HRB400螺纹钢生产实用工艺研究2

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1、word分类号学号学校代码10488 密级硕士学位论文HRB400螺纹钢生产工艺研究学位申请人：王友华学科专业：冶金工程指导教师：彭其春企业导师：左都伟辩论日期：A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Professional Degree of Master in EngineeringInvestigation onproduction process of HRB400 screw steelMaster Candidate：Wang Youhua Major：Metallurg

2、ical EngineeringSupervisor：Prof. Peng Qichun Wuhan University of Science and TechnologyNovember，2015某某科技大学研究生学位论文创新性声明本人X重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进展研究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料假如有不实之处，本人承当一切相关责任。论文作者签名：日期：- 研究生学位论文使用授权声明本论

3、文的研究成果归某某科技大学所有，其研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解某某科技大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存并向有关部门(按照某某科技大学关于研究生学位论文收录工作的规定执行)送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将本论文的全部或局部内容编入学校认可的国家相关数据库进展检索和对外服务。论文作者签名：指导教师签名：日期：精彩文档摘要随着建筑行业与钢铁工业的迅猛开展，中高级螺纹钢凭借其优越的性能和高性价比，在国内外建筑行业螺纹钢的需求日益增加，中等螺纹钢HRB400的使用已日益普遍，市场庞大，但由于我国钢铁行业的产量巨大，竞争却日益激。因此，如何降低H

4、RB400生产的本钱，提高其产品的质量与稳定性，成为目前钢铁行业面临的紧迫问题。本文通过分析HRB400的化学成分，再根据HRB400的力学性能要求分析比拟了各生产工艺，制定了HRB400螺纹钢最经济高效的生产工艺微合金化工艺，介绍了钒的强化机理，并根据其机理制定了用VN合金替代VFe的微合金化工艺，以与其他合金化工艺要点，通过工厂工业化试验验证了该工艺的合理性。根据HRB400螺纹钢的生产工艺特点与性能要求，为达到钢厂的降本增效的目标，提出了生产该钢种的相关工艺要求与工艺要点：降低终点钢水氧化性、减少下渣量、优化合金加料顺序以与控轧控冷时的温度控制，并重点介绍了使用碳化硅脱氧合金化的原理、优

5、势与操作要点，结合工业试验进一步验证了其使用效果。分析并比拟了铸坯、成材的内外外表缺陷，并通过金相组织与晶粒度分析、裂纹夹杂物显微电镜分析与能谱分析、裂纹处夹杂物类型的判定等方法，找出了微合金化工艺对该钢生产的影响因素并提出相应的改良措施，进一步优化了生产工艺，提高了钢水的纯净度，制定出生产HRB400螺纹钢最优的生产工艺。关键字：HRB400螺纹钢；生产工艺；微合金化；碳化硅AbstractWith the rapid development of the construction industry and steel industry, the demand for the middle

6、advanced screw-thread steel is increasing in construction industry at home and abroad because of its superior performance and high performance price ratio. The use of HRB400 of medium screw-thread steel has bee increasingly mon, and the market is huge, while the petition is increasingly fierce becau

7、se of the huge production of Chinas steel industry. Therefore, the urgent problem for the current iron and steel industry is how to reduce the production cost of HRB400 screw-thread steel and improve its quality and stability. In this paper, the most economical and efficient technology of producing

8、HRB400 screw-thread steel was developed-micro alloying process by analyzing the chemical position and the mechanical performance requirements, besides, the strengthening mechanism of vanadium was introduced, and a micro alloying process that using VN alloy instead of VFe alloy was developed, as well

9、 as other alloying process requirements, the rationality of the process is verified by the factory industrial test. According to the production process characteristics and the performance requirements of HRB400 screw-thread steel, The relevant requirements of the steel production process and key tec

10、hnology was developed to reduce cost and improve efficiency of steel mills: reducing the oxidability of the end of molten steel; reducing the slag quantity; optimizing the order of alloy feeding and the temperature control of controlled rolling and controlled cooling, and mainly introduced the princ

11、iple ,advantage and operation key points of using silicon carbide deoxidation alloying, the effect was further verified with industrial tests. By analyzing the casting blank and the inside and outside surface defects of the steel, and by analyzing the metallurgical structure and the grain size, micr

12、oscopic analysis of crack inclusion and energy spectrum analysis, and the determination of inclusion types at crack, the influence factors of micro alloying process on producing the steel and the corresponding improvement measures was developed, to further optimize the production technology and impr

13、ove the purity of molten steel, finally e up with the best production technology for producing HRB400 screw-thread steel.Keywords:HRB400Screw-thread Steel; Production Technology; Micro-Alloying; Carborundum目录摘 要IAbstractII目录III第一章 文献综述11.1 螺纹钢的概述11.2 HRB400E螺纹钢国标11.2.1 化学成分标准11.2.2 力学性能标准21.2.3 国外钢筋

14、的相关标准21.3 V微合金化的机理31.3.1 微合金化技术31.3.2 强化机理31.4 生产工艺41.4.1 冶炼工艺流程51.4.2 轧制工艺流程51.5 钒的合金化61.5.1 降低终点钢水氧化性71.5.2 减少下渣量71.5.3 合金料加料顺序71.6 碳化硅脱氧合金化71.6.1 碳化硅的参加方式71.6.2 碳化硅的理化指标81.7 国内生产HRB400低倍组织情况81.7.1 铸坯内部缺陷91.7.2 铸坯外表缺陷91.8 HRB400螺纹钢缺陷101.8.1 外表缺陷111.8.2 内部缺陷111.8.3 纯净度121.8.4 冷弯断裂和反弯断裂121.9 研究方案131

