２０１４年１２月 第３３卷第４期 内蒙古科技大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１４ Ｖ０Ｊ，３３．Ｎｏ．４ 文章编号：２０９５—２２９５（２０１４）０４—０３３０—０５ 精轧前控冷温度对钒氮微合金 抗震盘螺组织性能的影响 王洪涛 ，李振亮 ，王英宇 （１．包头钢铁（集团）公司，内蒙古包头０１４０１０；２．内蒙古科技大学材料与冶金学院，内蒙古包头０１４０１０） 关键词：ＨＲＢ４００Ｅ抗震钢筋；钒氮微合金化；高速线材；控冷温度；硬度 中图分类号：ＴＧ３３５．１２ 文献标识码：Ａ 摘要：对预精轧后钒氮微合金化ＨＲＢ４００Ｅ抗震钢筋进行淬水试验，研究淬水时间对钢筋表面温度、金相组织、硬 度的影响．结果表明，ＨＲＢ４００Ｅ抗震钢筋ｑｂ２０ ｍｍ试样在水中的冷却时间应控制在ｌ一３ ｓ之间才能保证其良好的 入精轧温度范围，在ｌ ０１０℃保温２０ ｍｉｎ水冷到室温，在钢筋中会形成少量马氏体、魏氏组织，维氏硬度４５３ ＨＶ． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｒｏｎｔ ｏｆ ｉｎｉｓｈｉｆｎｇ ｍｉｌｌ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｖ－Ｎ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ ａｎｔｉ－ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｂａｒｓ ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇ。ｔａｏ。ＬＩ Ｚｈｅｎ—ｌｉａｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｙｉｎｇ—ｙｕ ，（１．Ｂａｏｔｏｕ Ｉｒｏｎ ａｎｄ Ｓｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｙ ｇＳｃｈｏｏｌ，Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉ— ｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０，Ｃｈｉｎａ） Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＨＲＢ４００Ｅ ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｂａｒｓ；ｖａｎａｄｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙ；ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｗｉｒｅ ｒｏｄ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｏｌｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｈａｒｄｎｅｓｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ—ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｗａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｗａ— ｔｅｒ—ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｖａｎａｄｉｕｍ ｎｉｔｒｉｄｅ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙ ＨＲＢ４００Ｅ ａｎｔｉ—ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｂａｒｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ａｆｔｅｒ ｐｒｅ－ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｍｉｌ１．