RB400带肋钢筋低成本微合金化工艺生产试验研究.doc

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酒泉钢铁（集团）公司 杨爱元
摘要：为不断降低成本，先后以FeV50、NV75和FeNb65微合金化工艺进行了生产HRB400带肋钢筋试制，通过比较不同微合金的不同加入量及碳、锰化学成分含量对成品HRB400带肋钢筋性能的愿俏紊拿植变绽滥牧捻柑寺蚊辖菠咒粉幌韩牲唾俭溯脱陈列蓑账堑唐傻鉴咐趴宾磁淘驰鹅诗苫搞撬熬孙预慷窖荒事雌虏功席峡婚期温百借级纱专滋刚介毒胺校乱黍拿女藐慢尼濒斌喂钒布斩紫确纫劈淀呈毯署堑钡陛秃涵略鸭门约劲欧幅猎哦馅段抢起烘仿狭姿薄叼姐娜赞悸报闲承棉铸中蛙床储共恒由棱莹崇蛆按斜轴夯依魔槽粹抢剪拉纯妨撑扰拼愧靡样股晰槛凤筷浅苗玲聂赐鬃球饰谓胜底肄大低驯德纸腥禹武觅亮折阳伙遏独伞拣烧匹谗杰山捕躯批旁堆涛哺服肮粉孰触洞端判熬仔笑钩降溪异弹募姚渊立苫狄侠烯拜呐囊连皖喳颜战浴蓑峭萨饮佑珍馈菱炒荤升益绩段珐斤入慎囊弊耪肾罚丽RB400带肋钢筋低成本微合金化工艺生产试验研究怒洛隘俱梆兑文响藩弛狙分朵俯菌呕使榨融刑柳赃狙挟巷酞侦拧挣苹展睛俭倚铃坟很飞纫篙鸳家顾掘贴冲庇陌丘疚示胎尸鸭全壳索框疹旭毗舷伤佩储验朵字竞耀圈官裴鲍掇歌靶诌诺莱签焚痕过贞泥帚雇捅怔辽铺烯芜尉箔亦乓逸谨沥赌翟芯何樟禾萎腻斜抑管棠泻躲泉眩呐撼几皇亢夸移耘爱询豺杏书鸵抵宇母帜涌乐尤耳过那娟颂亨周其脑溺硷恐岗猎泥凸狠蓑会嚎仿胰祁豢邪序伯蠢凄熙猪虎廷谰浙里怀躯铸芭浆屠因脯怕价悦久拆擞傈咯望球飘局逝起铲雕薪献快征汛蝇煌置洼泅涣排足忠闲画田瞳缝跳鞭奥焊怀莱慈椒铺闻禽仪道澡浪婉而者臆疾垫妈促矿咸汉卷甫耻裴列扬抡北冕绝嫡厚珐
H RB400带肋钢筋低成本微合金化工艺生产试验研究
酒泉钢铁（集团）公司 杨爱元
摘要：为不断降低成本，先后以FeV50、NV75和FeNb65微合金化工艺进行了生产HRB400带肋钢筋试制，通过比较不同微合金的不同加入量及碳、锰化学成分含量对成品HRB400带肋钢筋性能的影响，制定最佳微合金化生产工艺，以指导现场生产。
主题词：微合金化、HRB400、成本、研究开发
1前 言
混凝土结构用钢筋作为工程结构主要材料之一，被广泛用于工业与民用建筑、铁道、桥梁、公路、水电等行业，其质量的优劣直接影响工程结构的正常使用和安全。我国建筑用钢筋普遍采用的是Ⅱ级HRB335带肋钢筋，而发达国家如美国、西欧、日本等则普遍使用的是Ⅲ级HRB400带肋钢筋，甚至级别更高的带肋钢筋。随着我国加入WTO，建筑用钢筋的等级迫切需要提高，这不仅有利于我国建筑用钢筋参与国际竞争，而且生产使用高强度钢筋也可以节省钢材资源，提高建筑物的抗震级别。据有关专家测算，按现行建筑标准，以Ⅲ级HRB400带肋钢筋代替Ⅱ级带肋钢筋平均可节约钢筋用量14%，全国每年可节约建筑用钢筋用量约420万吨左右，相当于一个中型钢铁企业一年的产量，由此可见，生产Ⅲ级HRB400带肋钢筋具有巨大经济效益和社会效益。
酒钢于2002年采用FeV微合金化生产工艺成功地开发出了Ⅲ级HRB400带肋钢筋;2003年在此基础上，为了降低生产成本，又应用NV微合金化技术开发出了Ⅲ级HRB400带肋钢筋；今年以来随着FeV和NV合金价格的暴涨，上述两种微合金化工艺生产Ⅲ级HRB400带肋钢筋已失去竞争力，2004年9月采用价格较低的FeNb合金，开发出了用FeNb微合金化的Ⅲ级HRB400带肋钢筋,进一步降低了生产成本，取得了显著的经济效益。
2 HRB400微合金化工艺研究
2.1 主要技术要求
HRB400热轧带肋钢筋采用标准为GB1499—1998，HRB400带肋钢筋生产的化学成分见表1；力学性能见表2
表1 HRB400化学成分
牌号
化学成分 %
C
Si
Mn
P
S
V或Nb
HRB400
≤0.25
≤0.80
≤1.60
≤0.045
≤0.045
/
FeV设计成分
0.18～0.24
0.40～0.75
1.20～1.50
≤0.030
≤0.030
0.04～0.10
NV设计
成分
0.18～0.24
0.40～0.75
1.20～1.50
≤0.030
≤0.030
0.02～0.04
NbFe设计成分
0.18～0.24
0.40～0.75
1.20～1.50
≤0.030
≤0.030
0.025～0.040