15、.9.1 研究背景131.9.2 研究目的131.9.3 研究内容131.9.4 研究方法13第二章 碳化硅脱氧原理与其在炼钢中的应用142.1 碳化硅作为脱氧剂与其原理142.2 碳化硅脱氧热力学过程分析142.3 碳化硅与传统硅铁和增碳剂脱氧能力的比拟152.4 碳化硅在钢水中起到的其他作用162.5 碳化硅在实际生产的使用方案162.5.1 使用根本方法与目标162.5.2 各钢种配用碳化硅的合金配比方案162.5.3 某厂碳化硅产品的试验试用过程与结论172.6 小结18第三章 实验局部193.1 金相组织与晶粒度193.2 夹杂物213.3 裂纹微观夹杂物类型233.4 分析裂纹产生

16、原因273.5 小结27第四章 微合金化与生产工艺对HRB400螺纹钢的影响分析284.1 研究方法和目的284.2 VN合金化试验试用结果284.2.1 VN合金的理化指标284.2.2 试验钢合金收得率284.2.3 试验钢化学成分和力学性能294.3 微N合金化试验试用结果314.3.1 某新钢铁工艺流程概况314.3.2 试验钢组织性能和化学成分314.4 HRB400最优的生产工艺364.4.1 细晶强化364.4.2 V-N复合微合金化364.4.3 控轧控冷工艺364.5 建议364.6 小结37第五章 结论38致 谢39参考文献40附录1 各炉合金参加情况42附录2 CAS精炼

17、站成分控制情况45附录3 各炉次实际增硅增碳统计48精彩文档第一章 文献综述1.1 螺纹钢的概述螺纹钢作为主要的建筑工业用材，被用作钢筋混凝土结构，以提高建筑结构的强度和抗变形能力，满足结构承载能力和正常使用的要求1。随着建筑行业的迅猛开展，国内外建材市场均对螺纹钢的强度提出了更高的标准。国外的建筑行业已普遍采用屈服强度为400MPa、500MPa级钢筋，在欧洲，更是广泛采用了屈服强度为500MPa和600MPa级的钢筋；国内的建筑行业也正在淘汰屈服强度为335MPa级的钢筋，采用屈服强度为400MPa级的钢筋，国标GB1499-1998增加了500MPa级钢筋2。钢筋的分级和产量分别如下表1

18、.1和1.2：表1.1 钢筋的分级屈服强度335MPa400MPa500MPa600MPa钢筋等级表1.2 2006-2014年中国钢筋产量与增长率统计表时间年度产量：万吨同比增长(%)2006年2007年2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年1.2 HRB400E螺纹钢国标1.2.1 化学成分标准HRB400E螺纹钢的化学成分要求如表1.3：表1.3 HRB400E化学成分要求(国标GB1499.2-2007)C%Si%Mn%P%S%Ceq国标内控钢中氮0.012%；碳当量Ceq(百分比)值计算公式：11.2.2 力学性能标准HRB400E螺纹钢的力学性能要求

19、如表1.4：表1.4 HRB400E力学性能要求(国标GB1499.2-2007)牌号Rel/MPaRm/MPaA/%Agt/%HRB40040054016对有较高抗震要求的结构适用牌号为在上表中已有牌号后加E。其强度和最大拉力下总伸长率的实测值还应符合如下规定：(1) 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；(2) 钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.30；(3) 钢筋的最大拉力下总伸长率不应小于9%。HRB400E螺纹钢的金相组织为铁素体+珠光体，其晶粒度不粗于9级标准。1.2.3 国外钢筋的相关标准3。EN100804、BS44495和ASTMA6156

20、等标准中规定，为满足材料机械性能要求，材质中要增加Mn合金，同时根据规格大小参加一定量的Cr。对应ASTMA7067标准，还需要参加微合金元素V以降低碳当量；对抗震要求的500E级钢筋，如此需参加较多的V，以满足延伸率的要求。表1.5 不同国家钢筋标准比照国家标准号制定年代等级Rel/MPaRm/MPaRm/RelAgt/%w(C)/%Ceq/%欧洲EN100802005B450C425-5507澳大利亚AS46712001500E500-60010新西兰NZS46712001500E500-60010英国BS44492005B500C485-650 6ASTMA615604206207-9美

21、国ASTMA615M2006755206906-7ASTMA706706420-54055010-14日本JISG31122004SD390390-5105605d171.3.1 微合金化技术HRB400螺纹钢存在着三种生产工艺即：提高钢坯的碳当量(C、Mn的质量分数)；穿水轧制；微合金化。虽然采用这三种方式均可生产出符合国家标准的HRB400螺纹钢，但提高钢坯的碳当量易使钢筋的成分偏析严重，且C、Mn的含量超标会使得钢筋塑性降低甚至产生脆断；穿水轧制所生产的HRB400螺纹钢会随着时间的推移造成强度大幅度降低，且焊接性能差。介于以上的缺点，现在的钢厂主要采用第三种工艺微合金化来生产HRB40