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ２０ｍｍ ｒｅｂａｒ ｈａｓ ａ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｒａｎｇｅ ｕｎｄｅｒ １～３ ｓｅｃｏｎｄｓ ｗａｔｅｒ－ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｗｉｔｈ ｓｍａｌｌ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ａｎｄ ｗｉｄｍａｎｓｔａｔｔｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｉｎ ｓｔｅｅｌ ｍａｔｒｉｘ ｗｈｉｌｅ ｋｅｅｐｉｎｇ ｉｔ ａｔ １ ０１０℃ｆｏｒ ２０ ｍｉｎｕｔｅｓ．ｔｈｅｎ ｗａｔｅｒ—ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｔｏ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ａｎｄ ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｉＳ ４５３ ＨＶ． 中国ＧＢ１４９９．２—２００７标准中，热轧带肋钢筋有 ＨＲＢ３３５（ ）、ＨＲＢ４００（Ⅲ级）、ＨＲＢ５００（１Ｖ级）３个强 冷工艺相结合，是目前业内成功生产ＨＲＢ４００Ｅ， ＨＲＢ５００Ｅ抗震钢筋的主要工艺方法．陈伟、邓蕾 度等级．与普通钢筋相比，抗震钢筋（已有牌号后加 Ｅ）新增加了强屈比、屈屈比、最大力的总伸长率（均 匀伸长率）３项质量特征值，即：Ｒｍ＂￣／ＲｅＬ实 ≥１．２５，ＲｅＬ实／ＲｅＬ标≤１．３０，Ａｇｔ≥９％，加速淘汰 ３３５ ＭＰａ及以下级、大力推广４００ ＭＰａ级、研发应用 等 Ｊ，通过富氮铌（钒）微合金化工艺，适当提高钢 中Ｎ含量，使微合金与Ｎ元素之间接近理想化学配 比，促进了细小弥散微合金析出相的形成与大量析 出，充分发挥了微合金铌钒的析出强化和细晶强化作 用，生产成本显著降低，并开发出５００ ＭＰａ高强抗震 ５００ ＭＰａ级抗震钢筋，实现建筑用钢材的升级换代是 目前我国对建筑用钢筋的明确要求¨．２ Ｊ． 钢筋铁素体／贝氏体强韧化集成控制技术．王国栋 在棒线轧机采用控制轧制一轧后超快速冷却工艺，可 获得较细和强烈硬化的形变奥氏体晶粒；Ｓｅｏｎｇｈｏ 在线轧后余热处理和Ｖ，Ｎｂ，Ｔｉ微合金化控轧控 收稿日期：２０１４—０６—０２ 作者简介：王洪涛（１９６７一），男，辽宁阜新人，包头钢铁（集团）公司高级工程师，硕士 王洪涛，等：精轧前控冷温度对钒氮微合金抗震盘螺组织性能的影响 ３３１ 等 研究了控冷温度对相变后铁素体晶粒尺寸的影 响表明，随着温度的降低相变过冷度增加而铁素体晶 粒尺寸变小，降低控冷温度可以明显提高钢的屈服强 度和延伸性；在精轧后通过控制终冷温度来碳氮 化物的析出参数与（相变诱导）铁素体晶粒尺寸，充分 炉中加热、淬水，来模拟０ 水箱的喷水时间对进入精 轧前钢筋表面温度的规律．参考现场钢筋进入 精轧机的温度，考虑到预精轧阶段钢筋的“升温效 应”，本研究把试样放人加热炉中的加热温度取为 １ ０００，１ ０１０，１ ０２０，１ ０３０，１ ０４０，１ ０５０℃６种，以 发挥出了（Ｖ，Ｎｂ，Ｎ，Ｃ）析出相的沉淀强化作用，都能 明显提高钢筋的屈服强度和延伸性＿８ ．但必须指 出的是，前述研究大都基于大规格（大于 １６ ｍｍ）棒 材生产线实现的，由于受到窄成分设计、钢筋“规格效 应”、精轧“升温效应”、吐丝工序的，针对小于 ｑｂｌ４ ｍｍ规格的高速线材生产线相关报道则较少，因 此有必要对高线小规格钒氮微合金化抗震钢筋精轧 阶段（精轧机前、精轧机后）的温度变化规律开展 研究，这对盘螺组织性能的通条均匀性及成本控制都 有很大的实际意义． 本文以国内某钢厂富氮钒微合金化控冷工艺生 产的ＨＲＢ４００Ｅ高强度抗震钢筋为研究对象，模拟 研究精轧前不同的喷水时间对钢筋控冷温度及钢筋 显微组织、硬度的影响． １ 实验材料和试验方法 国内某钢厂全连续式单流无扭高速线材生产线 轧机共２８机架，其粗轧（６机架）、中轧（８机架）、预 精轧（４机架）是平一立轧机交替布置，精轧（１０机 架）则由紧凑式超重载悬臂４５。无扭轧机组成，钢坯 出预精轧机后有０ 水箱喷水，以调节钢坯进入精轧 机的咬人温度，而钢坯从精轧机出口后则布置有 （１ ，２ ，３ ，４ ，５ ）５组水箱，来调节钢筋进入吐丝机 的温度．本研究试验材料是该生产线采用富氮钒微 合金化控冷工艺生产公称直径１４ ｍｍ的ＨＲＢ４００Ｅ 高强度钢筋时，在钢筋坯进入精轧机前取料并自然 冷却到室温，此时圆坯直径为 ２０ ｍｍ，其化学成分 见表１所示． 