一种HRB500E钢筋及其钒氮微合金化工艺

摘要

本发明公开了一种HRB500E钢筋及其钒氮微合金化工艺，属于钢筋轧制技术领域，制备过程为：制备钢坯；钢坯加热；轧制；后处理。钢坯中以质量百分比计，包括0.11‑0.25％的C、0.34‑0.80％的Si、≦1.10％的Mn、≦0.045％的P、≦0.045％的S、≦0.08的Ti、≦0.12％的Ni、0.03‑0.07％的V、0.004‑0.015％的N；余量为Fe及杂质；且Ceq≦0.44％；后处理具体方法为：将轧制成型的钢筋加热至300‑500℃，保温1000‑3600s，然后冷却至室温。最终得到的HRB500E钢筋具有高强度、高断裂伸长率，且具有较高的韧性。

权利要求

1.一种HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：包括如下步骤：（1）制备钢坯；（2）钢坯加热；（3）轧制；（4）后处理；

所述钢坯中，以质量百分比计，包括0.11-0.25%的C、0.34-0.80%的Si、≤1.10%的Mn、≤

0.045%的P、≤0.045%的S、≤0.08的Ti、≤0.12%的Ni、0.03-0.07%的V、0.004-0.015%的N；余量为Fe及杂质；且Ceq≤0.44%；

所述步骤（4）中，包括如下步骤：将轧制成型的钢筋加热至300-500℃，保温1000-

3600s，然后冷却至室温；步骤（4）中所述加热速度为20-60℃/s；

步骤（4）中所述冷却速度为20-100℃/s；

所述步骤（2）中，钢坯的加热分为三步，第一步加热温度为850-950℃；第二步加热温度为1000-1100℃；第三步加热温度为1150-1250℃；

所述第一步保温时间为10-30min；所述第二步保温时间为30-80min；所述第三步保温时间为10-30min。

2.如权利要求1所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：所述步骤（4）中，将轧制成型的钢筋加热至350-400℃，保温1500-3000s，然后冷却至室温。

3.如权利要求1所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：所述步骤（2）中，钢坯加热在转炉或电弧炉中进行。

4.如权利要求1所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺，其特征在于：所述步骤（3）中的轧制过程包括粗轧和精轧。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺得到的HRB500E钢筋。

6.如权利要求5所述的HRB500E钢筋，其特征在于：所述HRB500E钢筋的公称直径为6-

10mm。

说明书

一种HRB500E钢筋及其钒氮微合金化工艺

技术领域

[0001] 本发明属于钢筋轧制技术领域，具体涉及一种HRB500E钢筋及其钒氮微合金化工艺。

背景技术

[0002] HRB500是在国标GB1499.2-2018《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》里提出的概念，指在其各项性能中，屈服强度不低于500MPa，而HRB500E钢筋是指热轧带肋钢筋，特指具有一定抗震能力的钢筋，与普通的钢筋相比，HRB500E具有更高的强屈比、屈屈比和最大力总伸长率，因此强度和塑韧性更强，在遭遇地震等自然灾害时，能够将钢筋从变形到断裂的时间拉长，为人们争取更长的逃生时间。由此可见HRB500E钢筋的塑韧性是一项重要的性能参数，对此，研究人员也进行了大量的研究。