22、0螺纹钢。HRB400螺纹钢是在强度为335MPa的20MnSi的级螺纹钢上通过微合金化得到的。由于我国的V资源比拟丰富，且V对钢材强度和韧性的综合提升能力要优于其它合金，故我国的HRB400螺纹钢添加的微合金主要是VFe、VN合金。钒是容易固溶到钢中、又较容易从钢中析出的微合金化元素8，在加热铸坯的过程中，钒从坯料中析出与钢中的碳氮原子形成高熔点、高硬度的碳化物和氮化物，这些析出物在轧制期间一方面沉淀在奥氏体(-Fe)晶界上，阻止了奥氏体晶粒的长大，且细小的析出物还可做为相变时的非均匀形核质点，细化铁素体晶粒；另一方面这些细小弥散的析出相会在铁的晶格上阻碍位错运动，起到沉淀强化作用9。在细晶

23、强化和沉淀强化这两方面，沉淀强化占据主导地位。钒在钢中与碳、氮均能形成化合物，但结合能力氮要强于碳，即先生成VN化合物，再生成VC化合物。它们的实际生成速度和钢中N、C的浓度有关，特别是和N的浓度有关，研究明确10：V/N比例越小(即越接近理想当量比4：1)钢中V(C，N)中VN比例也越高，即VN多，VC少，强化沉淀效果也越好。在低VN钢中，大局部(高达56%)的V固溶于铁素体基体中，只有35.5%的V形成V(C，N)，钢中大量的微合金化元素并没有起到沉淀强化作用，钒的浪费比拟大。高VN钢完全相反，70%的钒析出形成V(C，N)，只有20%的V固溶于基体中。明确氮的参加改变了钒在相间的分布，促

24、进了V从固溶状态向V(C，N)中转移，从而使V起到了更好的沉淀强化作用。钢中增氮，既减小了V(C，N)颗粒尺寸，又明显增加了细小弥散V(C，N)析出相的体积分数。细小弥散V(C，N)析出相数量的增加是钢筋强度增加的主要原因。当V/N比达到理想化学配比(V/N=3.64)时，钒的析出程度最大。添加VFe微合金化的钢，V/N远高于理想化学配比，V的固溶量偏高。为了更好地发挥钒的沉淀强化作用，需要在钢中增氮。目前，添加VN合金是最有效的增N方式。有资料明确11：用VN合金化的钢析出的钒大约是VFe合金化钢的2倍。由以上讨论可知，V析出强化引起的强度增量取决于析出物的数量、粒子尺寸。大量研究明确：VN

25、钢中析出相不但数量多，而且粒子尺寸很小，这是VN钢强度提高的主要原因。在钢的各种强化形式中，细化晶粒强化是最理想的强化手段。同时，由于晶粒细化的作用，局部抵消了沉淀强化对塑、韧性的不利影响12。1.4 生产工艺HRB400钢筋生产工艺流程：铁水预处理转炉冶炼精炼连铸机轧制打捆、包装、码垛13。铁水必须经过脱硫预处理。转炉生产中采用单渣工艺冶炼，做到全程化渣，炉渣碱度控制在2.83.2之间。采用高拉补吹：控制终点目标C0.12%，P0.030%，S0.030%。脱氧剂：复合脱氧剂1.0kg/t钢，钡系0.5kg/t钢。钢水出到1/4时，参加锰铁、硅铁、VN合金，钢水出至3/4时加完。采用挡渣塞、

26、挡渣球挡渣出钢，挡好一次渣、二次渣，渣厚不大于70。出钢前应先在包底参加100kg全预熔合成渣。精炼周期为530分钟，精炼过程中，当钢包进站时，依渣厚、渣况参加石灰200500kg/炉钢进展造渣。采用硅钙钡、复合脱氧剂进展扩散脱氧。脱氧剂参加量：硅钙钡0.51kg/t钢、复合脱氧剂12kg/t钢。出站前，顶渣应尽量做到白渣或黄白渣。精炼过程渣和终渣碱度不低于2.5。顶渣化好后，停电、大流量氩气搅拌1min，取第一个样进展成分分析，根据分析结果，进展成分微调。钢水出站前，每炉喂入80m/炉硅钙线进展钙化处理，喂线之后，调整Ar流量进展软吹，软吹时间不低于6min，软吹时，要求钢包内渣面微动、钢液

27、不裸露。14。表1.6 HRB400方坯熔炼成分控制要求(%)项目CSiMnPSCeq内控标准值1.4.1 冶炼工艺流程高炉铁水氧气顶底复吹转炉钢包吹氩站小方坯连铸机检查入库。工艺要点14：1) 主要原材料与要求：硅锰合金、硅铁；铁水S0.07%。2)终点：以拉碳法冶炼为主，用“锰硅合金+硅铁合金化。3)脱氧与合金化：硅钙钡+硅铝铁。4)吹氩：采用钢包底吹氩以保证钢水成分均匀，吹氩时间不少于6min。5)连铸：全程保护浇注，拉速控制在2.83.0m/min，杜绝出现裂纹坯。1.4.2 轧制工艺流程加热炉高速线材轧机水冷箱、吐丝机散卷辊道集卷器打包机成品库房。(1)中间包钢水温度控制在15251

