HRB500E性能不合格原因分析与改进措施_陈拥军.pdf

表 1化学成分及性能情况HRB500E 性能不合格原因分析与改进措施陈拥军，韦昇，时海峰（柳州钢铁股份有限公司质量管理部，广西柳州545002）摘要：在柳钢常规的 HRB500E 生产过程中，曾先后连续出现多批次性能不合格问题。经对钢筋化学成分、拉伸试验曲线、样品断口及金相组织进行分析，判定钢中硼元素含量异常升高，导致钢筋金相组织中贝氏体含量过高，是 HRB500E 性能不合格的原因。通过进行成分控制，并合理控制加热温度、开轧温度、进精轧温度和上冷床温度，性能不合格问题得到了有效解决。关键词：HRB500E；硼含量；温度控制中图分类号：TG335.64文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0172-021问题的提出柳钢生产的 HRB500E 高强钢筋采用了铌钒氮复合微合金化技术工艺，钢中添加了 V、Nb 等，通过沉淀析出强化、细晶强化等，钢筋在得到较高强度的同时，也获得了较好的抗震特性。经过对钢筋化学成分的调整及工艺技术的进一步完善，HRB500E 高强钢筋的性能稳定。但是，在近期的生产中，HRB500E高强钢筋出现连续多批次性能不合格，屈服强度为440495MPa，最大力总伸长率 Agt为 5.015.0。本文通过对产品化学成分、拉伸曲线、断口和金相组织等进行分析，找出了 HRB500E 性能不合格原因，并通过合理控制加热温度、开轧温度、进精轧温度和上冷床温度，有效解决了性能不合格问题。2原因分析2.1工艺路线HRB500E 高强钢筋的工艺技术路径为：BOF（Basic Oxygen Furnace 碱性氧气顶吹转炉）炉后吹氩LF（Ladle Furnace 具有加热和搅拌功能的炉外精炼）CC（Continuous Casting 连续铸造）加热轧机连轧冷床冷却。2.2化学成分柳钢生产的高强钢筋 HRB500E 采用铌钒氮复合微合金化工艺，钢筋中添加了 V、Nb 等，通过沉淀析出强化、细晶强化等，钢筋在得到较好的屈服强度及抗拉强度同时，也获得了较好的抗震性能。从这次性能异常的情况来看，C、Si、Mn、P、S、V 和 Nb 等元素均符合内控要求，但 B 含量异常，性能异常 B 为 0.004 9，生产同批次性能合格的 B 含量为 0.000 7，如表 1所示。2.3拉伸性能分析钢筋在拉伸过程中发生韧性断裂时，断口一般情况下为韧窝状断口。从宏观来看，在理想情况下，其新裂面是由 3 个明显不同的区域，即纤维区、放射区和剪切唇区所构成。纤维区为裂纹缓慢扩展区，是塑性变形的主要区域，纤维区面积越大、放射区面积越小，说明钢筋的塑性越好，延伸率指标越高。纤维区面积越小、放射区面积越大，说明钢筋的塑性越差，延伸率指标越低1-2。韧性断裂特征为拉伸性能正常的断口，如图 1-1 所示。脆性断裂特征为拉伸性能异常的断口，如图 1-2 所示。拉伸性能异常断口只观察到了放射区，未观察到纤维区，为瞬时断裂，拉伸过程中变形小，塑性差。屈服强度性能正常的钢筋拉伸曲线如下页图2-1 所示，曲线屈服平台明显。屈服强度异常的钢筋拉伸曲线如下页图 2-2 所示，曲线没有明显的屈服平台。钢筋中贝氏体的含量太高会导致无屈服平台及屈服点现象，当贝氏体含量（体积分数，下同）20时，所有试样屈服平台及屈服点现象都不明显。当贝氏体收稿日期：2022-12-13作者简介：陈拥军（1988），男，广西玉林人，研究生，毕业于武汉科技大学材料控制及控制工程专业，工程师，研究方向为轧钢质量管理。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.065性能要求屈服强度/MPaAgt/w（C）/w（Si）/w（Mn）/w（P）/w（S）/w（B）/标准要求500650 9.00.25 0.80 1.600.0450.045常规控制53057010.016.00.210.250.300.651.301.600.0350.0300.001性能异常4404955.012.00.220.671.500.0260.020 0.004 9图 1拉伸性能断口1-1拉伸性能正常样断口1-2拉伸性能异常样断口生产实践2023 年第 5 期量20时，随着贝氏体含量的减少屈服平台及屈服点不明显的情况随之减少。当贝氏体量5时，就很少出现屈服批平台及屈服点不明显的情况3。2.4金相分析对拉伸性能正常及异常的样品进行金相分析，金相分析结果如图 3 所示。拉伸性能正常的样品，晶粒度为 11.0 级，1/4 处金相组织为铁素体+珠光体，珠光体含量（体积分数，下同）约 23，如图 3-1 所示。中心部位金相组织为铁素体+珠光体，珠光体含量约30，如图 3-2 所示。拉伸性能异常的样品，晶粒度为10.5 级，1/4 处金相组织为铁素体+珠光体+贝氏体，贝氏体含量约 4.0，如图 3-3 所示。中心部位金相组织为铁素体+贝氏体+珠光体，贝氏体含量约 29，如图 3-4 所示。微观分析表明，性能异常的主要原因是组织中贝氏体含量过高。HRB500E 高强钢筋的截面组织正常应为铁素体+珠光体，一般情况下不会出现贝氏体。如果出现贝氏体，也仅是在截面中心部位出现，且比例通常不大于 3。性能异常的样品整个截面均出现了贝氏体，贝氏体主要出现在截面中心部位及 1/4处，尤其是中心部位的贝氏体含量过高，达到了 29，表面存在贝氏体的钢筋采用切分工艺生产，切分后原来在坯料中心较粗大的晶粒及组织会变为钢筋表面4，在这种情况下钢筋表层晶粒一般较为细小、且利于奥氏体先行转变为铁素体+珠光体，但由于上述原因，钢筋表面局部位置也会观察到贝氏体组织。3改进措施HRB500E 高强钢筋性能不合格主要因为钢中含B 量较高，而 B 的主要作用是提高钢的淬透性，在冷轧过程中阻止奥氏体向铁素体转变，导致金相组织中贝氏体的含量过高。