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铌在钢的控轧控冷工艺中微合金化的作用

[摘要]本文主要介绍铌的强化原理、铌在钢中微合金化中应用，

通过控轧控冷工艺改善铌在钢中的分布来提高铌的性能，以及当今

世界铌钢的情况及生产铌钢应用的新工艺。

[关键词]控轧控冷；铌钢；强化；工艺；

1.前言

目前我国热轧钢筋的消费量已达5000余万吨，相对于发达国家

钢筋以400n／mm2以上强度级别应用为主的局面，我国仍以335n

／mm2级别的热轧钢筋为主。近年来，随着建筑结构施工规范

gb50010的修订执行hrb400热轧钢筋将逐步成为我国钢筋混凝土结

构用主导钢铁材料，该级别钢筋使用比例是逐年上升的趋势。建设

部2002年4月正式发布新的《混凝土结构设计规范》后，建筑用

钢的产品升级换代不断加快，hrb400热轧钢筋的主导钢种20mnsiv

的必需原料v-fe，vn合金价格大幅上涨，导致生产成本显著升高，

急需开发新的生产工艺和替代钢种。

世界范围内的钢筋标准中，iso标准、西欧等国钢筋标准是以轧

后余热处理工艺为基础的，而在我国，轧后余热处理钢筋的生产使

用受到各种限制，因此高强度级别钢筋生产基本以微合金化为主，

在所有的微合金化方式中，以v微合金化最适合长型材生产工艺要

求。微合金化元素的应用较多地集中在nb、v、ti三大主要微合金

元素，其中对nb元素的研究应用较多地集中在扁平材上。与v元

素相比nb析出物的溶入温度较高，因此要求相对高的工艺加热温

度，同时nb微合金化技术的应用在于nb的碳氮化物对再结晶的阻

滞作用，以此来实现非再结晶轧制，而长型材生产本身具有的高温

快轧的特点在现有生产线上较难实现非再结晶轧制。虽然nb的碳

氮化物的析出强化作用较v的沉淀强化弱，但是利用nh的沉淀强

化和组织强化作用，也可作为hrb400热轧钢筋生产的微合金化方

式。

上世纪末，国内开始超细晶碳素钢筋的研究工作。通过在临界

奥氏体区终轧诱发铁素体相变和铁素体动态再结晶，将晶粒细化至

微米尺度，实现用普碳钢生产hrb400钢筋，材料成本低，具有经

济效益显著和广阔的发展前景。该工艺的实现要求机组间、道次间

及轧后具有控冷手段。由于终轧温度低，变形抗力大，需提高精轧

机组尤其是成品轧机、电机能力，改造工作较大。产品缺少相应的

技术标准和规范，推广条件欠成熟。

近两年，“863”项目500mpa碳素钢筋课题组提出了复合强化和

适宜晶粒度的技术思路，利用现代轧机高应变速率下的累积变形，

结合轧后控制冷却，开发了用20mnsi生产hrb400的新工艺，在萍

乡等企业等到应用。不同于余热处理工艺，该工艺钢筋返红温度在

再结晶温度以上，晶粒等级约10级，据报道无时效倾向、焊接性

能良好。由于该技术要求成分范围窄，冶炼难度增加。

上世纪八十年代，国内发展了nb微合金化技术，开发了桥梁用

钢、管线钢、压力容器、工程机械用钢等产品。nb微合金化技术要

求严格的控轧控冷制度，集中应用在扁平材尖端产品，在长型材上

应用起步较晚。近年来，国内冶金企业相继开始开发生产nb微合

金化hrb400热轧钢筋，展示了nb微合金化钢筋的优异性能和巨大

的经济效益，积累了生产经验，但普遍存在性能不稳定的生产实际。

试验研究证实nb微合金化钢筋无时效、应变时效倾向，焊接性能

满足现场焊接工艺要求。钢筋的组织为铁素体+珠光体+少量贝氏

体，铁素体晶粒度等级8.5-9.5级，较20mnsi略高，表明强化以

沉淀强化为主，未能发挥nb细晶强化作用。nb的细晶强化需采用

非再结晶轧制，由于棒材机组通常不具备机组间冷却手段，无法控

制终轧温度，不能实现非再结晶轧制。首钢在含nb钢筋的生产中

采用轧后水冷，获得了10级铁素体晶粒，成分设计较其它厂家nb

含量低，显示了控轧控冷技术的经济效益和技术优势，nb在钢筋中

的应用将推动长型材产品控轧控冷技术的发展，

由于国际市场fe-nb合金供货渠道稳定，在长期时间内，fe-nb

价格相对较为稳定，这就为铌微合金化钢筋的研制开发创造了市场

条件。

2.研究内容

（1）利用光学显微镜、透射电镜等手段，分析含nb钢筋的热

轧组织、nb（cn）沉淀的数量、形貌及分布，认真分析、研究了铌

强化机理机制，微合金化工艺技术方案，连铸坯冷却制度、方坯加

热制度、轧制制度和冷却制度等轧制工艺制度，制定合理可行的试

验工