28、540；15。加热制度：该课题研制的HRB400螺纹钢是属于20MnSiV系列，其中V含量控制在0.025%0.045%，V与C、N原子结合生成熔点很高的钒的碳氮化合物，为了达到钢坯成分、组织均匀化的要求，必须要有相当高的加热温度，才能使V的碳氮化合物在加热时溶解至奥氏体中，使奥氏体均匀化，根据C0.25%的亚共析钢Fe-C平衡图可知，为防止过烧，最高温度应不高于1250，轧制时，为防止出现纤维组织，终轧温度应高于900；综合钢坯长度、断面积以、轧件变形抗力、加热炉的加热能力、轧制节奏等各方面因素，将加热温度制度控制在10501250之间，具体轧制过程工艺参数见表1.7。表1.7 轧制过程工艺

29、参数加热温度进精轧温度吐丝温度辊道速度风量105012508501090010开6台底吹风机，风量全开控温轧制：在控制轧制过程中，适当降低轧制温度，开轧温度由传统的11501200降至980左右，粗轧、中轧过程按常规进展轧制，中轧机组的轧后温度为1000左右，使钢坯在较低的温度下进展粗轧、中轧以细化奥氏体晶粒。控制冷却：在预精轧机组与精轧机组之间进展控制冷却，将冷却水量和压力调整到一定的X围，使钢坯冷却到850左右，在奥氏体未再结晶区进展精轧，终轧后轧件温度在980左右，再次控制冷却到900左右吐丝。晶粒细化可以使材料的强度和韧性同时得到提高，具体控冷工艺参数见表1.8。表1.8 控冷工艺参数

30、轧制规格开轧温度吐丝温度辊道速度风量8mm98090010开6台底吹风机实践明确：以这种工艺得到的钢筋晶粒度可达10级，钢筋屈服强度大于430MPa，抗拉强度大于580MPa。16。表1.9 含钒合金主要成分合金种类元素含量%VNCSPSiFeVV-N从氧化物标准生成吉布斯能图(氧势图)，可知，转炉炼钢中常见元素在16501700条件下的氧化顺序为CaAlCSiVMnFe。可见，钒是一种比拟容易被氧化的元素，而VN合金价格较高，如何提高钒的吸收率、降低VN合金参加量，是降低HRB400钢炼钢本钱的关键问题。合金料吸收率的上下直承受钢水氧化性强弱的影响。终点钢水氧含量越高，钢水氧化性越强，脱氧剂

31、和合金料氧化得越多，VN合金吸收率也就越低，反之亦然。因此，降低终点钢水氧含量是提高VN合金吸收率的重要措施。一般来说，钢水中终点氧含量主要和终点碳含量有关，同时还和钢水温度、炉渣氧化性、炉气成分等有关。一般情况下，钢中O含量主要受C含量的影响，其趋势是C含量高时O含量低，C含量低时O含量高。当C0.06%时，钢液中碳氧反响未达到平衡，其O含量受C含量控制。所以，对低合金钢而言，提高终点碳含量、降低钢水氧化性，是提高VN合金收得率、降低HRB400钢炼钢本钱的有效途径。1.5.2 减少下渣量一般情况下，炼钢厂终渣FeO含量在20%左右，氧化性较强；如果挡渣效果差，下渣量大，对钢水脱氧、合金料吸

32、收率以与钢材质量都有很大的影响。控制下渣量是提高钒铁合金(钒氮合金)吸收率的重要措施之一。为了控制出钢过程下渣，主要采取了以下措施：(1)出钢前，塞堵出钢口，防止出钢前期下渣；(2)加挡渣球时要求时机准确、方法正确，提高挡渣效果、减少出钢后期下渣。1.5.3 合金料加料顺序为了防止钒过度氧化、吸收率降低，确定了合理的合金料加料顺序：电化焦硅铝钡钙(总量的1/2)硅锰合金钒氮合金硅铝钡钙(总量的1/2)。1.6 碳化硅脱氧合金化随着FeMn、FeSi资源日益紧X，其市场价格不断地上升，使得转炉炼钢本钱逐步地提高，并且FeMn、FeSi合金的回收率受转炉操作的影响很大，转炉出钢量、终点温度、下渣量

33、使得成品钢中的碳、硅含量波动较大，导致冶炼钢种成分不稳定，内控合格率低。同时，传统的脱氧合金化工艺，合金品种多、数量大，并且增碳剂带入不少的伴生气体和夹杂，严重影响钢水质量，另外增碳剂粉尘大，作业环境差17。1.6.1 碳化硅的参加方式对于HRB400螺纹钢，出钢时将SiCaC40(kg/炉)参加钢包，钢水出至1/3时参加FeSiMn合金，同时顺钢流逐袋将SiC参加钢包内。1.6.2 碳化硅的理化指标碳化硅合金中(SiC)在70%以下时，由于其中SiO2+Si游离较高，因而对钢中气体和夹杂物含量有一定影响，并可造成个别炉次的钢中TO和夹杂量大幅升高；而(SiC)在75%以上对钢中气体和夹杂物含

34、量无明显影响。而(SiC)品位高于90%以上，在经济上不合算。另外SiC品位规格也不宜过多，否如此给工艺配料、计算与合金管理带来不便。为此提出了碳化硅合金的理化指标要求(见表1.10)。表1.10 碳化硅质量分数和粒度粒度/mmSiCSi游离C游离PSH2O82884105广钢对热轧带肋钢筋外表纵向裂纹的成因进展了综合分析，发现HRB400螺纹钢外表出现纵向裂纹是由于出现连铸钢坯的角部裂纹、皮下气泡和夹杂等低倍组织造成的。并对钢材进展检验分析，讨论了钢筋亚表层的夹杂物对钢筋纵向裂纹的影响并提出相应的改良措施18。裂纹特点：总体上钢材外表存在的裂纹以纵向为主，与轧制方向夹角应不大于45，有的锯齿

