含钒钛渣钢生产HRB400E高强钢筋.docx
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含钒钛渣钢生产HRB400E高强钢筋
含钒、钛渣钢渣铁生产HRB400E抗震钢筋
工艺技术研究
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1前言
中国是一个地震活动比较频繁的国家，可能产生强度为7级以上地震的地区约占全国面积的三分之一，按城市统计，约占全国的45%[1]。
目前，我国已进入第五个地震活动期，建筑物的抗震性能引起国家建设部及社会的普遍关注，螺纹钢作为主要的建筑用钢材，其产品质量至关重要。
地震造成建筑物的断裂过程与钢筋的高应变低周疲劳行为非常相似，因而于2008年3月1日起实施的最新GB1499.2-2007热轧带肋钢筋标准中增设了具有较高抗震要求的HRB400E等抗震钢筋牌号。
国家住房和城乡建设部、工业和信息化部联合下发的《关于加快应用高强度钢筋的指导意见》中明确指出，2013年底，淘汰335兆帕螺纹钢筋，2015年底，400兆帕以上高强钢筋的产量占螺纹钢总产量的80%以上，在建筑工程中使用量达到建筑用钢钢筋总量的65%以上。
新修订的《混混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中也明确规定，建筑结构中的纵向受力钢筋要有限采用400兆帕级及以上螺纹钢筋，其中梁、柱纵向受力钢筋应采用400兆帕级及以上螺纹钢筋。
根据以上规定及要求，同时因汶川5.12大地震，国内市场、特别是西南地区对高强抗震钢筋的需求迅速增加。
组织抗震钢筋开发与应用，提高建筑物的抗震性能，加速螺纹钢筋的升级换代，具有良好的社会效益。
国内同行生产HRB400E钢筋通常是在钢水中添加钒、铌、钛等单一合金元素进行冶炼、轧制得到。
攀枝花钢城集团有限公司轧钢分公司和瑞钢工业公司从2010年开始，利用可以优先使用攀钢渣钢渣铁的有利条件，根据攀钢渣钢渣铁富含钒钛合金元素的特点，进行HRB400E抗震钢筋的研制开发，采用钒、钛微合金化+钢包底吹氮气冶炼工艺、轧制过程对加热温度、终轧温度范围进行控制，切分轧制中采用自主创新的孔型设计和自主发明的三切分出口导卫快速准确对中检测技术，生产的产品性能完全满足国家标准抗震钢筋要求。
共试制生产Ф12、16、25、32四个规格40个炉批次产品1286吨，经过国家权威机构检验、攀枝花市及周边几个重点工程试用，产品理化、工艺性能全部满足国家标准规定的抗震钢筋要求，目前已向国家生产许可证办公室申报取证。
产品的成功开发，在为攀钢含钒钛渣钢渣铁向深层次、高附加值利用探索出一条新途径的同时，高强度抗震钢筋产品还填补了攀西地区产品空白，将为满足攀西地区建筑物需要的较高抗震要求做出积极贡献。
2试验条件及方法
2.1原材料
2.1.1钢铁主原料
使用的冶炼主原料为渣钢、渣铁（比例占90%以上）及少量废钢、生铁。
攀钢年产生含钒钛渣钢渣铁40万吨以上，其中富含大量的氧化钙、氧化镁及氧化铁成分，还含有钒、钛等稀有元素，主要化学成分及矿物质组成分析如表1[2]。
表1攀钢含钒钛渣钢渣铁要化学成分及矿物质组成
成分
TFe
CaO
SiO2
MgO
MnO
TiO2
V205
其它
含量%
11.9
53.68
8.92
2.16
2.16
1.75
3.22
18.29
2.1.2辅助原材料
辅助原材料的化学组成见表2。
表2辅助原材料化学组成/%
辅料名称
CaO
SiO2
CaF2
C固
P
S
Al2O3
水份
石灰
78.51
2.82
－
－
－
0.149
－
－
萤石
－
10.26
87.46
－
－
－
－
－
火砖块
－
48.32
－
－
－
－
