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钒及钒氮合金加入量对螺纹钢筋性能组织影响的研究刘永林1）2）张金柱1）（1．贵大冶金材料学院；2．水钢技术中心，贵州水城553028）摘要：钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是我国钢材产品中用量最大的品种之一，本次研究的课题是在ⅡⅡ级级钢钢筋筋（（２２００ＭＭｎｎＳＳｉｉ））的的基基础础上上加加入入微微合合金金元元素素VV及及VVNN合合金金研究VV及及VVNN合合金金对对螺纹钢筋性能组织的影响。得出VFe钢筋、VN钢筋V含量与强度指标关系，为生产各种级别的螺纹钢筋成分设计及工艺控制提供参考。关键词：螺纹钢筋；V含量；抗拉强度；屈服强度0前言钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是我国钢材产品中用量最大的品种之一，2006年热轧带肋钢筋产量近8300万吨，占全国钢材产量近20%。国外建筑行业普遍采用400MPa、500MPa级钢筋，在在欧欧洲洲，，屈屈服服强强度度为为５５００００ＭＭＰＰａａ的的ＩＩＶＶ级级钢钢筋筋和和６６００００ＭＭＰＰａａ的的ＶＶ级级钢钢筋筋已已取取代代ⅢⅢ级级钢钢筋筋获获得得广广泛泛应应用用，，美国1996年钢筋产品标准增加了520MPa级钢筋。我我国国目目前前也也正正在在致致力力于于ⅡⅡ级级钢钢筋筋（（２２００ＭＭｎｎＳＳｉｉ））向向ⅢⅢ级级钢钢筋筋的的升升级级换换代代，，国标GB1499-1998增加了500MPa级钢筋。对400MPa及500MPa级钢筋GB1499-1998给出了五大元素上限并提示可加入V、Ti、Nb等微合金元素作为强化元素。本次研究的课题是在ⅡⅡ级级钢钢筋筋（（２２００ＭＭｎｎＳＳｉｉ））的的基基础础上上加加入入微微合合金金元元素素VV及及VVNN合合金金研究VV及及钒钒VVNN合合金金对对螺纹钢筋性能组织的影响。1试验螺纹钢筋成分设计及工艺控制1．1成分设计试验螺纹钢筋C、Si、Mn元素的含量按国标GB1499-98中限控制，P、S≤0.04%（见表一），V及VN按钢中V含量达到表二的不同档次加入。表一钢筋成分设计（wt%）CSiMnPS0.19～0.240.45～0.651.25～1.50≤0.04≤0.04表二V钢及VN钢中V含量（wt%）V0.05～0.0550.070～0.0750.09～0.0950.105～0.110VN0.025～0.0300.045～0.0500.10～0.111．2工艺设计：1．2．1工艺路线铁水、生铁块、废钢—氧气顶吹转炉冶炼—挡渣出钢—钢包脱氧合金化（加入VFe、VN微合金化元）—吹氩—连铸（150方坯）—精整—加热炉加热—轧制—冷却—取样—拉伸试验—金相检验1．2．２冶炼工艺试验钢在25吨转炉上冶炼，出钢量31吨，脱氧合金化过程中加入钒铁及钒氮合金，顺序：SiMn---MnFe---SiFe---SiAlCaBa--VFe（VN）。钢水经底吹Ar处理后，连铸成150×150方坯。1．2．３轧制工艺钢坯加热温度的确定：V的C化物、N化物在奥氏中固溶度积[1]lg[V][N]=3.40-8330/T（1）lg[V][C]=6.72-9500/T（2）式中[V]、[C]、[N]均为百分数含量。在一般低N含量的情况下(w(N)0.007%)，加热温度900℃以上，V(C，N)可完全溶于γ-Fe中,转炉钢[N]一般在40-60ppm，钢坯加热温度控制：1030-1100℃。精轧后冷却工艺确定：精轧后冷却采用空冷工艺。轧制规格：Φ25mm。2．验结果与讨论2．1V及VN合金加入量对螺纹钢筋性能的影响V及VN合金加入量对螺纹钢筋性能的影响见表三表三V及VN合金加入量对螺纹钢筋性能的影响规格试验号化学成分（%）强度(MPa)延伸（%）强化元素CSiMnPSV屈服点抗拉强度251——10.190.541.320.0310.030.0543557525钒251——20.190.531.320.0220.0330.0540558526251——30.210.511.270.0210.0220.05645060523铁251——40.210.521.340.020.0370.05643057029251——50.20.571.310.0170.0210.05944561023251——60.220.561.360.0170.0270.07747561226251——70.230.531.370.0220.0270.07950065024251——80.20.531.460.0260.0250.08549565022251——90.230.551.430.0160.0220.08548564023251——100.230.531.410.0330.0170.0951068523251——110.220.551.370.0290.0190.09551568024251——120.220.521.430.0350.0150.152067523251——130.20.541.430.0220.0270.11151067521251——140.190.51.370.0350.0310.11854873523252——10.210.461.260.0220.0360.02542058524钒氮252——20.20.441.240.0230.0320.02643559024252——30.210.421.250.0250.0250.04550065522252——40.210.471.310.0170.0270.04549063029252——50.230.521.330.0320.0330.10158571523252——60.220.591.410.0250.0370.1158671320252——70.230.511.480.0210.0270.158571522252——80.210.511.460.030.0310.09559071522252——90.240.521.420.0250.020.160574021252——100.20.521.450.0150.0220.1610745222．