35、裂纹和轧制方向约成45角。绝大多数裂纹在钢筋横筋月牙面上出现，裂纹数目从一条至相互平行的数条不等，裂纹深度长、短不一。有的裂纹只是轻微伤与月牙，而严重的裂纹已深入到圆柱基体约1mm；有的裂纹长度只有一个月牙的宽度，连续出现，少数严重的裂纹会连续延伸至34m，见图1.1、图1.2。图1.1 32mm热轧钢筋外表裂纹图1.2 25mm热轧钢筋外表裂纹随机抽3条连铸钢坯，对其进展低倍检验，发现铸坯内部存在中心疏松、中心偏析、缩孔、角部裂纹、中间裂纹、中心裂纹、皮下气泡、非金属夹杂等缺陷(如图1.3图1.5和表1.11)。铸坯内部普遍的缺陷是中心偏析、缩孔、皮下气泡和非金属夹杂物，另有一个比拟严重是出

36、现铸坯角裂3级的缺陷。从铸坯的内部质量看，比拟典型缺陷为皮下气泡和非金属夹杂物；比拟严重的缺陷为铸坯的角部裂纹。图1.3 电炉坯碳钢图1.4 电炉坯铌钢图1.5 转炉坯C钢表1.11 连铸坯内部质量编号中心疏松中心偏析缩孔角部裂纹中间裂纹中心裂纹皮下气泡非金属夹杂1212231131222随机抽5条钢坯，经过酸洗后发现：钢坯外表都存在气孔，气孔深约12mm。其中3条钢坯气孔比拟多，在外表约0.6m的长度上出现三团气孔簇，每团可数气孔数目较多，有3039个。另外，还发现在2条钢坯上有夹杂(大小13mm8mm)，夹杂处于钢坯的角部位置。钢坯的外表出现角部裂纹最为突出，数量多、裂纹深、裂纹长，有的裂

37、纹延伸长度至1070mm。另外，还发现在铸坯外表有夹杂和夹渣被酸洗后留下的凹坑。铸坯外表质量状况见图1.6图1.8。图1.6 铸坯外表的气孔图1.7 铸坯外表角部裂纹图1.8 铸坯外表夹杂钢坯的外表质量与内部质量有着严密的联系，两者的检测结果都明确钢坯存在的主要质量问题是钢坯角部裂纹和气体导致的外表气孔和皮下气泡，另外拌有夹杂物出现。电炉坯突出的质量问题是角部裂纹，转炉坯突出的质量缺陷是外表气孔。对钢坯进展低倍检验、酸洗，发现钢坯的外表气孔、角裂和皮下气泡很严重，这是钢材外表裂纹形成的一个重要因素。在轧制过程中，钢坯的外表成片的气孔簇所在部位和局部皮下气泡被加热氧化，出现轻微脱碳现象，延伸开展

38、形成裂纹。当轧制小规格时，裂纹可能轧合，但轧制大规格时，由于受压缩比的限制，裂纹轧合的几率会大大减少。螺纹钢质量的优劣直接关系到国家经济建设的开展和人民生命财产的安全。因此螺纹钢的质量控制非常重要，除了必要的化学成分和力学性能外，对外表质量也有严格要求，要求外表不能有裂纹、结疤和折叠等缺陷19。1.8.1 外表缺陷螺纹钢外表经常会出现结疤、裂纹、折叠等缺陷。结疤通常呈舌状、块状、鱼鳞状镶嵌在钢筋的外表，其大小、厚度不一，外形形式有闭合或不闭合、与主体相连或不相连、翘起或不翘起、单个或多个成片状等20。螺纹钢外表裂纹多数与钢材外表垂直，产生裂纹的主要原因：铸坯皮下气泡、非金属夹杂物经过轧制破裂后

39、暴露、铸坯本身的裂缝、拉裂未去除20。转炉冶炼HRB400螺纹钢采用FeNb和FeV合金化，少数炉次铸坯出现少量横向裂纹。在连铸过程中，铌微合金化钢的铸坯表层弥散易析出碳氮化铌、铌与其它元素的复合相，使晶体内硬化，在先共析铁素体带晶界上出现应力集中，加速了裂纹沿晶界萌生和扩展。因此，铌微合金化钢的铸坯会有较明显的横裂纹敏感性21。折叠与螺纹钢外表呈一定斜角。一般呈直线状，也有锯齿状，通常断续出现在钢筋的外表。产生折叠的主要原因是轧制不当20。1.8.2 内部缺陷钢材内部缺陷是钢在冶炼和浇注的过程中产生的冶炼缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔等。偏析是指化学成分在钢内的分布不均匀，特别是有害元

