高强度抗震性微合金化HRB500E盘螺的生产实践研究

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  摘 要:根据市场需求,高强度抗震性盘螺成为目前推广使用的建筑用材,珠海粤钢通过对盘螺成分的微合金化,以及对轧制工艺的进一步调整,盘螺的性能得到很大的提高,在高强度抗震性盘螺的生产中取得领先的水平。
  关键词:盘螺 性能 控轧控冷 金相组织
  1 前言
  随着市场的需求与钢铁行业的竞争不断增加,对于盘螺线材具有强度高、焊接性能好、抗震性能强成为生产和研发的主流,为了满足市场的需求和保持一定的竞争力,珠海粤钢在不断的进行着细晶粒度高强度盘螺的研发和生产实践。细晶粒盘螺相对于普通盘螺产品内部晶粒尺寸更加细小,组织更加均匀,并且具有高强度抗震性好的优点。在前期生产HRB500EФ6.0盘螺的生产中,为了能满足520Mpa以上的屈服强度,对轧制工艺做了一定的调整,同时在生产过程中盘螺性能也出现很多的问题,主要的问题有两个方面,一方面体现在盘螺伸长率太低甚至出现弯断的情况发生;另一方面体现在屈服强度低甚至是出现没有明显屈服的现象。主要针对这两个问题对盘螺的微观组织进行了科学的分析与实验,也作出了合理调整方案,从获得超细晶粒与良好组织形态的思想出发,对盘螺的化学成分与控轧控冷做了严格的要求,通过在钢加入微量V达到细化晶粒的目的,同时重新制定了控轧控冷方案控制盘螺内部组织形态,从而实践研发出Ⅴ级超细晶高强度抗震盘螺钢筋。
  2 HRB500E盘螺质量问题的原因分析
  珠海粤钢生产Ⅴ级Ф6.0盘螺初期,产品质量出现批量伸长率偏低,甚至出现冷弯断裂现象,通过对盘螺组织金相分析,钢中有大量的贝氏体组织存在,经对贝氏体组织性能的分析,证实钢中大量贝氏体组织是导致伸长率下降出现冷弯断裂的关键。
  2.1 贝氏体产生的原因分析
  2.1.1 熔炼成分的影响【2】
  钢中化学成分是影响HRB500E盘螺最根本的因素,不同的元素对钢的组织性能影响不同。从珠海粤钢首批生产的Ⅴ级Ф6.0抗震盘螺分析。首先Mn含量相对较高轧后冷却速度较快,有利于大量贝氏体的产生,因此出现伸长率低冷弯断裂质量缺陷。Mn元素具有细化晶粒和固溶强化的作用,同时又使C曲线右移,增大了奥氏体的稳定性,降低了奥氏体向铁素体的转变温度,减少了奥氏体和铁素体的自由能差,也就是减少了相变驱动力,同时Mn还阻碍碳的扩散,使得奥氏体在更低的温度下发生分解产生组织转变,这就更有利于贝氏体的转变。其次,微合金V的含量偏低,同时加热温度控制不当,导致微合金起不到良好的沉淀强化作用,微合金化合物因加热温度太高部分出现溶解,溶入奥氏体晶界钉扎作用减弱,阻止不了奥氏体晶粒的继续长大,从而相变组织晶粒粗大,降低了钢筋的强度。
  2.1.2 加热温度与轧制控温的影响
  HRB500EФ6.0E盘螺在初期生产中遇到伸长率低的问题,通过后期对加热制度和空冷制度的调控,基本上解决了伸长率低的问题。主要措施为降低加热温度、缩短加热时间、降低终轧后冷却速度来提高伸长率,效果相当明显,平均伸长率由13.3%提升为21.5%。采用控冷控轧工艺生产含V微合金钢时,钢中贝氏体含量随着冷却强度的增大而逐渐增加,同时其形貌也会发生变化;冷却速度快, 控冷后终止温度低,过冷度大, 容易形成粒状贝氏体组织。加热温度高时促进固溶钒含量增加,大量固溶铌存在于奥氏体中,增加奥氏体稳定性,容易促进贝氏体组织生成。
  3 具体实施优化方案
  针对珠海粤钢首批HRB500EФ6.0E盘螺存在伸长率低与屈服强度不稳定的问题,从上述的分析中得知问题产生的原因,在粤钢后期的生产中通过不断的改善优化工艺方案,从实践生产控制上解决了伸长率低与屈服强度不稳定的问题。
  3.1 控轧控冷具体实施过程
  根据控轧控冷基本原理控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺参数,如加热温度、变形速度与变形率、终轧温度等。控制冷却是为了细化铁素体晶粒,减小珠光体片层间距,阻止碳化物在高温下析出,以提高析出强化效果而采用的控制冷却工艺。
  3.1.1 控制入精轧机温度和终轧温度【3】