32.45
－
碳粉
－
－
－
80.57
0.099
0.5
－
0.8
2.1.3合金材料
合金材料的化学成分组成见表3。
表3合金材料化学组成/%
合金名称
Mn
Si
V
C
P
S
Al
硅锰合金
62.03
17.79
－
1.6
0.22
0.02
－
硅铁
0.26
72.76
－
0.05
－
0.016
1.57
钒铁
－
1.6
50.2
0.2
0.06
0.03
0.1
硅钒合金
－
43.27
16.86
－
－
－
1.8
2.2主要试验设备
2.2.1冶炼试验设备
（1）电炉：
EBT电炉2座，公称容量30t，出钢量约38t。
（2）精炼炉：
LF钢包精炼炉1座，40t。
（3）变压器容量：
1#电炉18000kVA，2#电炉12500kVA，LF炉6000kVA。
（4）炉门水冷氧枪：
氧气工作压力0.8MPa，供氧量1000～2000Nm3/h，出口马赫数M=2.0，冷却水流量50m3/h。
喷枪有两种：
①喷枪轴线下倾300的单孔。
②喷枪轴线下倾450的两孔是超音速氧气喷孔且两孔间成300夹角。
（5）钢水合金化、吹氩：
吹氩操作参数：
0.15～0.40MPa，0.015～0.03Nm3/min。
（6）连铸：
连铸机，二机二流小方坯连铸机，半径6m，断面尺寸120mm×120mm、150mm×150mm，拉速1.2～1.8m/min。
浇注方式：
大包→中间包→结晶器为敞开浇注，中间包→结晶器加菜籽油润滑。
切割方式：
火焰定尺切割。
2.2.2轧钢试验设备
（1）加热炉：
高焦混合煤气蓄热式三段连续推钢加热炉1座，22ⅹ9.8m，小时加热能力110t/h。
（2）轧机装备：
国产SY-Ⅴ型短应力线高刚度轧机，Ф650ⅹ2+Ф580ⅹ4+Ф500ⅹ2+Ф420ⅹ6+Ф320ⅹ6形成20连轧，轧机平立交替布置。
（3）冷却设备：
步进式冷床一座，76ⅹ7m，末架轧机与冷床间距33m。
（4）主要辅助装备：
起停式飞剪3台，2台用于过程切头、碎断，1台用于成品倍尺剪切；6300KN冷剪机1台，用于成品定尺剪切；12ⅹ24m链条式分选台架1座，用于成品检验、分选；气动自动成品包装机6台，用于成品圆捆包装。
2.3研究试验流程
2.3.1HRB400E抗震钢筋试验冶炼工艺流程见图1。
配料→进料→EBT电炉冶炼→出钢→LF炉精炼→连铸→精整→入库
图1HRB400E抗震钢筋试验冶炼工艺流程
2.3.2HRB400E抗震钢筋试验轧制工艺流程见图2。
原料组批→加热→连轧机组轧制→倍尺剪切→冷床冷却→定尺剪切→分选→包装→计量、挂牌→入库
图2HRB400E抗震钢筋试验轧制工艺流程
2.4产品理化性能要求
按照GB1499.2-2007标准规定，HRB400E钢种化学成分及力学性能指标要求见表4和表5。
表4RB400E抗震钢筋化学成分标准要求/%
牌号
C
Si
Mn
P
S
Ceq
HRB400E
≤0.25
≤0.80
≤1.60
≤0.045
≤0.045
≤0.54
表5RB400E抗震钢筋力学性能标准要求
牌号
屈服强度Rel/MPa
抗拉强度Rm/MPa
断后伸长率A/%
屈标比Rel0/Rel
强屈比Rm0/Rel0
最大力延伸率Agt/%
HRB400E
≥400
≥540
≥16
≤1.3
≥1.25
≥9
3试验研究的重点及难点
3.1冶炼工艺研究的重点及难点
3.1.1钢中气体及非金属夹杂物控制难度大
由于渣钢、渣铁的含渣量高，化学成分波动大，氧化性物质多且潮湿,致使钢中气体含量、非金属夹杂物含量增多，且不利于去除。
因此，如何降低钢液中气体和非金属夹杂物含量，确保产品质量满足要求是研究的重点及难点。
3.1.2钢种的化学成分范围的合理设计确定难度大