40、素如硫、磷等在钢锭中的富集现象，非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。缩孔是因钢液在钢锭模中由外向内、自下而上凝固时体积收缩，因液面下降，最后凝固部位得不到钢液补充而形成。气孔是指氧化铁与碳作用生成的一氧化碳气体，在浇注时不能充分逸出而留在钢锭中的微小气孔。研究明确：HRB400E螺纹钢的转炉终点钢样中主要是CaO-Al2O3复合夹杂物和Al2O3夹杂，与少量硫化物。夹杂物尺寸根本在50以下。吹氩前钢样大多是MnO-SiO2复合夹杂外包裹MnS夹杂物或CaO-Al2O3-SiO2复合夹杂物，同时发现硫化物大多是聚集形态出现，成条状或球形，粒径较小。有局部MgO大型夹杂物出现。吹氩后钢样与吹

41、氩前钢样夹杂物类型相似，主要是MnO-SiO2或Al2O3-MnO-SiO2复合夹杂物。类球形的MnS夹杂大量出现，尺寸较小，在36之间，大型夹杂物为Al2O3-MnO-SiO2。中间包钢样主要是Al2O3-MnO-SiO2复杂硅酸盐，大量出现球形MnS夹杂，MgO大型夹杂物根本上浮排出。夹杂物尺寸在225之间，大多数在10以下。铸坯中主要以MnO-SiO2夹杂物为主，夹杂物数量少2223。1.8.3 纯净度钢水纯净度主要是指钢中气体含量与夹杂物的数量、形态与分布。它主要受非金属夹杂物的影响，非金属夹杂物破坏了钢的连续性和致密性，对钢的产品质量带来了极大的危害。因此减少铸坯中非金属夹杂物，使其

42、具有高的纯净度，对连铸生产至关重要。研究明确：HRB400E螺纹钢在吹氩过程中没有产生明显的吸气，铸坯TO含量在50ppm左右，夹杂物以MnO-SiO2复合夹杂物和硫化物夹杂为主，粒径根本上在10以下22。提高钢的纯净度就是降低钢中非金属夹杂物含量达到要求的水平。一方面要尽量减少外来夹杂物对钢水的污染，另一方面促进已存在于钢水中的夹杂物迅速排出，纯净钢水。提高钢水纯净度在工艺上采取的措施：l 控制好出钢时的脱氧操作；l 出钢时采用挡渣操作，防止钢包下渣；l 采用保护浇注，防止二次氧化；l 根据钢种的需要选择适宜的钢水精炼方式，均匀成分、温度、微调成分、降低钢中氧含量、去除气体和改善夹杂物性态等

43、；l 采用钢包处理或者炉外精炼新技术，使用大容量深熔池的中间包，促使夹杂物上浮；l 采用性能适宜的保护渣；l 防止钢水的二次氧化，应用优质耐火材料；l 采用浸入式水口+保护渣的保护浇注技术，实施无氧化浇注；l 应用中间包冶金技术和结晶器冶金技术；l 根据需要采取相应电磁搅拌技术。l 对钢包、中间包要清扫干净。1.8.4 冷弯断裂和反弯断裂螺纹钢筋作为最广泛的成品之一，在使用时极少出现冷弯断裂现象，但由于轧制工艺控制不当和用户的不正常使用，偶尔也会出现冷弯断裂现象。研究明确： HRB400螺纹钢的冷弯断裂是因带X力矫直导致钢材屈服消失，延伸率减小，变相减小了钢材弯曲时的弯心直径，最后出现冷弯断裂

44、现象24。HRB400螺纹钢冶炼和轧制工艺较HRB335严格，对其反弯性能要求较高，反弯性能不合格是HRB400螺纹钢的主要缺陷之一。相关研究明确：HRB400螺纹钢反弯断裂与金相组织的异常有关，金相组织的异常可直接使HRB400螺纹钢反弯试验断裂，其异常表现在针状或尖角状铁素体含量的多或少，终轧温度、轧后冷却速度不适当是造成金相组织异常的主要原因25。1.9.1 研究背景随着我国螺纹钢的快速开展，低级螺纹钢(HRB335)逐步被淘汰，中等螺纹钢(HRB400)的应用和高级螺纹钢(HRB500)的开发竞争日趋激烈。HRB400螺纹钢与HRB335螺纹钢相比具有强度高、可焊接性好、性能稳定、抗震

45、性好等优点，可节省10%15%的钢材，节约5%的钢筋资金，增加了建筑行业的安全性，有良好的社会经济效益。因此，有必要对HRB400螺纹钢生产工艺进展深入研究。1.9.2 研究目的(1)了解HRB400螺纹钢生产工艺的根本流程和冶炼要点。(2)通过HRB400螺纹钢的脱氧、合金化，确定合金的参加方法与参加量。(3)尽可能减少或消除HRB400螺纹钢缺陷，提高其质量。1.9.3 研究内容(1)对HRB400螺纹钢进展探索性试验，试验过程中根据成分性能结果，结合相关试验的检化验分析，通过不断的优化工艺与微氮合金的配方，现已实现在降低生产本钱的同时性能逐渐满足企业标准的要求。(2)通过样品的检测分析结

46、果，找出HRB400螺纹钢裂纹(冷弯断裂和反弯断裂)形成的可能因素。(3)提出HRB400螺纹钢生产工艺的优化措施并应用于现场，跟踪其效果并不断优化直至固化工艺。1.9.4 研究方法(1)微区成分分析：采用化学分析和能谱分析相结合的方法。(2)组织特征分析：采用低倍分析，观察其形貌特征。(3)显微夹杂物分析：采用金相拍照，然后对夹杂物数量与粒径分布统计，之后用扫描电镜和能谱对夹杂物组成进展分析。(4)大型夹杂物分析：采用大样电解法分析钢中夹杂物，其工艺流程主要包括电解、淘洗、复原和别离。对别离出来的夹杂物再进展粒度分级和形貌照相，然后对典型夹杂利用电子探针进展定量的成分分析。第二章 碳化硅脱氧