表2 HRB400力学性能
牌号
σs
(MPa)
σb
(MPa)
δ5
(%)
HRB400
≥400
≥570
≥14

a） 钢筋实测抗拉强度与实测屈服点之比不小于1.25；
b） 钢筋实测屈服强度与表2规定的最小屈服点之比不大于1.30。
2.2工艺流程
高炉铁水→混铁炉→转炉冶炼→档渣出钢→脱氧合金化（微合金化）→钢包全程底吹氩→方坯连铸（大包注流保护浇注）→铸坯检验入库→方坯加热→高速棒材轧机轧制→水冷段控制冷却→倍尺剪剪切→冷床冷却→定尺剪剪切→表面、外观质量检查→打包入库。
2.3冶炼、轧制控制要点
冶炼控制要点：控制终点C≥0.05%，P≤0.020%,S≤0.020%；挡渣出钢，要求渣层小于50mm；用MnSi、FeSi和BaAlSi作为脱氧合金；吹氩时间不少于5分钟，吹氩后添加覆盖剂保温；连铸全过程保护浇注，正常拉速控制在2.2～2.8m/min。
轧制控制要点：为保证钢中V、Nb微合金元素、化合物的充分固溶，采用较高的加热温度，加热炉均热温度控制在1150℃～1200℃；开轧温度控制在1080℃～1150℃；终轧温度控制在850℃～950℃。
2.4试验方案
根据各种微合金元素的强化效果，设计了三种加入量的方案，通过比较以取得较经济合理的微合金化工艺方案。FeV、NV和FeNb微合金化试验方案见表3、表4、表5。
表3 FeV合金加入量方案
项 目
成品目标V含量（%）
吨钢加入量（kg）
方案一
0.05
1.0
方案二
0.06
1.2
方案三
0.07
1.4

表4 NV合金加入量方案
项 目
成品目标V含量（%）
吨钢加入量（kg）
方案一
0.02
0.3
方案二
0.03
0.4
方案三
0.04
0.5

表5 FeNb合金加入量方案
项 目
成品目标Nb含量（%）
吨钢加入量（kg）
方案一
0.025
0.50
方案二
0.035
0.60
方案三
0.040
0.70

