学行为研究及相变动力学研究，对试制钢筋的性能、组织进行检验分析。结果表明，试制钢筋具有良好的性能及组织。

0 引言

全球地震高发区建筑面积占比超60%，传统335MPa 级钢筋难以满足高层建筑抗震需求。欧美日已普及500MPa级以上钢筋[1-2]。我国“十二五”发展规划中已明确提出要“适应减量化用钢趋势，升级热轧螺纹钢标准，重点发展400MPa及以上高强度螺纹钢筋、抗震钢筋”[3]，针对高强钢筋依赖进口、成本高的问题，通过成分优化与工艺创新，开发经济型600MPa级抗震钢筋，推动建筑减碳与钢铁工业升级。

1 成分设计与强化机理

1.1 产品要求

成分设计的依据是产品所要求的性能及各化学元素对综合机械性能的影响。HRB600E主要的力学性能指标如表1所示。

1.2 化学成分设计

铌和钒具有很强的析出强化作用，通过以一定比例添加铌钒合金，可减少含铌钢的连铸裂纹及钢筋的延伸率较低的问题。

根据产品要求，结合元素的特性、强度、延伸率计算模型，按照《热轧带肋钢筋》进行设计，在成分设计上采用微合元素强化，并通过铌磷铁替代铌铁等方式，降低吨钢生产成本，常规元素按照标准的要求进行控制，对HRB600E的成分进行设计，结果如表2所示。

2 微合金热力学行为研究

铌和钒微合金元素可促进冷却和轧制过程中碳氮化物的析出，实现析出强化。钢中的第二相在界面能及溶质偏聚的作用下，通常会优先在奥氏体晶界沉淀析出。第二相析出的多少和其在基体中的固溶度以及热力学析出行为密切相关。通过计算实验钢中第二相析出的热力学，研究微合金在实验中的析出行为，从而制定适宜的生产工艺，使得微合金元素在实验钢中的有益作用发挥到最大[4-5]。

温度大于1100℃,奥氏体中铌的溶解度受氮含量影响较大。当温度低于1050℃时，铌的溶解质量分数均较低。温度大于750℃,铁素体随着钢中N含量的增加，Nb含量减少。当碳的质量分数越低，与之对应的铌的溶解度越高。

高强钢筋中奥氏体向铁素体相变时，通过快速析出钒的碳氮化物从而细化铁素体的晶粒，达到改善高强钢筋强度和塑性的目标。通过热力学计算，可知微合金元素铌、钒在HRB600E高强钢筋中的析出温度，如表3所示。高强钢筋微观组织控制工艺其中的一个重点就是控制钢中微合金元素析出行为，从而获得理想的金相组织。

3 相变动力学研究

依照成分设计冶炼HRB600E，并加工成Ф8mm×80mm的试样，在Gleeble3800热模拟机上进行热模拟实验。

3.1 实验钢临界点

实验钢以0.05℃/s加热和以100℃/s冷却，并绘制临界加热和冷却转变曲线，可以得到实验钢的Ac1和Ac3分别为：736℃、852℃,Ms和Mf点分别为：424℃、291℃ 。

3.2 加热速度对Ac1和Ac3影响

随着加热速度的增加，Ac1和Ac3值都有不同程度的增加，如表4所示。这是因为奥氏体的形成是通过原子的扩散来完成的，而完成这一扩散过程需要一定的时间。当加热速度增加时，原子在某一温度点的扩散时间就会缩短，这样在原来开始发生转变的温度点就会被推迟到更高的温度，相应的转变终了温度也升高。

3.3 实验钢CCT曲线及组织

图1是实验钢的CCT曲线，冷却速度低于1℃/s时，组织为珠光体+铁素体，组织尺寸随着冷却速度增大而减小；当冷却速度大于1℃/s时，开始有贝氏体出现且随着冷却速度增加贝氏体增多，冷却速度在1~5℃/s之间的组织为贝氏体 + 铁素体。这是随着冷速的增加，钢中的C的扩散速度变慢，扩散距离变小。由于碳在铁素体中的扩散速度大于在奥氏体中的速度，使得铁素体条间的奥氏体富碳区析出断续渗碳体，从而形成贝氏体；当冷却速度大于5℃/s时，组织为马氏体+铁素体，马氏体的数量随着冷却速度增加而增多，因为冷却速度加大，C的扩散速度进一步变缓，组织转变开始向切变转变，促进马氏体的形成。

随着冷却速度的增加，实验钢的硬度逐渐增大，冷却速度0.3~4.0℃/s时，铁素体含量减少，珠光体、贝氏体含量增加，实验钢硬度增大；冷却速度大于5℃/s时，组织转变产物主要为铁素体、贝氏体和马氏体，并随着冷却速度的增加，贝氏体含、马氏体含量增加趋势变缓，硬度提升放缓[6]。

4 工业化生产实践

4.1 工艺流程

高炉铁水→转炉→吹氩→LF→连铸→检验→精整 →热送或冷送→加热炉加热→除鳞→粗轧→中轧→精轧→倍尺剪→冷床冷却→取样、检验→定尺剪切→打捆、称重、挂牌、收集→入库、发货。

4.2 冶炼、连铸工艺

HRB600E采用铌磷铁、复析合金进行合金替代，转炉冶炼终点目标如表5所示，钢水到精炼站后接通氩气，调节好气量。钢包开至精炼工位后，渣料按石灰200~500kg，萤石50~100kg加入，通电化渣10min后测温、取样。加入脱氧剂造白渣。根据LF炉取样分析结果，常规合金化同期加入复析合金，吹氩时间≥5min。成分温度达到目标后，喂钙线，软吹氩时间≥8min，连铸全程保护浇注，大包长水口氩封，长水口插入液面≥150mm，正常浇注中包液面≥700mm，恒拉速浇筑，铸坯为160mm×160mm方坯,铸坯熔炼成分如表6所示。

4.3 轧制与冷却工艺

HRB600E热轧后的组织为珠光体和铁素体,要避免宏观金相出现封闭环，微观组织上要避免因加热不均匀或控冷不到位出现马氏体等异常组织。钢坯加热过程中要均匀，并严格控制加热时长及温度，避免坯料过热、过烧或中芯温度不足造成轧制裂纹或断辊事故。加热工艺如表7所示，利用控温控轧工艺细化晶粒，提高钢筋性能。

生产过程中冷却水不允许关闭，轧件温度控制：调节水的压力和流量，对轧件进精轧温度、上冷床的温度进行控制，控轧控冷工艺如表8所示。

5 产品性能

5.1 力学性能结果及分析

HRB600E力学性能如表9所示。从表9中可以看出，试样屈服强度、抗拉强度、最大力总延伸率等性能均能完全满足内控及新标准要求。

5.2 金相组织结果及分析

金相检测结果如表10所示。不同规格的HRB600E均无激冷层，组织为铁素体+珠光体，部分存在心部偏析，金相组织均能满足标准要求。

6 结论

1）采用低铌+钒氮复合强化合金成分设计，开发的Φ18~32mm规格HRB600E钢筋，可有效解决高强钢筋强屈比低、一次命中率低的技术难题。

2）通过复析合金的加入及铌磷铁替代铌铁的使用可有效降低高强抗震钢筋的生产成本。

参考文献：山西冶金；经济型铌钒微合金化HRB600E钢筋产品研发与应用；李贺

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