47、原理与其在炼钢中的应用2.1 碳化硅作为脱氧剂与其原理碳化硅在高温环境中较为活跃，且硅元素的复原性比锰元素的复原性强，会优先与钢中的氧进展反响，从而降低了钢中氧的含量，减少了应脱氧而造成的锰元素的流失。加之碳化硅与氧的亲和力大于硅铁，反响剧烈，从而使锰硅合金在钢水中得以保存，提高了硅元素和锰元素的收得率。碳化硅脱氧的化学反响式如下： (2-1) (2-2)2.2 碳化硅脱氧热力学过程分析相关脱氧反响吉布斯自由能情况如下： (2-3) (2-4) (2-5) (2-6)据此推算：(2-7) (2-8) (2-9)将上述式(2-7)、(2-8)、(2-9)中吉布斯自由能与温度T的关系绘制成图2.1

48、可见：图2.1 吉布斯自由能与温度T的关系炼钢温度在区间18732023中，其脱氧能力排序应为：碳化硅(SiC)硅(Si)碳(C)。2.3 碳化硅与传统硅铁和增碳剂脱氧能力的比拟从纯理论上讲，脱氧剂的消耗量可以由脱氧元素与其结合的氧元素原子量的比值得出。其反响式可以表示为： (2-10)由此可推，硅铁脱氧时： (2-11) (2-12)增碳剂脱氧时： (2-13) (2-14)当以2:1的比例混合硅铁和增碳剂脱氧时，单位消耗量为：(2-15)当使用碳化硅脱氧时： (2-16) (2-17)从上述列式可以看出，当以2:1的比例混合硅铁和增碳剂脱氧与碳化硅脱氧，理论上脱氧的消耗是一样。综上所述，在

49、理论上碳化硅的脱氧能力应强于硅铁和增碳剂的综合脱氧能力，但在实际生产中，因碳化硅中存在游离的二氧化硅、碳，并且碳化硅大多为粉料，参加之后钢水收得率达不到100%，所以使得脱氧能力受到一定的影响。但由于硅铁比碳化硅贵30%左右，采用碳化硅脱氧替代硅铁、增碳剂能大幅度节约脱氧本钱。2.4 碳化硅在钢水中起到的其他作用实际使用明确：碳化硅可有效的对钢水中增加硅元素，其增硅效果根本与硅铁的增硅效果相当；而碳元素的收得率如此比增碳剂的效果强很多，一般情况下，增碳剂的碳元素收得率在70%左右，碳化硅中碳元素收得率如此高达80%或以上。随着碳化硅在钢水中脱氧反响的进展，固态SiO2和气态的CO不断生成，生成

50、的CO不断的搅动钢水，从而促使固态SiO2与其其他氧化物(例如Al2O3、MnO等)混合在一起排出，对钢水在一定程度上起到净化作用。2.5 碳化硅在实际生产的使用方案2.5.1 使用根本方法与目标在某厂120吨转炉上使用，每炉参加碳化硅250，目标增C：0.08%0.10%、增Si：0.12%。HRB335/400、Q235允许使用，其它钢种禁止使用。2.5.2 各钢种配用碳化硅的合金配比方案钢种：HRB400成分控制：表2.1 成分控制C%Si%Mn%P%S%V%Ceq国标内控合金参加量与配比：表2.2 合金参加量Si-MnFe-Si碳化硅Si-Al-BaV-N参加量(kg)16002300

51、80250408030-80冶炼HRB335/400终点碳大于0.12%禁止出钢、Q235(HRB235)终点碳大于0.10%禁止出钢。2.5.3 某厂碳化硅产品的试验试用过程与结论2.5.3.1 试验试用相关根本情况试验钢种：HRB400E试验产品理化指标：表2.3 理化指标检验项目SiC%游离C%S%P%H2O%标准7227检测结果试验数量：60t试验炉性：120t转炉工艺操作要求：(1)碳化硅的参加量根据各钢种岗位操作要点进展控制。(2)碳化硅在出钢过程中参加钢包内，钢水出钢至3/4前加完。2.5.3.2 试验试用相关数据该试验共计参加74炉，各炉合金参加情况见附录13，各炉次实际增硅、

52、增碳统计见图2.2、2.3。图2.2 各炉次实际增硅量图2.3 各炉次实际增碳量经过测算，平均每炉投入碳化硅0.194t，平均每炉增硅920ppm，增碳440ppm，根本达到某公司碳化硅脱氧剂工艺要求(投入碳化硅0.195t，增硅840ppm，增碳360ppm)，能对钢水有效的增碳和增硅。2.6 小结(1)碳化硅脱氧可减少钢中锰元素的流失，提高了硅、锰元素的收得率；能对钢水有效的增碳和增硅，生成的CO起到净化钢水作用。(2)在炼钢温度X围内，碳化硅的脱氧能力最优，其次是硅，碳的脱氧能力最弱。(3)碳化硅的价格较硅铁廉价，可代替硅铁、增碳剂节约脱氧本钱。第三章 实验局部3.1 金相组织与晶粒度分