[0003] 中国发明专利申请CN102876968A(一种高强抗震HRB500E热轧带肋钢筋的生产工艺及其钢筋)公开了一种HRB500E钢筋的生产工艺，优化了钢筋的化学成分，并调整了轧制前的加热工艺，对于制得了公称直径为40mm的钢筋成品。通过化学成分的优化设计，对钢筋进行了微合金化处理；调整轧制前的加热工艺，能够充分发挥V-N合金在钢中的沉淀强化、细化晶粒作用，最终提高了钢筋的屈服强度、韧性、抗拉强度等，具有高强抗震性能。中国发明专利申请CN103225043A(一种HRB500、HRB500E盘螺生产工艺)中，钢筋的生产工艺流程包括：首先，采用三段式加热方式对钢坯进行加热，钢坯采用V或VN微合金化，一段加热温度为800-950℃，二段加热温度为950-1100℃，三段即均热段温度为950-1050℃；然后进行控温轧制，开轧温度950-1050℃，进精轧温度控制在850-930℃，终轧速度控制在27-100m/s；随后是控温冷却，吐丝温度为820-870℃，冷却速率为8-25℃/s，中冷温度为650-680℃，然后冷却。随后对成型后的钢筋进行集卷、检验和打包。中国发明专利申请CN106399855A(HRB500E带肋钢筋棒材及其生产工艺)优化了钢筋的化学元素组成，采用转炉冶炼、LF炉精炼、小方坯连铸工序，冶炼出复合要求的钢坯，钢坯进行加热、粗中轧、预精轧及精轧最终得成品。采用钒铬铜复合添加技术，开轧温度低、强屈比稳定性明显提高。中国发明专利申请CN108913999A(一种Ф36-40mmHRB500E螺纹钢筋的生产方法)首先将铁水、废钢以及渣料加入转炉冶炼后，将钢水脱氧合金化，然后在LF精炼炉中精炼后连铸，钢坯压制后即得成品。
通过对钢筋中化学元素尤其是VN的含量进行调节和控制，以及调整生产构成温度等参数，最终得到了力学性能和稳定性好的成品钢筋。中国发明专利申请CN109554613A(一种HRB500E高强度抗震钢筋的生产方法)首先制备钢坯，优选钢坯的化学组成，并调整轧制工艺，得到了高强度的抗震钢筋。

[0004] 然而上述专利中在钢筋的制备过程中，钢筋轧制完成后直接进行冷却，而轧制过程中的温度往往较高，直接冷却往往会在钢筋内部产生应力集中，进而降低钢筋的断裂强度和韧性，难以满足建筑物的实际需求。

发明内容

[0005] 本发明欲解决的技术问题是现有技术中HRB500E钢筋的生产工艺易导致钢筋内部产生应力集中，进而降低钢筋的断裂强度和韧性的技术问题。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明公开了一种HRB500E钢筋钒氮为合金化生产工艺，具体包括如下步骤：

[0007] (1)制备钢坯；(2)钢坯加热；(3)轧制；(4)后处理；

[0008] 所述钢坯中，以质量百分比计，包括0.11-0.25％的C、0.34-0.80％的Si、≦1.10％的Mn、≦0.045％的P、≦0.045％的S、≦0.08的Ti、≦0.12％的Ni、0.03-0.07％的V、0.004-0.015％的N；余量为Fe及杂质；且Ceq≦0.44％；

[0009] 本发明中钢筋的化学元素组成中，C元素是最主要的元素，主要起到提高钢筋材料强度的作用，随着C含量的增加，刚才的屈服强度、抗拉强度随之增大，但是伸长率、弯曲强度和防锈蚀性能逐渐下降，对于钢筋材料而言，需要具有较好的弯曲性能和较高的伸长率，因此C含量不能过高，本发明的C含量限定为0.11-0.25％之间。

[0010] Si加入钢筋中作为脱氧剂，可使钢筋的内部组织更加均匀、晶粒更加细小，进而提高钢筋的强度，但是较高含量的Si会使钢筋脆性变大，本发明中的Si含量为0.34-0.80％之间。Mn与Si的作用类似，Mn可作为弱脱氧剂，强化钢筋组织的均匀性，提高钢筋的强度，过量的Mn会导致钢筋变脆，因此本发明限定Mn含量≦1.10％。

[0011] P和S通常被认为是钢材中的有害元素，对本发明的HRB500E钢筋亦是如此，P和S的存在会增加钢材冷脆性，导致其焊接性能和冷弯性能变坏，且会降低钢的强度，因此本发明要求P和S的含量≦0.045％。

[0012] Ti元素在钢筋材料中，在热处理过程中，首先与C元素结合形成碳化钛，能够预防晶间腐蚀，使钢筋内部组织更加致密均匀，并能改善焊接性能。但是过量的Ti会使钢筋的表面质量降低，因此本发明限定Ti的含量≦0.08％。

[0013] Ni不会与C形成化合物，对钢筋热处理过程中形成稳定的奥氏体具有积极的促进作用，Ni的存在能够提高钢筋的韧性，并能保证钢筋的高强度和塑性，但是Ni元素较为稀缺，成本高，因此本发明限定Ni的含量≦0.12％。