由于标准中只作了五大元素含量的控制上限规定，未明确具体控制范围，但对力学性能指标要求却做出了明确规定。
因此，为了一方面满足力学性能要求，另一方面又能够尽可能减少合金消耗、降低生产成本，研究合理的成分配比也是研究的重点及难点。
3.2轧制工艺研究的重点及难点
3.2.1加热温度及终轧温度控制范围不明确
由于利用攀钢的渣钢渣铁冶炼，钢中富含钒、钛两种合金元素，对这种微合金化的钢坯，随着加热温度的升高，其奥氏体晶粒尺寸会逐渐加大，达到12000C以上时，极易出现粗大晶粒，加热温度过高形成的粗大奥氏体晶粒将会延缓再结晶行为，容易造成混晶现象，对钢材性能不利[3]；如果加热温度过低，由于两种元素在钢中的固溶强化和沉淀强化以及晶粒细化作用，其变形抗力增大，对轧制过程装备、能源消耗极为不利；终轧温度的变化，将会对成品因晶粒度、金相组织的改变，从而引起钢材性能变化的影响程度还不明确。
因此，针对这种钢坯制定合理的加热温度和终轧温度控制范围是轧制工艺研究的重点和难点之一。
3.2.2轧制方案的选择确定难度大
由于公司只有一条生产线，承担的螺纹钢生产规格品种从Ф12-36mm，跨度大，同时由于受场地限制，末架轧机至冷床的间距仅有33m，在国内同行中是最短的，采用单线轧制，如果轧制速度过高会导致倍尺剪切后的成品冲出冷床或者两个倍尺成品发生追尾现象，生产不能正常进行；如果将轧制速度放慢，由于小规格产品过钢时间较长，小时产量达不到设计能力，导致产能无法充分发挥，将会使吨钢加工成本升高，不利于企业正常生产经营。
因此，针对这种产品跨度大、轧机与冷床距离短的特殊状况，既要保证各个品种都能生产，又要保证各个产品生产水平满足设计能力要求，选择合理的轧制方案是轧制工艺研究的又一个重点和难点。
3.2.3轧辊材质选择配置很关键
由于钢种里面富含钒钛合金元素，因而轧件具有比普通钢更高的强度和硬度，对轧辊的变形抗力大大增加，如果仍然采用传统的普通球墨铸铁轧辊，其耐磨性将不能适应这种钢质的轧制，孔型磨损快导致轧制料形变化快，从而引起轧制不稳定导致轧制事故的发生，影响产量及技术经济指标。
4采取的技术措施
4.1成分控制方案
根据国家标准对HRB400E的化学成分及力学性能要求（表4，表5），与原已成熟生产的HRB335相比，可在钢中加入V、Nb、Ti等元素来满足其要求。
根据原料含钒钛的特殊性，采用FeV50（或硅钒合金）和硅钛合金进行钢水V、Ti合金化，通过向钢水添加一定量的V、Ti，形成V（C、N）、Ti在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶，并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒，提高钢的力学性能的作用[4]。
根据资料[5]，HRB400E抗震钢筋从其化学成分范围及最终性能看，实质就是低碳亚共析钢，其金相组织构成为铁素体+细小珠光体+少量贝氏体。
由于C含量与屈服强度和抗拉强度的相关性比Si、Mn的大很多，在一定范围内增加C含量就可显著增加钢的强度，随着Ceq的增加，强度显著增加，C、Mm含量增加可以提高钢的强度，但Mn属于淬透性强的元素，具有极强的推迟相变的作用，高Mn含量CCT曲线与低Mn含量CCT曲线相比，孕育期加大，CCT曲线右移，钢的临界转变温度下降。
因此含Mn量高时，由于孕育期的加大导致冷却曲线极易通过贝氏体转变区，从而形成贝氏体，在同样的冷却速度下，含Mn量较低时，由于孕育期短，冷却曲线不会通过贝氏体相变区。
为保证钢的性能完全满足要求，确定采取化学成分的窄成分范围控制方法，借鉴本公司以往经验，设计出成分控制范围。
见表6。
表6HRB400E化学成分控制要求/%
元素
C
Si
Mn
P
S
V
Ti
Ceq
标准
≤0.25
≤0.80
≤1.60