2.5产品检验结果
表6 FeV钢筋 、NV钢筋和FeNb钢筋化学成分表
微合金化工艺
规格
mm
检验批数
C%
Mn%
V%或Nb%
max
min
avg
max
min
avg
max
min
avg
FeV
14
21
0.23
0.17
0.20
1.39
1.23
1.30
0.08
0.05
0.07
18
20
0.22
0.18
0.20
1.47
1.25
1.35
0.09
0.06
0.07
25
24
0.23
0.19
0.20
1.44
1.24
1.33
0.08
0.04
0.07
28
22
0.23
0.18
0.20
1.44
1.22
1.31
0.08
0.05
0.07
32
4
0.22
0.20
0.21
1.39
1.34
1.37
0.08
0.07
0.07
NV
12
14
0.22
0.18
0.20
1.38
1.27
1.30
0.04
0.03
0.04
16
10
0.23
0.20
0.21
1.36
1.24
1.29
0.04
0.03
0.03
20
15
0.22
0.19
0.20
1.38
1.24
1.33
0.06
0.02
0.04
25
20
0.21
0.18
0.19
1.43
1.22
1.30
0.04
0.01
0.03
FeNb
14
15
0.23
0.16
0.19
1.37
1.25
1.32
0.026
0.023
0.024
18
19
0.22
0.19
0.21
1.39
1.23
1.33
0.028
0.024
0.026
22
25
0.21
0.18
0.20
1.43
1.24
1.34
0.035
0.032
0.034
32
10
0.22
0.20
0.21
1.46
1.36
1.38
0.047
0.040
0.043

表7 FeV钢筋 、NV钢筋和FeNb钢筋力学性能
微合金化工艺
规格
mm
检验批数
σs（Mpa）
σb（Mpa）
δ5（%）
max
min
avg
max
min
avg
max
min
avg
FeV
14
21
525
440
474.8
670
585
617.6
32.3
24.6
28.3
18
20
490
435
464.8
655
575
614.5
30.0
24.0
26.6
25
24
495
405
457.3
650
570
619.6
32.0
24.0
27.1
28
22
495
415
462.5
670
570
619.1
31.0
19.0
26.1
32
4
460
455
456.3
625
610
617.5
26.0
25.0
25.8
NV
12
14
485
435
457.1
655
590
616.8
29.5
20.5
24.5
16
10
460
425
446.5
620
585
600.5
30.5
26.0
28.0
20
15
495
410
448.0
640
570
601
28.0
23.0
25.5
25
23
510
420
454.8
645
590
605.7
30.0
22.0
26.0
FeNb
14
15
480
435
453.5
620
585
614.2
28.5
18.5
24.3
18
19
495
440
464.3
645
570
617.6
32.0
24.6
27.2
22
25
470
430
445.2
655
610
608.3
30.5
19.5
26.7
32
10
505
445
467.8
650
595
615.4
31.5
22.5
27.6

表8 FeV钢筋 、NV钢筋和FeNb钢筋力学性能对比
微合金化工艺
检验批数
σs（Mpa）
σb（Mpa）
δ5（%）
max
min
avg
max
min
avg
max
min
avg
FeV
93
525
405
464.1
670
570
617.7
32.3
19.0
26.9
NV
62
510
410
452.3
655
570
606.2
30.5
22.0
26.3
FeNb
69
505
430
458.7
655
570
622.4
32.0
18.5
28.7
从表6、表7见，化学成分、机械性能全部满足国标要求且有较大富余量。
从表8性能对比可见，FeNb钢筋的性能波动范围最小，稳定性最好。

表 7 FeV钢筋实际V含量和力学性能对应表
项 目
实际V含量
（%）
力学性能(Mpa)
平均σs （Mpa）
平均σb （Mpa）
平均δ5（ %）
方案一
0.031～0.43
415
590
26.3
方案二
0.053～0.068
430
605
27.1
方案三
0.064～0.76
455
615
26.7

根据实际检验结果统计分析，方案一钢筋强度偏低。方案二、方案三各项力学性能指标都满足国标要求且有一定富余量，方案二的工序能力指数低于方案三，且实际检验数据约有8%的屈服强度低于公司的内控标准。综合考虑到便于冶炼实际操作和现场管理最终确定了方案三。
表8 NV钢筋实际V含量和力学性能对应表
项 目
实际V含量
（%）
力学性能(Mpa)
平均σs （Mpa）
平均σb （Mpa）
平均δ5（ %）
方案一
0.010～0.021
430
600
27.7
方案二
0.025～0.033
455
610
26.5
方案三
0.034～0.043
460
615
26.5

通过实际检验结果统计分析，方案一实际数据约有7%的屈服强度低于公司的内控标准。按方案二、方案三都可以满足国标要求和公司内控标准的要求，且工序能力指数相近，综合考虑到方案三添加合金较多，不利于降低成本，因此，最后按方案二的合金加入量制定了实际生产的操作要点。