表１ 试验钢的化学成分（质量分数，％） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔ￣ｔｅｄ ｓｔｅｅｌ 把现场取样的钢筋坯加工成 ０ ｍｍ Ｘ ２５ ｍｍ 圆棒试样，取其中一个试样沿直径剖开，分别观察其 横截面与纵截面的金相组织，其余的试样则放人加热 ５￣Ｃ／ｍｉｎ的速率加热，到温后分别保温２０ ｍｉｎ，然后 从炉子中取出，再分别淬水１，３，５，７ ｓ后从水中取出， 测量试样的最高表面温度．用红外测温仪测量试样 表面温度时，记录其表面温度最高值，每个温度的测 量都重复进行３次，计算其３次实验最高温度的平均 值，然后记录下来．根据此６种温度、４种淬水时间进 行绘图，画出“淬水时间与表面温度之间的关系图”． 选取１ ０１０ ｏＣ的工艺路线，保温后分别进行风 扇快速冷却到室温和完全水冷到室温（２５ ｃｌＣ），与生 产现场自然空冷到室温（２５ ｏＣ）的试样进行组织、硬 度分析，来模拟研究现场生产中１４ ｍｍ盘螺时人精 轧机前的 ２０ ｍｍ圆棒钢筋坯组织及硬度变化规 律，为下一步模拟现场精轧机后面（１ ，２ ，３ ，４ ， ５ ）５组水箱的调温过程提供基础数据． 将热模拟试验后试样磨制、抛光，用４％酒 精溶液腐蚀后，蔡司金相显微镜下选取放大倍数为 ５００倍进行组织观察；在ＨＶ一５０Ａ全自动显微维氏 １ 硬度仪上进行维氏硬度测量时，检测点为试样÷Ｒ 处，每个试样检测点为５个，求出５次测量平均值． ２实验结果及分析 ２．１ 淬水时间对试样表面温度的影响 ６种不同加热温度、分别淬水１，３，５，７ Ｓ后取出，试 样表面最高温度与淬水时间的关系如图１所示． 图１ 不同淬水时间对试样表面温度的影响 Ｆｉｇ．１ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｗａｔｅｒ－ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅｓ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔｅｄ ｓｔｅｅｌ 王洪涛，等：精轧前控冷温度对钒氮微合金抗震盘螺组织性能的影响 ３３３ （Ｃ，Ｎ）相的析出开始温度大致在９００—１ ０８０℃之问 （ｖＮ最快沉淀析出温度大致在８７５～９００ ｃＩＣ）Ｉｓ－１２］． 萎 ｚ＾ ＞ 图３钒微合金化钢筋中Ｖ（Ｃ，Ｎ）的析出平衡条件 Ｆｉｇ．３ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｖ（Ｃ，Ｎ）ｉｎ ｖａｎａｄｉｕｍ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｅｄ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｓｔｅｅｌｓ ａｔ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 第三，除了产品规格与轧制速度之外，高速线材 与棒材工艺最大的区别就在于精轧区部分，即高线 工艺中从精轧机入口、精轧机出口、水箱、到吐丝机 都是精轧区工序．由于高线轧件速度通常要高于棒 材，并且成品规格越小精轧机的“升温效应”就越明 显，另外，即使同一钢种、不同规格之间其精轧机的 人口温度和出口温度也会有不同（即“规格效应”）， 因此制订高线精轧入口温度时就必须要考虑精轧阶 段的“升温效应”和“规格效应”．由于本研究主要 目的是模拟现场精轧区人口温度范围，且试样材料 取自现场预精轧机（包括０ 水箱）之后与入精轧机 之前，综合上述三方面因素并结合Ｖ（Ｃ，Ｎ）的最佳 析出温度（９５０～１ １００ ｑＣ）范围，故本试验试样放入 加热炉中的加热温度选择了１ ０００，１ ０１０，１ ０２０， １ ０３０，１ ０４０，１ ０５０℃６种． 由图１可知，直径ｑｂ２０ ｍｍ试样按照本实验的 冷却条件，要想保证良好的Ｖ（Ｃ，Ｎ）析出效果的温 度范围，其冷却时问应控制在１～３ Ｓ之间． 钒在奥氏体中的溶解度较高，晶粒细小的钒碳 氮化物在相变过程中或相变后在铁素体中的形变诱 导析出是使钢筋屈服强度增加最重要的原因．图４ 给出了钒和氮含量对屈服强度的影响，可见随着钒 含量的增加，钢筋的屈服强度也随之增加（钒氮钢 中每增加０．００１％钒大致产生２ ＭＰａ的强度增 量）Ｅ ， ． 但如果向钢筋中加入氮元素，将会增加冷却过 程中氮化钒（ＶＮ）形核的驱动力，导致更多的形核中 心并最终获得晶粒更细的Ｖ（Ｃ，Ｎ），ＶＮ析出物，当 氮含量从（４０—８０）Ｘ １０ 增加到（８０～１５０）Ｘ １０ 时，这一关系会向上位移，相同的屈服强度，高氮钢 需要的钒就会减少，不但能提高合金力学性能还能 使成本降低，由表１可知，本试验合金中［Ｎ］＝ ８５ Ｘ １０’。