1．1VFe钢筋V含量与强度指标关系：VFe钢筋V含量与钢筋强度的关系见图1，V含量与抗拉强度指标符合σb=2023.8[V]+478.47的关系，R2σb=0.8876，V含量与屈服点指标符合σs=1747.1[V]+341.57的关系，R2σs=0.9044；V含量与强度指标所建立的方程线性正相关，即强度指标随V含量的增加而升高。y=2023.8x+478.47R2=0.8876y=1747.1x+341.57R2=0.90443504004505005506006507007508000.040.060.080.10.12钢筋V含量(%)钢筋强度（MPa）屈服点抗拉强度图1VFe钢筋V含量与钢筋强度的关系2．1．2VN钢筋V含量与强度指标关系：VN钢筋V含量与强度指标关系见图2，VN钢筋V含量与抗拉强度指标符合σb=1671.2[V]+555.46的关系，R2σb=0.925，VN钢筋V含量与屈服点指标符合σs=2034.4[V]+388.63的关系，R2σs=09515，V含量与强度指标所建立的方程线性正相关，即强度指标随V含量的增加而升高。2．2VFe钢筋及VN钢筋的组织VFe钢筋及VN钢筋的金相组织见图3。（1-6）VFe钢筋金相组织200×(1-7)VFe钢筋金相组织200×图2VN钢筋V含量与钢筋强度的关系y=2034.4x+388.63R2=0.9515y=1671.2x+555.46R2=0.9253504004505005506006507007508000.020.040.060.080.10.12VN钢筋V含量（%）钢筋强度（MPa）屈服点抗拉强度（1-13）VFe钢筋金相组织200×(1-14)VFe钢筋金相组织200×(2-5)VN钢筋金相组织200×(2-6)VN钢筋金相组织200×VFe钢筋及VN钢筋的晶粒度铁素体晶粒尺寸组织见表四，VFe钢筋晶粒度为10.5～11.5级，铁素体晶粒尺寸4.8～19.6μm，VN钢筋晶粒度为11.5～12.0级，铁素体晶粒尺寸2.9～14.0μm。可见VN钢筋的晶粒尺寸比VFe钢筋的晶粒尺寸细得多。表四VFe钢筋及VN钢筋的晶粒尺寸试验号金相组织晶粒度（级）铁素体晶粒尺寸(μm)1—6F+P，P占34%11.54.21～18.931—7F+P，P占35%113.48～18.31—13F+P，P占38%10.57.34～21.051—14F+P，P占34%114.34～20.062—5F+P，P占36%122.74～10.502—7F+P，P占32%113.54～18.482—8F+P，P占36%12.0～11.52.54～13.392—9F+P，P占34%12.0～11.5.2.89～13.492．3讨论V、VN微合金化元素的作用：V是较容易固溶到钢中、又较容易从钢中析出的微合金化元素，除了与钢中的C元素形成VC之外，更容易与钢中的N相结合形成VN，以V[C、N]化物的形式存在于基体和晶界上，起到沉淀强化和抑制晶粒长大的作用。此外，钢中加入微合金化元素V，在轧制过程中会因形变诱导析出，生成V化合物颗粒，一方面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，细化了奥氏体，从而细化了铁素体晶粒。N对含V钢筋具有很强的强化作用，由于N与V的亲和力作用，V[C、N]化物中N的增加会使沉淀颗粒缩小，从而增加沉淀颗粒数量，这些细小和大量析出质点进一步提高了强化效果。V必须形成C、N化物才能发挥强化作用，采用VN合金，可减少钢中固溶V含量，显显著著提提高高微微合合金金化化VV钢钢的的强强化化效效果果，，提高V的强化作用。VFe钢筋V含量0.05～0.06%屈服点405～455MPa，抗拉强度570～610MPa，达到国标三级级钢钢筋筋的强度指标要求；V含量0.08～0.08%屈服点485～500MPa，抗拉强度指标640～650MPa，达到英标460级级钢钢筋筋的强度指标要求;V含量0.11～012%屈服点510～548MPa，抗拉强度675～735MPa，达到国标四级级钢钢筋筋的强度指标要求VN钢筋V含量V含量0.025～0.026%抗拉强度585～590MPa，屈服点420～435MPa，达到国标三级级钢钢筋筋的强度指标要求；V含量0.045%抗拉强度630～655MPa，屈服点490～500MPa，达到英标460级级钢钢筋筋的强度指标要求；V含量0.10～011%抗拉强度713～745MPa，屈服点585～610MPa，高于国标四级级钢钢筋筋的强度指标要求。与与VFe钢钢筋筋相相比比，，VVNN钢钢筋筋在在相相同同强强度度水水平平下下钒钒的的添添加加量量减减少少4400～50%%。。VVNN钢钢筋筋不不仅仅成成本本低低，，而而且且性性能能稳稳定定。。3结论3.1VFe钢筋及VN钢筋的强度指标与V含量成线性关系：VFe钢筋抗拉强度σb=2023.8[V]+478.47屈服点σs=1747.1[V]+341.57VN钢筋抗拉强度σb=1671.2[V]+555.46屈服点σs=2034.4[V]+388.633．2VN钢筋的晶粒尺寸比VFe钢筋的晶粒尺寸细得多，VFe钢筋晶粒度为10.5～11.5级，铁素体晶粒尺寸4.8～19.6μm，VN钢筋晶粒度为11.5～12.0级，铁素体晶粒尺寸2.9～14.0μm。3．3N在钢中明显提高了V的强化能力，与VFe钢相比，VN钢V的强化能力几乎提高一倍。3．4采用VN微合金化，与VFe微合金化相比，节约V含量4400～50%%，VN微合金化三级钢筋中V含量可降低到0.025～0.030%的水平，明显降低吨钢成本。参考文献[1]董成瑞任海鹏金同哲等.微合金非调质钢[M].北京：冶金工业出版社，2000：32.