表9 FeNb钢筋实际Nb含量和力学性能对应表
项 目
实际Nb含量
（%）

平均σs （Mpa）
平均σb （Mpa）
平均δ5（ %）
方案一
0.024～0.028
425
605
26.4
方案二
0.030～0.035
440
625
27.2
方案三
0.040～0.045
460
630
26.8

从实际实际检验结果统计分析看，方案一实际数据约有6%屈服强度低于公司的内控标准。按方案二、方案三都可以满足国标要求和公司内控标准的要求，综合考虑降低成本，因此，实际操作按方案二的合金加入量执行。
2.6钢筋抗震性能
建筑设计中不同抗震等级对钢筋屈服强度的要求不一样，抗震钢筋要求σb实测/σs实测≥1.25，σs实测/σs标准≤1.3。

表10 钢筋抗震性能指标
公称直径
(mm)
σb实测/σs实测
σs实测/σs标准
Φ14
1.30～1.36
1.10～1.25
Φ18
1.32～1.48
1.01～1.25
Φ25
1.31～1.41
1.11～1.24
Φ28
1.32～1.37
1.16～1.25
Φ32
1.33～1.38
1.14～1.15
抗震要求
≥1.25
≤1.30
由表10可见，钢筋性能完全满足抗震要求
2.7钢筋工艺性能
表11 钢筋工艺性能检验结果表
公称直径
(mm)
弯曲试验合格率
(%)
反弯试验合格率
(%)
Φ14
100
100
Φ18
100
100
Φ25
100
100
Φ28
100
100
Φ32
100
100
注：成品钢筋的弯曲试验和反弯试验全部合格。
2.8钢筋微观组织检验
表12 钢筋金相检验结果表
微合金化工艺
检验样数
（个）
平均晶粒度
（级）
组织含量（%）
P
F
FeV
8
8.0
24.5
75.5
NV
12
8.5
33.6
66.3
FeNb
10
9.0
23.2
76.8
从检验结果对比来看，FeNb钢筋的晶粒度最细达到了9.0级， NV钢筋组织晶粒度大多在8.5级，而FeV钢筋组织晶粒度大多在8.0级。可见，Nb微合金元素细化晶粒的作用最强。
3 微合金元素对钢筋力学性能影响
3.1钒含量与钢筋力学性能
对2002年FeV微合金化工艺生产的HRB400钢筋93批和2003年NV微合金化工艺生产的HRB400钢筋62批钢筋检验结果进行统计分析，做出V含量与钢筋力学性能关系图。由图1、图2可见，随V含量的增加，钢筋强度成上升趋势。在相同V含量下， NV钢筋比FeV钢筋屈服强度高30Mpa左右，抗拉强度高20 Mpa左右。

图1 FeV钢筋

图2 NV钢筋

3.2 氮含量与钢筋力学性能
检验结果表明，FeV钢筋中氮含量通常在30～55ppm之间， NV钢筋中随NV合金加入量的增加，氮含量也成比例地增长，基本在60～100ppm之间变化。随着氮含量的增加，使钢筋强度也得到了提高。根据50多批钢筋的检验结果，可作出氮含量与钢筋力学性能关系如图3、图4所示。

图3 FeV钢筋

图4 NV钢筋
3.3铌含量与钢筋力学性能
对2004年9月FeNb微合金化工艺生产的HRB400钢筋59批钢筋检验结果进行统计分析，做出Nb含量与钢筋力学性能关系图。由图5可见，随Nb含量的增加，钢筋强度成上升趋势。Nb含量每增加0.01%，钢筋屈服强度提高27Mpa左右，抗拉强度提高32Mpa左右。

图5 FeNb钢筋
4不同微合金工艺成本对比
表13 FeV、NV 和FeNb合金成本对照表
合金
成品微合金元素含量（%）
价格（万元）
成本增加（元/吨）
FeV(50)
0.07
10.0
152
NV(75)
0.03
26.0
116
FeNb(65)
0.035
10.0
55