[0014] V和N是本发明HRB500E钢筋制备过程钒氮微合金化的重要元素，V是性能优异的脱氧剂，V的存在能够显著提高钢筋的强度和韧性；N能够提高钢筋的强度、低温韧性和焊接性能。在HRB500E钢筋中同时加入V和N元素，V和N能够发生微合金化，起到细化晶粒的作用，以提高钢筋的屈服和抗拉强度，同时V和N元素还能分别与C形成化合物，提高钢筋的耐腐蚀性。而V和N微合金化过程中需要控制用量，任一种元素量过多或过少均会弱化微合金化的作用，进而导致钢筋性能变差，因此本发明限定V的含量为0.03-0.07％，N的含量为0.004-0.015％。

[0015] 所述步骤(4)中，包括如下步骤：将轧制成型的钢筋加热至300-500℃，保温30-3600s，然后冷却至室温。这一步为钢筋后处理，已加工成型的钢筋经过轧制后冷却会使钢筋组织中存在应力集中，降低钢筋的韧性。对钢筋进行中温回火后处理，并限制加热温度和保温时间，能够显著消除应力集中问题，提高钢筋的韧性。

[0016] 进一步地，所述步骤(4)中，将轧制成型的钢筋加热至350-400℃，保温1500-3000s，然后冷却至室温。

[0017] 进一步地，所述加热速度为20-60℃/s。

[0018] 进一步地，所述冷却速度为20-100℃/s。

[0019] 进一步地，所述步骤(2)中，钢坯加热在转炉或电弧炉中进行。

[0020] 进一步地，所述步骤(2)中，钢坯的加热分为三步，第一步加热温度为850-950℃；第二步加热温度为1000-1100℃；第三步加热温度为1150-1250℃。

[0021] 进一步地，所述第一步保温时间为10-30min；所述第二步保温时间为30-80min；所述第三步保温时间为10-30min。

[0022] 进一步地，所述步骤(3)中的轧制过程包括粗轧和精轧。

[0023] 本发明同时要求保护一种HRB500E钢筋钒氮微合金化工艺得到的HRB500E钢筋。

[0024] 进一步地，所述HRB500E钢筋的公称直径为6-10mm。

[0025] 本发明优化了钢筋的化学元素组成，设计元素钒和氮的含量，在钢坯的加热步骤中，采用三步加热处理，进行钒氮微合金化处理，充分发挥钒氮微合金化为钢筋带来的高强度和高韧性；同时在钢筋轧制完成后，进行低温回火处理，消除钢筋内部的应力集中问题，进一步提高了钢筋的韧性。

[0026] 与现有技术相比，本发明的HRB500E钢筋及其钒氮微合金化生产工艺具有如下优点：

[0027] (1)生产工艺简单。

[0028] (2)制备工艺与传统HRB500E钢筋的制备工艺基本相同，无需额外购置生产设备，生产成本低。

[0029] (3)最终得到的HRB500E钢筋产品不仅具有较高的强度，断裂伸长率等，还具有较高的韧性。

具体实施方式

[0030] 下面通过对具体实施例的描述，说明本发明的技术方案。

[0031] 钢坯中，按质量百分比计，各化学元素的含量如下表1所示，余量为Fe及杂质。分别设置了实施例和对比例。

[0032] 表1实施例和对比例中钢坯的化学成分(wt％)

[0033] 编号 C Si Mn P S Ti Ni V N Ceq(％)实施例1 0.21 0.58 0.7 0.009 0.024 0.03 0.1 0.04 0.008 0.34
实施例2 0.15 0.78 0.5 0.004 0.031 0.01 0.11 0.07 0.015 0.25
对比例1 0.24 0.63 1.3 0.028 0.034 0.07 0.18 0.13 0.006 0.49

[0034] 制备具有上述实施例1和2和对比例1中化学组成的钢坯多件，进行加热、轧制和后处理，得到了1-8#HRB500E钢筋，其中：在表1中实施例1的化学成分下，采用不同的制备工艺，制备出了6件产品，分别记为1-6#HRB500E钢筋；在实施例2的化学成分下，制备出了1件产品，记为7#HRB500E钢筋；在对比例1的化学成分下，制备出了1件产品，记为8#HRB500E钢筋。具体制备工艺如下。

[0035] 一、1#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0036] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。

[0037] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0038] 第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为60min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。

[0039] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0040] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。

[0041] 最终得1#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0042] 二、2#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0043] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。

[0044] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0045] 第一步：加热温度为900℃，保温时间为10min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。

[0046] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0047] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为150℃/s。

[0048] 最终得2#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0049] 三、3#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0050] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。