≤0.045
≤0.045
--
--
≤0.54
内控
0.18～0.24
0.40～0.55
1.25～1.40
≤0.035
≤0.035
0.04～0.07
0.01～0.02
0.42～0.50
4.2EBT电炉冶炼工艺
为了有效的去除钢液中的气体、夹杂物，要求合理搭配炉料，确保熔清碳含量≥0.50%，氧化期熔池温度≥1560℃、脱碳量≥0.30%和脱碳速度0.03～0.06%/min，氧化期全程泡沫渣操作和出钢前净沸腾时间≥8min。
为了确保成品[P]在内控要求范围内，EBT电炉要求将[P]控制在≤0.025%。
EBT出钢下渣量≤150kg，出钢过程中加FeMnSi、FeSi进行预脱氧和初合金化。
4.3LF炉精炼工艺
采用LF炉外精炼处理技术，全程吹氩。
精炼过程氩气压力0.15～0.40MPa，流量控制15～30NL/min。
吹氩量的控制以钢包液面不裸露为宜，大搅拌必需停电，使夹杂物充分上浮。
同时，在LF炉调整钢液温度，均匀钢液成分。
采用碳粉扩散脱氧、FeMnSi和FeSi沉淀脱氧工艺。
采用碳粉进行增碳，从而保证[C]成分的炼成率。
为了确保[V]含量的控制，提高钒铁收得率，要求钒铁必须在钢液脱氧良好的情况下加入，即开大氩气流量冲开渣面，往裸露钢液加入。
为了保证炉渣良好的吸附夹杂及脱硫能力，要求炉渣白渣、发泡、流动性良好，白渣时间≥30min。
为了改变夹杂物的形态、大小、分布，LF炉吊包前喂Ca-Si包芯线对钢水进行钙处理，喂入量控制在1.5m/t钢，为了确保夹杂物充分上浮，喂线后弱吹氩时间≥5min。
4.4连铸工艺
采用低过热度浇注（HRB400E液相线温度为1510℃，中间包温度控制在1530～1540℃），并严格控制拉速（拉速控制在1.2～1.8m/min）。
为确保中间包夹杂物充分上浮及避免卷渣，正常浇注时中间包液面≥400mm；确定合理的结晶器振动参数，减轻连铸坯振痕深度，以提高连铸坯表面质量；采用合理的二次冷却制度，使二冷区连铸坯表面温度均匀，并保证矫直温度＞900℃，确保铸坯内部质量。
为了减少铸坯夹杂，在浇注过程中勤捞渣。
4.5冶炼过程温度控制
HRB400E钢的液相线温度为1510℃。
过程温度控制见表7。
表7各工序钢液温度控制
工序
EBT炉出钢
LF炉吊包
连铸中间包
温度控制/℃
1660～1680
1600～1610
1530～1540
4.6合金消耗控制
HRB400E钢种主要的合金成分是Si、Mn、V、Ti，涉及的合金有硅锰合金、硅钛合金、硅铁、钒铁，而合金消耗又是衡量成本的主要依据,约占炼钢加工成本的25％左右。
因此，在确保轧制力学性能的前提下，为了提高合金收得率，减少合金消耗，结合生产实际，制订了相应的技术措施。
（1）提高操作水平，切实提高终点碳命中率，减少钢水过氧化（终点碳＜0.05%），规范操作，严禁出钢下渣，提高合金收得率。
（2）根据原料含钒的特殊性，切实做好残余钒、钛的利用工作。
生产过程中化验钢水残余钒、钛的含量，根据含量，及时调节合金添加少量，从而节约合金消耗。
（3）引入新型多功能调渣剂（表8），改变渣系及降低钢中氧含量，从而提高合金收得率，降低合金消耗。
表8新型多功能调渣剂理化指标
Al2O3/%
CaO/%
SiO2/%
熔点/℃
38.59
48.46
4.88
1350
4.7钢坯加热温度控制
根据钢坯含钒钛特性，为避免奥氏体晶粒粗大，同时保证轧制过程各机架负荷不超过设备承载能力，轧制顺畅，确定的钢坯加热温度制度见表9。
表9HRB400E钢坯加热制度
牌号
加热一段℃
加热二段℃
均热段℃
方坯出炉℃
HRB400E
900-1050
1050-1150
1120～1180
1100～1160
4.8轧制工艺方案选择、控制