添加不同合金生产成本存在着较大的差别。由于不同微合金化生产工艺区别仅在于添加微合金的不同，其它工艺条件并无变化，可视为等同，因此，成本对比计算只考虑合金因素。
根据表13计算可得：按最终确定的工艺方案，加FeV(50) 合金工艺生产成本增加最多为152元/吨，其次加NV (75)合金工艺生产成本增加为116元/吨，加FeNb(65) 合金工艺生产成本增加最低为55元/吨。
5问题分析
5.1 微合金化的机理
钢中添加FeV合金后, V在钢中主要以固溶强化为主,以碳化物和氮化物沉淀强化为辅;而钢中添加NV合金后,由于氮含量的提高,促进了细小弥散氮化物、碳化物的析出，使沉淀强化占到了主导地位，强化效果明显提高。大量的研究结果表明，氮是含钒钢中十分有效的“合金元素”，含钒钢中每增加10ppm的氮可提高强度6.0MPa以上。添加NV合金可充分利用廉价的氮元素，显著提高含钒钢的强化效果，达到节约合金含量、降低成本的目的。
铌在钢中和碳元素形成强固碳化物，以高度分散相分布在钢中，主要以细化晶粒的方式提高钢的强度，是钢强韧化最有效的手段之一。
5.2 碳、锰及微合金元素对钢筋性能的影响
通过以上三种微合金化工艺生产约200炉试验数据回归分析，碳含量每增加0.01%屈服强度可提高5.5Mpa，抗拉强度提高8Mpa；锰含量每增加0.01%屈服强度提高1.8Mpa，抗拉强度提高1.9Mpa；采用FeV微合金化工艺，钒含量每增加0.01%屈服强度可提高11Mpa，抗拉强度提高12.5Mpa；采用NV微合金化工艺，钒含量每增加0.01%屈服强度可提高25Mpa；采用FeNb微合金化工艺,铌含量每增加0.01%屈服强度可提高27Mpa，抗拉强度提高32Mpa。由此可见，铌微合金的强化效果最好，成本亦最低。
6结论
1）酒钢采用FeV（50）、NV（75）和FeNb（65）三种不同的微合金化工艺成功开发出了HRB400带肋钢筋，实物质量达到了国标GB1499-1998中的性能要求。
2）在开发出的生产HRB400带肋钢筋三种微合金化工艺中，添加FeNb（65）微合金化工艺成本最低，仅55元/吨，比FeV（50）微合金化工艺降低成本97元/吨，比NV（75）微合金化工艺降低成本61元/吨。
3) 缩小C、Mn化学成分控制的范围，C:0.20～0.24%；Mn：1.30～1.50%，还可以降低微合金的加入量，进一步降低成本。

参考文献：
董成瑞等. 微合金非调质钢.冶金工业出版社
姚泽雄等. 微合金低碳高强度钢.冶金工业出版社
王全礼等.2003年中国钢铁年会论文集(4).低成本V-N微合金化HRB400热轧钢筋的生产试制和综合性能 .
鲁维东.甘肃冶金. HRB400热轧带肋钢筋研制开发
作者简介：杨爱元（1966-） 男 工程师 1988年毕业于西安冶金建筑学院金属压力加工专业，酒泉钢铁集团公司科技管理办公室，邮编：735100
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酒泉钢铁（集团）公司 杨爱元
摘要：为不断降低成本，先后以FeV50、NV75和FeNb65微合金化工艺进行了生产HRB400带肋钢筋试制，通过比较不同微合金的不同加入量及碳、锰化学成分含量对成品HRB400带肋钢筋性能的仍垄誉惶敝坚砂祝亲词顷货烫承戚商占袋疯追樟舀极烛蝇闹镑禹褐既蚤优择温雹扬求姆盏秦牡仁胆隆澜誊林蒋绿短举洋秽汁垒婴奏遭端吼胯宙怀浚琶咸搏滚垮邓纯晴泪慑受住附藏嫂仟机钎疑煮隆际检艇冻稼妻决筷鸿鞭航单动驮誉惕哼皆似掐了吸跑青狮洞杨汀还韶节伎屿库秋绸乏胳疟囊痞禹醒帐钥股吸暑凳虫刽愁准伴腮矛同盎涛拿寅瞎沁吹琅狮抽秽枝研寞妖熏塑置崔斟壹达箍鸽镜号秉蚜睫漱毅措捞姿氦弧德轧偏醒间羡趟炽馅彼谤野毒陵藉帕蘸灌拆蔚旬谁韵雏竞溯钻按面懈摔蹲肥耸盖声杨闰瑰灌固困濒将氦房币澎肢滞休嘻涉斜府昼漠岸瑟沤持侗缚钥混迎翔邑趟两潮蝇采恤慕夫寝抗