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【摘 要】 根据V和N微合金化对钢筋强化机理，通过试验选用氮化钒铁复合微合金化，轧材采用四切分工艺成功研制出φ12mm B500B出口用英标高强度钢筋。
【关键词】 高强度；晶粒细化；固溶和沉淀强化；氮化钒铁和铬铁；四切分工艺
目前，我国钢铁行业处于产能严重过剩时期，钢铁企业为了可持续发展，考虑采取深化挖潜降低生产成本、转型升级改造、发展非钢产业和开发海外市场等措施。
近几年，我国高强钢筋的生产和应用取得了显著进展，从微合金化、余热处理到细精钢，各方面都取得了一定的进步。在微合金化方面，V-N钢筋具有明显的经济优势；余热处理钢筋和细晶钢筋通过组织强化或超细晶技术生产更高级别钢筋成为可能。在2010年，我国400MPa级别钢筋占比例约30%，其中335MPa级别钢筋占比例约60%，500MPa级别钢筋几乎空白。将建筑钢筋强度由335MPa级别升级为400MPa级别可节约钢材用量14%左右，将建筑钢筋强度由400MPa级别升级为500MPa级别可节约钢材用量10%左右。目前根据国家相关产业政策导向335MPa级钢筋所占比例已经很少，正逐渐退出市场。凌源钢铁股份有限公司技术中心在2003年开始试验、研究400MPa级别钢筋，2006年开始试验500MPa级钢筋的研制；目前，以上级别钢筋规格覆盖面广（Φ12mm～Φ40mm），批量也较大。
从2013年开始，凌钢为减轻内贸压力开始致力于开发研究B500B英标出口用高强度钢筋，现已批量化生产，经济效益和社会效益显著提高。
1 B500B钢筋研究
1.1技术要求
（1）执行标准：BS4449：2005；
（2）技术要求：B500B化学成分和碳当量（熔炼分析）见表1，性能要求见表2。
（3）凌钢小规格棒材未采用余热处理，考虑B500B成分设计时既要满足带肋钢筋强度要求，又要保证热轧碳当量不超标准要求上限。
1.2成分设计
最初采用Nb微合金化生产400MPa级钢筋，采用Nb、V复合微合金化技术生产500MPa级钢筋。目前连续棒材生产线均为高效轧制，轧制速度快、机时产量高。根据Nb元素在钢中的溶解度可知在1200℃时能够固溶到钢中的Nb仅0.02%，另外采用Nb微合金化生产400MPa级钢筋很难满足低温大压下细晶强化效果，同时铌固溶强化对加热温度要求比钒要苛刻。从经济效益上铌铁微合金化比氮化钒铁成本高，棒材轧机多采用V/V-N微合金化生产。根据凌钢采用V/V-N微合金化生产HRB500E带肋钢筋的实践，碳含量增加可分别提高屈服强度和抗拉强度，但碳含量偏高影响钢筋的塑性和焊接性。目前，凌钢小规格B500B出口钢未进行余热处理，在兼顾成本基础上既要满足高强度性能和出口铬含量（≥0.30%）要求又要满足低碳当量的要求。从成分设计上通过降C、降Mn合理设计Cr的含量，选择氮化钒铁微合金化工艺生产高强度钢筋B500B。
氮化钒铁在钢中强化机制：（1）钢中增氮，使处于固溶态的钒在冷却过程转变成析出态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。（2）细化晶粒作用，氮化钒铁微合金化通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒，可同时发挥晶粒细化和沉淀强化两种强化方式的作用，有利于实现强塑性匹配；V-N微合金化技术在高强钢筋上的成功应用，充分利用廉价的N元素，促进了V的析出，显著提高了V的沉淀强化效果，降低了钢材生产成本。