根据 B 对奥氏体向铁素体转变的影响，明确化学成分中硼含量的要求，并通过对加热温度、开轧温度及进精轧温度进行控制，从而降低 对奥氏体向铁素体转变的影响，抑制轧后的奥氏体晶粒长大，最终减少贝氏体组织形成。3.1成分控制根据微观分析，因为微合金化钢中淬透性的增加对贝氏体产生一定的影响，标准中要求的元素成分控制的比较好，但是一些会增加钢的淬透性元素没有控制要求，如 B、Cr 等元素，因此，要严格控制钢中 B的含量，w（B）0.020，同时也要控制好废钢中 Cr 的含量，w（Cr）0.10。3.2合理的加热温度当加热温度过低时，Ni、不能完全溶解于奥氏体中，析出时，Ni、充分溶解，能有效防止奥氏体晶粒粗化长大，提高钢筋强度。但加热温度过高，会使奥氏体晶粒粗大，加热至 1 200 时，晶粒尺寸会成倍增加，影响轧后性能。因此，加热温度设定为 1 160。3.3控制开轧温度B作为表面活性元素，与其他置换型原子（如 Cr、Mn、Mo 和 Ni）一样，可以有效延缓奥氏体向铁素体的转变。B吸附在奥氏体晶界上，具有延缓奥氏体向铁素体转变的作用，在奥氏体晶界偏聚阻碍铁素体形核，有利于贝氏体的形成，故对铁素体的延缓生成作用要比对贝氏体的延缓作用大得多，从而提高了淬透性5。对于 w（B）为 0.004 9的 HRB500E 高强钢筋，较高的开轧温度，会使钢中固溶 B的含量增2-2拉伸性能异常样（屈服强度470 MPa）图 2拉伸性能2-1拉伸性能正常样（屈服强度550 MPa）图 3金相分析结果3-11/4 组织 F+P3-2中心组织 F+P3-31/4 组织 F+P+B3-4中心组织 F+B+P220200180160140120100806040200拉力/kN051015202530354045505560657075位移/mm220200180160140120100806040200拉力/kN05101520253035404550556065707580位移/mm（下转第 187 页）陈拥军，韦昇，时海峰：HRB500E 性能不合格原因分析与改进措施1732023 年第 5 期加，更有利于轧后冷却时钢中贝氏体组织的形成。同时，较高的开轧温度，会导致钢坯的原始奥氏体晶体长大，奥氏体晶粒越大，形核越少，越难向铁素体、珠光体转变，更多还未来得及转变的奥氏体将进入到贝氏体转变区域，形成贝氏体组织。因此，既要保证钢坯奥氏体晶粒不长大，又要减少 B 元素对奥氏体向铁素体转变的影响，将钢筋的开轧温度设定为 1 030 左右。3.4控制进精轧温度及上冷床温度钢筋在精轧过程中由于轧件变形及组织的转变，会产生相应的升温，在精轧机组或精轧机架前面设立冷却装置，并在精轧后设立水冷段，精确控制进精轧温度、终轧温度及上冷床温度，从而控制轧后的奥氏体晶粒长大，减少了贝氏体的形成。因此，将钢筋的进精轧温度设定为 900 左右、轧后水冷温降控制在50 范围内、上冷床温度设定为 900 左右。4结论通过明确化学成分中 B 元素的要求，并通过对轧制过程中的加热温度、开轧温度、进精轧温度及上冷床温度等关键工序控制点的进行控制，有效解决了HRB500E 钢筋性能不合格的问题。参考文献1赵小金，苏祯祺，徐旋旋，等.SWRH82B 钢盘条拉伸试样断口形貌分析J.现代冶金，2018，46（4）：42-45.2龚园军，孙洋，吴关良，等.不同电化学参数的双向电迁移作用下钢筋断口形貌特征J.科技创新与应用，2020（11）：72-74.3李丽.解决 20MnS 钢筋冷弯脆断和无屈服点的途径J.金属制品，2004，30（6）：36-38.4何维，钱学海，庞锐.铸坯质量对切分轧制钢筋性能稳定性的影响分析J.轧钢，2020，37（6）：105-109.5齐俊杰，黄运华，张跃.微合金化钢M.北京：冶金业出版社，2006.（编辑：郭萍茹）Reason Analysis and Improvement Measures for Unqualified Performance of HRB500EChen Yongjun,Wei Sheng,Shi Haifeng（Quality Management Department of Liuzhou Iron and Steel Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi 545002）Abstract:In the conventional production process of HRB500E of Liuzhou steel,there have been multiple consecutive batches ofperformance failures.Through the analysis of the chemical composition,tensile test curve,sample fracture and metallographic structure of thereinforcement,it is determined that the abnormal increase of boron content in the steel leads to the high content of bainite in themetallographic structure of the reinforcement,which is the reason for the unqualified performance of HRB500E.By controlling thecomposition and reasonably controlling the heating temperature,rolling temperature,finishing rolling temperature,and upper cooling bedtemperature,the problem of unqualified performance has been effective