在充分考虑末架轧机至冷床的间距较短、小规格成品单重轻与输送辊道摩擦小不能实现轧件快速加速、轧制产量水平等因素的前提下，对产品规格的跨度进行分段采取不同的轧制工艺，见表10。
表10各规格段产品轧制工艺方案
成品分段号
规格范围
轧制工艺方案
备注
1
Φ12
三切分轧制
2
Φ14-18
二切分轧制
3
Φ20-36
单线轧制
根据这个总体方案，在粗轧孔型系统、精轧切分孔型系统的选择设计、切分导卫安装调试、切分轧辊材质的选择等几个环节在进行前期试验研究的基础上，确定出改良型的控制方案。
（1）粗轧孔型系统：
选择常用的箱型孔型系统，但是在粗轧的第5、6架次采用了目前具有先进水平的无孔型轧制技术，该技术能够使无孔型轧制道次的轧辊消耗降低40%以上。
（2）精轧切分孔型系统：
总体采取6道次完成切分并轧制出成品的方案（见图3、图4），即K1成品-K2成品前扁孔-K3切分孔-K4预切分孔-K5、K6预切分前成型孔。
切分孔孔型设计最为关键，在这一道次，需要将轧件一分为二或一分为三，分开之后轧件势必存在的切分断茬大小、在下一道次能否得到加工保证轧件表面光洁从而避免成品出现折叠缺陷以及切分后的两根或三根轧件是否均匀从而保证最终两根或三根成品的均匀性有较大影响。
经过研究，在切分孔孔型的设计采用两根或三根并联立椭圆方案，该方案轧制出的轧件将切分断茬保证在立椭圆的短轴上，这样，轧件在进入下一道次成品前扁孔压缩时，根据最小阻力定律，立椭圆轧件自然会翻转到短轴切分断茬方向受压，保证了的轧件光洁，从而能够更好地保证成品不会出现折叠缺陷。
（3）切分孔导卫安装调试：
切分孔导卫的安装质量尤其是三切分工艺的切分孔导卫与孔型的对中、导卫结构里面的切分鼻锥、切分轮、切分刀三者之间的对中质量，直接影响轧件的切分效果及轧件的正常行进，在切分过程中，除了靠切分孔型轧辊作用外，还需要依靠导卫作进一步的撕裂、引导，良好的导卫安装调试对中质量，能够有效避免轧件在切分刀片和切分轮部位的粘钢现象，保证轧制过程顺行。
目前国内同行对这项工作的做法，都是靠具有多年切分导卫安装经验的操作人员凭借经验用肉眼进行安装、检查、调试，考虑到我公司没有这样具有丰富切分轧制导卫安装经验的操作人员的实际情况，项目组在三切分导卫的对中安装调试中，设计了一种专用的对中安装、检验样棒（见图5），即使是具有一般水平的导卫安装人员也可以通过专用样棒，快速准确地检验导卫与孔型、导卫内部结构三者之间的对中程度，精确完成调整对中。
图5切分导卫对中安装检验专用样棒示意图
（4）切分轧制轧辊的选择：
轧辊是轧钢生产消耗的主要大型工具，对轧制过程的影响及对吨钢消耗成本的影响都较大，单线轧制时，对料型尺寸变化没有很强的敏感性要求，且由于轧件表面光洁，孔型磨损相对较轻、磨损变化过程较缓慢，便于及时调整和更换后能够快速调整到位。
而在切分轧制中，对料型尺寸变化具有较强的敏感性，由于变形需要，预切分和切分道次轧件处于不均匀变形状态，且因需要将轧件切开，两个道次轧辊孔型需要设计加工切分楔子，切分楔子部位断面较为尖锐，在轧制过程中磨损最快使料型变化快，两架次料型的变化，直接影响到切分效果及后面道次料型变化，调整频率增加同时换孔调整增加，易造成轧制过程的跑钢、堵钢、尺寸超标等问题。
在切分轧制的成品前孔，由于需要承担切分孔出来的轧件切分断茬的加工任务，因此这一道次的孔型磨损极不均匀，扁形轧件中间部位易形成凸包，对后续的成品孔轧制造成不进钢、成品纵肋尺寸不均匀等问题。
针对上述状况，为保证切分轧制的稳定性和成品质量，需要对这几个关键道次的轧辊进行研究，提高其耐磨性。
根据本公司前期研究的结果表明，采用高硼高速钢合金组合轧辊，其投入价格为普通高镍铬球墨铸铁轧辊的3倍，而其使用寿命可达到普通高镍铬球墨铸铁轧辊的3.5倍以上。