铬在钢中使C曲线右移，在同样冷却条件下，可以得到片层间距细小的珠光体，还可细化铁素体晶粒度；起到一定的细化晶粒的作用。另外铬也是作为出口钢筋所要求添加的元素。
1.3四线切分工艺：在二线切分、三线切分的基础上，根据凌钢棒材机组布置特点，主要通过对切分孔型、预切分孔型和相关的料型等重新设计，对相关切分导卫的切分轮角度、间隙和分料盒等关键零部件参数进行优化，经过近半个月的实践摸索和完善，φ12mm四线切分日产平均超过2100吨，产品质量满足标准要求。由于轧件速度的降低使轧线设备运转速度下降，延长设备使用周期。与三切分工艺相比，采用四切分轧制工艺不但可提高20%产量，而且能源消耗吨钢可降低约20元；经济效益显著提高。
2 试制情况
2013年12月，采用氮化钒微合金化工艺试验生产10炉规格为φ12mm B500B，试验工艺如下：
2.1工艺流程
低硫铁水—35吨转炉冶炼—脱氧合金化（微合金化）—钢包底吹氩—方坯连铸（断面为150mm*150mm）—棒材机组加热炉—轧制—倍尺剪切—冷床冷却—定尺剪切—包装—检斤—入库。
2.2冶炼和连铸
2.2.1冶炼
（1）采用脱硫铁水和低硫铁水入炉，[S]≤0.020%。（2）终点[C]≥0.07%，终点温度平均1650℃。（3）采用SiAlBaCa脱氧剂预脱氧，出钢1/3顺序加入硅铁、氮化钒铁、锰铁、高碳铬铁合金化。（4）吹氩2min取参考样，根据参考样成分利用喂碳线、锰线和SiCaBa线对成分进行微调。吹氩时间大于5min，且保持软吹，防止钢水大翻卷渣和钢水二次氧化。
2.2.2连铸
（1）采用长水口保护浇注。（2）中间包温度控制在1519～1535℃，平均1525℃，拉速控制在1.8～2.3m/min，平均拉速2.0m/min。（3）结晶器采用电磁搅拌，搅拌电流260A，频率6HZ（断面150mm*150mm）。（4）二次配水采用气雾冷却，使用强冷工艺，比水量1.20L/kg。
2.3轧制
棒材机组为全连续式水平布置，加热炉采用蓄热步进梁式，预热段炉温900～1100℃，加热段炉温1100～1160℃，均热段炉温1130～1200℃；主轧机19架，其中精轧机组6架采用平立交替布置，有利于实现小规格钢筋采用切分轧制工艺。
2.4试制结果
2.4.1从表3 B500B在线实物化学成分和性能看：化学成分均匀、性能稳定，为批量生产奠定了基础。另外弯曲性能良好。
2.4.2为了验证时效对性能影响，一周（7天）后对对应炉次备用样进行性能检测，屈服强度和抗拉强度均下降10～15MPa。同时，以上10炉φ12mm规格B500B轧材的每米质量偏差范围-0.8%～3.2%，满足英标BS4449：2005的要求（±4.5%）。
3 试制结果分析
（1）冶炼主要元素化学成分分布见下图1～3，从表1和图1～3中可以看出，碳、硅两元素成分控制基本接近目标值；锰元素控制偏中上限，硫磷有个别炉次超目标值，但满足内控要求；钒控制由于受装入量、终点和脱氧等诸多因素影响，波动较大；碳当量控制相对较好。
（2）从表3 B500B在线性能和时效情况看，屈服强度530～585MPa，平均为555MP和标准（≥500MPa）比富余量偏高，最大作用力的总伸长率Agt%在11.9%～17.7%范围内，平均为14.9%完全满足標准（≥5%）要求；强屈比最小1.23；以上性能指标均达到预期冶金效果；为降低成本下一步降低钒含量，同时试验摸索轧材余热处理工艺。
（3）轧材表面质量、外形尺寸均满足标准要求。
4 结论
1、通过试验采用氮化钒铁、铬铁生产B500B出口用英标热轧高强度钢筋可行，也是生产高强度钢筋的一条经济有效的途径。
2、在生产中要保证窄成分控制、兼顾碳当量上限值，同时提高内控成分合格率，确保力学性能稳定。
参考文献：
[1]崔忠圻.金属学与热处理