[0051] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0052] 第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为80min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为30min。

[0053] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0054] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为100℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。

[0055] 最终得3#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0056] 四、4#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0057] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。

[0058] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0059] 第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为60min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为10min。

[0060] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0061] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至500℃，保温3600S，加热速度控制为20℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为20℃/s。

[0062] 最终得4#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0063] 五、5#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0064] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。

[0065] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0066] 第一步：加热温度为500℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为800℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。

[0067] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0068] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温2900S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。

[0069] 最终得5#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0070] 六、6#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0071] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例1中给出的化学成分。

[0072] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0073] 第一步：加热温度为900℃，保温时间为5min；第二步：加热温度为1080℃，保温时间为10min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为50min。

[0074] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0075] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至300℃，保温1500S，加热速度控制为60℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为80℃/s。

[0076] 最终得6#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0077] 七、7#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0078] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中实施例2中给出的化学成分。

[0079] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0080] 第一步：加热温度为900℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1000℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1200℃，保温时间为28min。

[0081] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧。

[0082] (4)后处理：将轧制成型的钢筋加热至360℃，保温3000S，加热速度控制为45℃/s；然后进行油冷至室温，油冷过程冷却速度为100℃/s。

[0083] 最终得7#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0084] 八、8#HRB500E钢筋的制备工艺：

[0085] (1)制备钢坯：钢坯的化学组成为表1中对比例1中给出的化学成分。

[0086] (2)钢坯加热：在转炉中对钢坯进行加热，钢坯加热共分为三步：

[0087] 第一步：加热温度为850℃，保温时间为30min；第二步：加热温度为1000℃，保温时间为30min；第三步：加热温度为1100℃，保温时间为10min。

[0088] (3)轧制：对加热完成的钢坯进行轧制，先粗轧后精轧，不进行后处理，自然冷却至室温后即得产品。

[0089] 最终得8#HRB500E钢筋产品，钢筋公称直径为6-8mm。

[0090] 上述各制备工艺中的部分工艺参数如下表2所示。

[0091] 表2不同HRB500E产品的部分制备工艺参数

[0092]

[0093] 注：--表示未进行相应处理。

[0094] 对上表2得到的1-8#HRB500E钢筋产品进行性能测试：

[0095] (1)参照GB/T14992.2018《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》的检测方法，检测钢筋的下屈服强度Rel、抗拉强度Rm、断后伸长率A、最大力总延伸率Agt、R°m/Rel和R°el/Rel。

[0096] (2)冲击性能测试：在室温条件下，制成尺寸为55mm×10mm×10mm、2mm深U型缺口标准式样，在450J的摆锤冲击试验机上进行。

[0097] 测试结果如下表3所示。

[0098] 表3 1-8#HRB500E钢筋产品的性能测试结果

[0099] 产品序号 Rel(MPa) Rm(MPa) A(％) Agt(％) R°m/Rel R°el/Rel 冲击功(J)1# 600 785 19 15 1.42 1.2 75
2# 596 724 19 14 1.27 1.1 72
3# 587 752 17 15 1.38 1.2 71
4# 559 784 18 13 1.29 1.2 68
5# 598 741 17 14 1.39 1.1 70
6# 562 773 19 11 1.33 1.1 65
7# 580 760 18 13 1.41 1.2 73
8# 413 650 15 9 1.26 1.3 24

[0100] 结合表2的制备工艺参数和表3的钢筋性能检测结果，可看出，采用本发明的化学元素组成和钒氮微合金化工艺得到的1-7#HRB500E钢筋具有较好的力学性能，完全符合GB/T14992.2018《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》的规定。

[0101] 同时，对1-7#HRB500E钢筋产品的性能进行对比发现，在本发明优选的化学元素组成下，以及优选的制备工艺参数条件下，制得的1#HRB500E钢筋产品性能最优。在本发明的化学元素组成之外，且不采用本发明的制备工艺方法得到的8#HRB500E钢筋产品性能最差；并且相比于不进行后处理的8#HRB500E钢筋产品，在制备过程中进行中温加热后处理工艺，可看出其冲击韧性得到明显提高。

[0102] 同时由于本发明的HRB500E钢筋制备过程中基本工艺与传统的HRB500E钢筋制备工艺基本相同，因此可使用传统的生产线，无需额外购置新的设备，生产成本较低，因此工业价值高。

[0103] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进。尤其是，只要不存在冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。