  在生产中,为了提高盘螺的强度,采用终轧后快冷的方式提高屈服强度,但是在提高屈服强度的同时盘螺塑韧性下降,伸长率偏低,因Ф6.0盘螺直径小、螺纹钢穿水冷却速度快的特点,所以终轧后盘螺迅速降温,使奥氏体过冷度迅速增加,因此有部分有害组织产生。为了避免终轧后急速冷却带来的问题,我们公司在实践中采用了降低终轧温度的措施,并且减缓终轧后急速冷却的程度,从而提高了产品的性能。
  为了降低终轧温度,首先从降低入精轧机温度入手,通过对现有预水冷箱体的改造,增加预水冷箱水冷喷嘴,提高预水冷的冷却能力,将原有入精轧温度1030℃降低为920℃,终轧温度由1100℃降低为1050℃,同时增加了精轧机轧制变形细化晶粒的作用。此外,降低了终轧后冷却速率,避免了盘螺组织中有大量贝氏体的产生。
  从理论和生产实践分析,吐丝温度是控制相变即奥氏体向铁素体转变或碳化物析出的开始温度的关键参数,控制吐丝温度是为组织相变做准备及减少二次氧化铁皮的生成,吐丝温度的高低直接影响相变的稳定性,因而对性能产生重要的影响,高强度盘螺控制吐丝温度的方法是利用水箱快速冷却,在各个水冷箱之间设有恢复段,其目的是使盘条经过一段水冷后 表面和芯部温度差在恢复段趋于一致,也是为了有效防止盘条表面形成马氏体组织,经过对不同吐丝温度区间的产品反复试验,最后我们将吐丝温度控制在940~960℃生产盘螺,并且性能得到良好的改善。下面为HRB500EФ6.0抗震盘螺生产初期与后期轧制控冷参数,见表1。
  表 1 不同时期Ф6.0盘螺控冷要求列表
  3.1.2优化风冷线冷却速度参数
  风冷线冷却速度是通过对斯太尔摩运输机上的辊道速度、风机风量以及保温罩开启的控制来实现的。在此阶段是奥低体向铁素体转变和碳化物析出的相变阶段,在相变过程中控制相变开始冷却温度、冷却速度和停止相变控冷温度这些参数控制相变过程,从而达到控制相变产物形态结构的目的。   A、 斯太尔摩线辊速控制
  运送机辊道分12段,并且每段辊速不同,辊速为递增趋势增长,可通过设定头部辊道速度来配比相应辊道速度,这样的设计可控制线圈在运输机上布放的密度、各段速度的微量变化改变线环之间固定接触点,可防止盘条全长或线圈内产生性能波动。后段速度必须大于前段速度的目的是为了线环不至于堆集在一块,影响冷却效果。在我们实践中,在达到合理的相变温度时为了延长相变时间,使其充分完成相变过程,经多次对参数的调整和数据的跟踪记录,认为轧制HRB500EФ6.0E盘螺头部辊道速度为0.42m/s时有助于改善盘螺力学性能。
  B、 风机开启及风量控制
  通过对风机开启数量和开启次序来达到不同冷却速度以及获得相变转变温度的目的,吐丝后线圈落在辊道上进行风冷,当冷却到相变温度时停止急速降温,采取保温或缓冷的方式进行运输线圈。根据珠海粤钢对盘螺的生产实践认为,刚吐丝的线圈温度大约为940℃,为了增加奥氏体向珠光体转变时间,采取了缩短奥氏体区急速风冷降温的方法,直到将线圈温度降为810~840℃时,开始保温和缓冷,从而得到更多的珠光体铁素体组织。具体方案是将1#、2#辊道下的1#、2#、3#、风机全部开启,风量控制为80%,对刚吐丝的线圈进行急速风冷。线圈到达3#、4#辊道处温度基本降为840℃左右,组织转变开始,同时关闭4#、5#、6#、7#、8#、9#风机,并将4#~15#保温罩盖下,对线圈进行保温缓冷。当线圈运输到9#、10#辊道处,组织转变也将近结束,为了控制转变后组织的进一步长大,将9#、10#风机开启,再次鼓风降温。此种风冷方案在我们长时间生产盘螺的实践中已被证实,盘螺的性能得到稳定的控制,尤其伸长率、冷弯性能得到很好的改善。下面将生产HRB500EФ6.0前期和后期随机各选取5个炉号的性能做一比较,见表 2。
  3.1.3 提高变形速度和变形率
  各道次的变形速度和变形率影响各道次之间的再结晶程度及终轧轧后的奥氏体再结晶晶粒度大小。 为了得到更加致密的组织和更加细化的晶粒,在实际生产中通常我们采用了较大压下量的连轧工艺的孔型,一般孔型结构为:箱-箱方-椭圆-圆-椭圆-圆,同样我们也采用这种孔型进行轧制,设计共28道次,Ф6.0盘螺28架出成品。考虑到在轧制中细化晶粒的目的,必须增加道次的变形量。在实践生产中我们采取了两个方案去增加变形率,同时也更加稳定了盘螺的力学性能。