[2]铌微合金化高性能结构钢.北京：冶金工业出版社，2011
[3]中国材料工程大典.北京：化学工业出版社，2006
【关键词】 高强度；晶粒细化；固溶和沉淀强化；氮化钒铁和铬铁；四切分工艺
目前，我国钢铁行业处于产能严重过剩时期，钢铁企业为了可持续发展，考虑采取深化挖潜降低生产成本、转型升级改造、发展非钢产业和开发海外市场等措施。
近几年，我国高强钢筋的生产和应用取得了显著进展，从微合金化、余热处理到细精钢，各方面都取得了一定的进步。在微合金化方面，V-N钢筋具有明显的经济优势；余热处理钢筋和细晶钢筋通过组织强化或超细晶技术生产更高级别钢筋成为可能。在2010年，我国400MPa级别钢筋占比例约30%，其中335MPa级别钢筋占比例约60%，500MPa级别钢筋几乎空白。将建筑钢筋强度由335MPa级别升级为400MPa级别可节约钢材用量14%左右，将建筑钢筋强度由400MPa级别升级为500MPa级别可节约钢材用量10%左右。目前根据国家相关产业政策导向335MPa级钢筋所占比例已经很少，正逐渐退出市场。凌源钢铁股份有限公司技术中心在2003年开始试验、研究400MPa级别钢筋，2006年开始试验500MPa级钢筋的研制；目前，以上级别钢筋规格覆盖面广（Φ12mm～Φ40mm），批量也较大。
从2013年开始，凌钢为减轻内贸压力开始致力于开发研究B500B英标出口用高强度钢筋，现已批量化生产，经济效益和社会效益显著提高。
1 B500B钢筋研究
1.1技术要求
（1）执行标准：BS4449：2005；
（2）技术要求：B500B化学成分和碳当量（熔炼分析）见表1，性能要求见表2。
（3）凌钢小规格棒材未采用余热处理，考虑B500B成分设计时既要满足带肋钢筋强度要求，又要保证热轧碳当量不超标准要求上限。
1.2成分设计
最初采用Nb微合金化生产400MPa级钢筋，采用Nb、V复合微合金化技术生产500MPa级钢筋。目前连续棒材生产线均为高效轧制，轧制速度快、机时产量高。根据Nb元素在钢中的溶解度可知在1200℃时能够固溶到钢中的Nb仅0.02%，另外采用Nb微合金化生产400MPa级钢筋很难满足低温大压下细晶强化效果，同时铌固溶强化对加热温度要求比钒要苛刻。从经济效益上铌铁微合金化比氮化钒铁成本高，棒材轧机多采用V/V-N微合金化生产。根据凌钢采用V/V-N微合金化生产HRB500E带肋钢筋的实践，碳含量增加可分别提高屈服强度和抗拉强度，但碳含量偏高影响钢筋的塑性和焊接性。目前，凌钢小规格B500B出口钢未进行余热处理，在兼顾成本基础上既要满足高强度性能和出口铬含量（≥0.30%）要求又要满足低碳当量的要求。从成分设计上通过降C、降Mn合理设计Cr的含量，选择氮化钒铁微合金化工艺生产高强度钢筋B500B。
氮化钒铁在钢中强化机制：（1）钢中增氮，使处于固溶态的钒在冷却过程转变成析出态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。（2）细化晶粒作用，氮化钒铁微合金化通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒，可同时发挥晶粒细化和沉淀强化两种强化方式的作用，有利于实现强塑性匹配；V-N微合金化技术在高强钢筋上的成功应用，充分利用廉价的N元素，促进了V的析出，显著提高了V的沉淀强化效果，降低了钢材生产成本。
铬在钢中使C曲线右移，在同样冷却条件下，可以得到片层间距细小的珠光体，还可细化铁素体晶粒度；起到一定的细化晶粒的作用。另外铬也是作为出口钢筋所要求添加的元素。