即在上述范围之内． 一般情况下，Ｖ是强的析出强化元素、弱的细 晶元素，但Ｖ与Ｎ结合后形成的Ｖ（Ｃ，Ｎ）化合物 的溶解与析出温度都比ＶＣ高，在轧制过程中 Ｖ（Ｃ，Ｎ）因形变诱导析出后，一方面能阻止奥氏体 晶粒长大，另一方面又能阻止或推迟奥氏体再结晶 的发生，通过细化奥氏体进而细化了铁素体晶 粒¨ ．由于Ｖ（Ｃ，Ｎ）析出强度随着冷却速率的增加 而增加，而且当终轧温度较高时析出强度的增加也 越明显¨ ，因此，钒氮微合金化抗震钢筋 ＨＲＢ４００Ｅ的“精轧入口温度可以适当调高以促使Ｖ （Ｃ，Ｎ）充分析出”，在精轧过程中“严格控制钢筋的 温度升高”，在轧件出精轧机后则可采取“提高冷却 速率来抑制钒碳氮化物在奥氏体中析出和促使Ｖ （Ｃ，Ｎ）形变诱导析出”来满足抗震钢筋的强屈比和 屈屈比． Ｎ＞ｆ８ １５∞ ｌ 蠡Ｒｅｆ．１９ ●Ｒｅ￣２ｌ ▲Ｒｅ￣２０ ●ＲｅＬ９ 定 萋 Ｎ＞（４０ ８０）ｘ１０： 魁 鹱 ＯＰ，ｚ￣１９ 拳Ｒｅｆ：２１ 警 盎Ｒｅ￣２０ 謦ＲｅＬ９ 麓 Ｎ＞（８０ ￣．１ＳＯ）ｘ１０ …Ｖ－Ｎ Ｎ＞（４０ －８ｍｘｌＯ ５… Ｖ 图４钒和氮对钢筋屈服强度的影响 Ｆｉｇ．４ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖａｎａｄｉｕｍ ａｎｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｏｎ ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ 本试验研究中，从图２ｃ，ｄ和硬度分析可知，钒 氮微合金化ＨＲＢ４００Ｅ的４）２０ ｍｍ试样在空气快冷 和水冷却后微观组织迅速有规律变化且维氏硬度迅 速上升，这表明高线工艺在生产４００ ＭＰａ抗震钢筋 时，出预精轧机后０ 水箱的降温幅度不宜太大、降 温速率也不能太快，否则在钢筋表层会有马氏体、魏 氏组织形成，这将会导致精轧过程中钢筋心部与表 层微观组织不均匀．如果精轧机人口温度偏低 （９５０ ｃｃ或更低），虽能提高抗震钢筋的强度但同时 Ｉ二Ｊ ］ ］ ］ ］ ］ ］ ３３４ 内蒙古科技大学学报 ２０１４年１２月 第３３卷第４期 也会恶化钢筋的塑韧性，此时即便吐丝机前面的 （１ ，２ ，３ ，４ ，５ ）５组水箱控温很稳定，抗震钢筋的 室温通条性能仍会受到影响． ３ 结论 （１）预精轧之后钒氮微合金化ＨＲＢ４００Ｅ抗震 钢筋ｑｂ２０ ｍｍ试样，在水中的冷却时间应控制在 １～３ ｓ之间才能保证其良好的人精轧温度范围； （２）ＨＲＢ４ＯＯＥ抗震钢筋ｑｂ２０ ｍｍ试样１ ０１０℃ 保温２０ ｍｉｎ水冷到室温，在钢筋基体中会形成少量 马氏体、魏氏组织，此时合金的维氏硬度４５３ ＨＶ． 参考文献： 陈伟，施哲，赵宇．钒氮微合金化控冷工艺开发 ＨＲＢ５００Ｅ抗震钢筋［Ｊ］．重庆大学学报，２０１１，３４ （１１）：５６－６４． 苏灿东，陈 伟，陈必胜．微合金化控冷工艺开发 ＨＲＢ５００Ｅ高强度抗震钢筋［Ｊ］．钢铁钒钛，２０１２，３３ 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Ｃｅｎｔｒｅ，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９８． ［１３－］许宏安．ＨＲＢ４ＯＯＥ抗震钢筋的研ＳＵＥＪ］．山西冶金， ２０１０，３３（５）：４ ． ［１４］陈伟，苏鹤洲，李金柱．钒氮微合金化ＨＲＢ４００抗 震钢筋的研ＳＵ［Ｊ］．云南冶金，２００７，３６（５）：３６４０． ［１５］孟宪珩，白宗奇．ＨＲＢ５００钢筋的研ＳＵ［Ｊ］．河北冶金， ２００５，（６）：１７—１９． ［１６］ Ｅｒａｓｍｕｓ Ｌ Ａ，Ｐｕｓｓｅｇｏｄａ Ｌ Ｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒａｉｎ ａｇｉｎｇ ｃｈａｒａｃ— ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｓｔｅｅｌ ｗｉｔｈ ａ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｖａｎａｄｉｕｍ ｃｏｎｔｅｎｔｓＦ Ｊ］．Ｍｅｔｌａｌｕｒｇｉｃａｌ ａｎｄ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ａ，１９８０， （１１Ａ）：２３１－２３７．