  方案一,将原有的150*150*12方坯改为160*160*12方坯轧制,大大增加了粗中轧各道次的变形量,尤其粗轧变形量更为增加,晶粒得到加工细化。同时也提高了盘螺的生产能力以及降低了轧制故障。
  方案二,减少轧制道次,增加各道次的变形量。在原有的基础上将中轧甩掉两个机架进行轧制,一般采取甩掉11#与12#,其中6#料型由原来75.6mm优化为71mm,10#料型由原来43.5mm优化为39.5mm。实现了原150mm方坯经28个道次轧制改为26个道次轧制,并且保证与原有入精轧机料型相同,精轧机各道次压下量不变的轧制方法。同时,为了成品孔存满肋部,成品架也采用了大的压下量。
  3.2 微合金元素的控制【5】
  高强度钢筋既要具有高的屈服强度又要具有良好的塑韧性,从钢的组织性能分析,过冷奥氏体快冷转变成贝氏体组织形态在前面已做了系统的分析,结果是钢中贝氏体虽能提高钢的屈服强度,但是在提高屈服强度的同时钢的塑韧性下降,不具有良好的抗震性能。那么高强度高抗震性的钢筋必须具备细晶粒组织才能满足使用要求,从理论讲,晶粒的细化可提高钢的强度、硬度以及塑韧性的增加。因此,细化晶粒是HRB500E盘螺钢提高性能的关键因素。
  控制晶粒长大有两个途径,一是促进形核,二是抑制晶粒的长大。根据形核机制,可以控制加热温度来控制过冷度,抑制晶粒的长大。同时对熔炼钢进行变质处理,即加入微量的合金V作为形核剂,促进形成大量的非均匀形核来细化晶粒。在生产实践中我们利用微合金的作用提高了钢筋级数。同时在钢中加入微合金的量也直接影响钢筋的组织性能,在我们前期生产HRB500EФ6.0盘螺时,出现伸长率低与性能不稳定现象,通过后期对钢坯中微合金V成分由原来0.031%调整到0.045%后,钢筋的力学性能得到了很大的提高,说明钢中微合金比例高低直接影响高强度钢筋的力学性能。
  4 优化后实施效果
  通过增加了钢中微合金V的含量,降低了开轧温度以及制定加热制度,优化了控轧空冷方案,在后期生产中盘螺的性能达到国标要求,并且力学性能合格率达到99.8%。
  从随机抽取的前期与后期盘螺力学性能表3可以看出,前期盘螺伸长率大多数低于国标下限,因此首批生产700多吨HRB500E盘螺因伸长率不合格改判,同时屈服强度高低不稳定,说明首批盘螺存在很大的控制问题。再对照后期盘螺力学性能,可以看出力学性能完全达到国标要求,并且伸长率远远超出国标控制下限,同时屈服强度、抗拉强度高低也比较稳定,说明后期Ⅴ级盘螺在实施优化控制后力学性能达到很大的提高,解决了Ⅴ级小尺寸盘螺生产难点的控制问题。
  5 结语
  珠海粤钢在Ф6.0小尺寸Ⅴ级盘钢的开发前期遇到很多的问题,最主要的问题是钢筋力学性能达不到使用要求,通过对前期钢筋内部组织的金相分析,得知贝氏体组织大量的存在是引起力学性能不达标的关键因素,然后从贝氏体产生的根源以及合理提高钢筋强度的角度去优化控制,最后从提高微合金成分、降低开轧温度、规定加热制度和控轧控冷工艺的优化调整进行控制V级盘螺的生产,最终成功得掌握了生产HRB500EФ6.0盘螺的实践研发技术成果。
  参考文献
  【1】 崔忠主编:《金属学与热处理》,机械工业出版社,2000
  【2】 王信君:《高强钢筋的研究及使用现状》,四川建筑,2009
  【3】 王占学主编《塑性加工金属学》,冶金工艺出版社,2006
  【4】 王廷溥 齐可敏主编《金属塑性加工学》,冶金工业出版社,2000
  【5】 李龙:《控轧控冷工艺对低碳铌微合金钢组织和性能的影响》,钢铁研究学报 , 2006
  作者简介:
  李中彦(1983-),男,汉族,2009年7月毕业于内蒙古科技大学材料成型及控制工程专业,本科学历,现职称工程师,2013年起任珠海粤裕丰钢铁有限公司工艺技术主管职务,主要从事轧钢厂生产技术、技术改造、产品质量等方面的管理工作,工作期间,参与6项技术改造获得广东省科技进步一等奖和2项个人新型专利。
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