1.3四线切分工艺：在二线切分、三线切分的基础上，根据凌钢棒材机组布置特点，主要通过对切分孔型、预切分孔型和相关的料型等重新设计，对相关切分导卫的切分轮角度、间隙和分料盒等关键零部件参数进行优化，经过近半个月的实践摸索和完善，φ12mm四线切分日产平均超过2100吨，产品质量满足标准要求。由于轧件速度的降低使轧线设备运转速度下降，延长设备使用周期。与三切分工艺相比，采用四切分轧制工艺不但可提高20%产量，而且能源消耗吨钢可降低约20元；经济效益显著提高。
2 试制情况
2013年12月，采用氮化钒微合金化工艺试验生产10炉规格为φ12mm B500B，试验工艺如下：
2.1工艺流程
低硫铁水—35吨转炉冶炼—脱氧合金化（微合金化）—钢包底吹氩—方坯连铸（断面为150mm*150mm）—棒材机组加热炉—轧制—倍尺剪切—冷床冷却—定尺剪切—包装—检斤—入库。
2.2冶炼和连铸
2.2.1冶炼
（1）采用脱硫铁水和低硫铁水入炉，[S]≤0.020%。（2）终点[C]≥0.07%，终点温度平均1650℃。（3）采用SiAlBaCa脱氧剂预脱氧，出钢1/3顺序加入硅铁、氮化钒铁、锰铁、高碳铬铁合金化。（4）吹氩2min取参考样，根据参考样成分利用喂碳线、锰线和SiCaBa线对成分进行微调。吹氩时间大于5min，且保持软吹，防止钢水大翻卷渣和钢水二次氧化。
2.2.2连铸
（1）采用长水口保护浇注。（2）中间包温度控制在1519～1535℃，平均1525℃，拉速控制在1.8～2.3m/min，平均拉速2.0m/min。（3）结晶器采用电磁搅拌，搅拌电流260A，频率6HZ（断面150mm*150mm）。（4）二次配水采用气雾冷却，使用强冷工艺，比水量1.20L/kg。
2.3轧制
棒材机组为全连续式水平布置，加热炉采用蓄热步进梁式，预热段炉温900～1100℃，加热段炉温1100～1160℃，均热段炉温1130～1200℃；主轧机19架，其中精轧机组6架采用平立交替布置，有利于实现小规格钢筋采用切分轧制工艺。
2.4试制结果
2.4.1从表3 B500B在线实物化学成分和性能看：化学成分均匀、性能稳定，为批量生产奠定了基础。另外弯曲性能良好。
2.4.2为了验证时效对性能影响，一周（7天）后对对应炉次备用样进行性能检测，屈服强度和抗拉强度均下降10～15MPa。同时，以上10炉φ12mm规格B500B轧材的每米质量偏差范围-0.8%～3.2%，满足英标BS4449：2005的要求（±4.5%）。
3 试制结果分析
（1）冶炼主要元素化学成分分布见下图1～3，从表1和图1～3中可以看出，碳、硅两元素成分控制基本接近目标值；锰元素控制偏中上限，硫磷有个别炉次超目标值，但满足内控要求；钒控制由于受装入量、终点和脱氧等诸多因素影响，波动较大；碳当量控制相对较好。
（2）从表3 B500B在线性能和时效情况看，屈服强度530～585MPa，平均为555MP和标准（≥500MPa）比富余量偏高，最大作用力的总伸长率Agt%在11.9%～17.7%范围内，平均为14.9%完全满足標准（≥5%）要求；强屈比最小1.23；以上性能指标均达到预期冶金效果；为降低成本下一步降低钒含量，同时试验摸索轧材余热处理工艺。
（3）轧材表面质量、外形尺寸均满足标准要求。
4 结论
1、通过试验采用氮化钒铁、铬铁生产B500B出口用英标热轧高强度钢筋可行，也是生产高强度钢筋的一条经济有效的途径。
2、在生产中要保证窄成分控制、兼顾碳当量上限值，同时提高内控成分合格率，确保力学性能稳定。
参考文献：
[1]崔忠圻.金属学与热处理
[2]铌微合金化高性能结构钢.北京：冶金工业出版社，2011
[3]中国材料工程大典.北京：化学工业出版社，2006