因此课题组在这几个关键道次，选用硼高速钢合金材质的组合轧辊解决以上问题。
4.9末架轧机与冷床距离短，成品输送易造成追尾问题的解决
根据各个不同规格产品在轧机至冷床全部输送辊道上运行假定的速度下，精确计算出各个规格成品在变频辊道上得到的加速度，倍尺剪切后相邻两根轧件之间能够拉开的最大距离等。
设备方面采取在输入辊道靠轧机一端增加分钢隔板的措施，即将后一段成品运行线路改变到高于前一段成品运行线路，这样在前一段成品完成下降下料时，后一段成品在一定时间内不会下到下降下料运行线路上，相当于从另一个途径增加了两段钢之间的距离。
最后再根据上述的参数，确定各个规格成品的运行控制参数，见表11。
表11各规格成品运行控制参数
规格
Ф12
Ф14
Ф16
Ф18
Ф20
Ф22
Ф25
Ф28
Ф32
Ф36
成品线速度/m/s
10.5
11
11
10
12
11.5
10.5
8
6.5
6
成品倍尺/m
63
63
63
63
54
63
63
63
63
63
4.10成品终轧温度控制
根据已有研究成果[6]，对于含钒氮微合金化钢，最理想的终轧温度在8500C左右，在这个温度下得到的组织为多边形等轴铁素体+珠光体，铁素体尺寸可达到11级，钒析出物尺寸约10um，该温度下可达到钢材屈服强度、抗拉强度和韧塑性的综合性能指标最优越的效果。
因此，课题组最终确定成品终轧温度范围为：
850±200C。
5试验结果及分析
5.1EBT电炉冶炼终点钢中成分及温度情况,见表12.
表12EBT炉冶炼终点钢中化学组成成分表
元素
C/%
Si/%
Mn/%
P/%
S/%
V/%
Ti/%
出炉温度/℃
平均
0.10
0.024
0.073
0.015
0.054
0.003
0.002
1676.5
最小
0.05
0.000
0.025
0.007
0.040
0.000
0.000
1662
最大
0.15
0.037
0.136
0.023
0.076
0.008
0.001
1680
为了准确控制钢种成品的碳、磷含量，因此要求EBT必须创造良好的条件，严格控制好终点C、P含量，从表中可以看出，EBT炉冶炼的40炉试验钢终点C、P含量能控制在预定范围内，满足下步工艺要求。
5.2成品中相关组分含量的控制
根据该钢种的标准要求及试验计划所制定的工艺技术措施，通过对LF炉的精确控制，使试验炉次的成品化学成分均达到钢种标准要求，详见表13：
表13成品钢中化学组成成分表
元素
C/%
Si/%
Mn/%
P/%
S/%
V/%
Ti/%
Ceq/%
LF炉吊包温度，℃
平均
0.21
0.47
1.24
0.022
0.011
0.051
0.018
0.44
1605.28
最小
0.19
0.42
1.20
0.035
0.002
0.043
0.010
0.42
1600
最大
0.24
0.52
1.30
0.010
0.026
0.067
0.024
0.48
1610
从表13可以得出，成品[C]平均值控制在0.21%（波动范围在0.19～0.24%）、成品[Si]平均值控制在0.47%（波动范围在0.42～0.52%）、成品[Mn]平均值控制在1.24%（波动范围在1.20～1.30%）、成品[P]平均值控制在0.022%（波动范围在0.010～0.035%）、成品[S]平均值控制在0.011%（波动范围在0.002～0.026%）。
与表4对比可知，此次试验成品[C]、[Si]、[Mn]含量控制在标准的中上限，且波动范围较小，控制精度高；成品[P]、[S]含量均控制在标准范围内，且最大值为0.035%，较标准仍有一定富余空间。
Cep含量平均值控制在0.44%
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