53、别对某新钢铁厂14炉HRB400螺纹钢铸坯进展金相实验，在国标GB/T 13299-1991、GB/T 6394-2002下检验，实验条件：100X倍，3%硝酸酒精腐蚀。图3.1、图3.2中，试样金相组织为铁素体+珠光体，呈枝晶状，晶粒度在9.58.5级。出现枝晶状的原因是由于固溶体合金在结晶时，溶质组元的重新分布，在固-液界面处形成溶质的浓度梯度，从而产生成分过冷的缘故。图3.1 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.2 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.3、图3.4中试样金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度在98.5级，边缘有少许大晶粒。图3.3 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.4 100X 3%硝酸

54、蚀图3.5、图3.6中试样金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度在8.58级，边缘有局部脱碳现象。这是因为边缘渗碳体(Fe3C)的数量较正常组织少，才会出现脱碳现象。图3.5 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.6 100X 3%硝酸酒精蚀图3.7、图3.8中试样金相组织为铁素体+珠光体，晶粒度在7.57级，出现了一条约0.42mm的边部裂纹。这是在结晶器内初生坯壳厚度不均匀，作用于坯壳上的应力超过钢的高温允许强度和应变时，在坯壳的薄弱处产生应力集中所致。图3.7 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.8 100X 3%硝酸酒精蚀图3.9、图3.10中试样金相组织为铁素体+珠光体+少量魏氏组织，晶粒度在98级

55、，组织呈枝晶状。魏氏组织的出现很可能是碳含量在0.2%左右所致。图3.9 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.10 100X 3%硝酸酒精蚀图3.11、图3.12中试样金相组织为铁素体+珠光体，出现中心偏析，晶粒度在98.5级，组织呈枝晶状。图3.11 100X 3%硝酸酒精腐蚀 图3.12 100X 3%硝酸酒精腐蚀图3.13、图3.14中试样金相组织为铁素体+珠光体+极少量魏氏组织，出现中心偏析，晶粒度在8.58级，组织呈枝晶状。图3.13 100X 3%硝酸酒精腐蚀 图3.14 100X 3%硝酸酒精腐蚀3.2 夹杂物对HRB400螺纹钢内部的非金属夹杂物和外表缺陷内物质进展能谱分析，由图3

56、.15可见，外表缺陷内物质主要为铁的氧化物，主要由于钢材在后期热加工过程中缺陷位置被氧化形成的；钢材内部的大块长条状夹杂物主要是硅与锰的氧化物，主要由钢中氧化物、硫化物、脱氧产物的各类氧化物和一些复杂氧化物(如锰酸盐、硅酸盐类等)夹杂物构成。ElementWeight%Atomic%CKSiKMnKFeKMatrixCorrectionZAFElementWeight%Atomic%OKMgKAlKMnKFeKMatrixCorrectionZAF图3.15 非金属夹杂从能谱检测看出，HRB400螺纹钢中夹杂物主要有氧化物、铝酸盐、硅酸盐和锰酸盐类夹杂。对钢材金相试样进展非金属夹杂物等级评定，

57、如图3.16所示，夹杂物等级为D3、DS2.5、B1.5、C2图3.16 夹杂物等级3.3 裂纹微观夹杂物类型针对某厂生产的各型号HRB400螺纹钢钢出现冷弯断裂的现象，采用显微电镜与能谱仪分别对直径20mm、25mm、32mm样本夹杂物类型进展试验分析，见表3.13.3。表3.1 直径20mm样本夹杂物类型未腐蚀视场夹杂物形貌能谱图夹杂物类型原子百分比C类硅酸盐B类氧化物C类硅酸盐表3.2 直径25mm样本夹杂物类型裂纹处腐蚀视场夹杂物形貌能谱图夹杂物类型原子百分比C类硅酸盐C类硅酸盐C类硅酸盐非裂纹处腐蚀视场B类氧化物表3.3 直径32mm样本夹杂物类型裂纹处腐蚀视场夹杂物形貌能谱图夹杂物

58、类型原子百分比B类氧化物B类氧化物C类硅酸盐非裂纹处腐蚀视场DS类单颗粒球状类3.4 分析裂纹产生原因(1) 从表3.13.3可看出，钢样中夹杂物类型主要是B类氧化物、C类硅酸盐和DS类单颗粒球状类夹杂物。(2) 对于螺纹钢冷弯开裂主要原因是裂纹处的碳偏析严重，可能存在碳在钢中溶解不均匀，如氩站补碳后，吹氩时间和强度不够等。(3) 对于32mm样本除了裂纹处碳偏析严重外，钢中氧含量偏高(钢中总体氧达到168ppm，裂纹处的氧很高)，因此降低钢中氧含量，防止碳偏析，是解决裂纹的关键。(4) 当轧制工艺控制不当时以与用户不正常使用时，也会出现冷弯断裂的现象。3.5 小结(1)HRB400螺纹钢铸坯金相组织大多为铁素体+珠光体，呈枝晶状，晶粒度在9.58级，局部出现少量魏氏组织和中心偏析，少数出现边缘脱碳、大晶粒和边部裂纹现象。(2) HRB400螺纹钢内部的非金属夹杂物主要是硅、锰的氧化物，外表缺陷内物质主要是铁的氧化物。(3) 裂纹处的碳偏析严重是HRB400螺纹钢出现冷弯开裂的主要原因，可通过降低钢中氧含量，防止碳偏析来解决裂纹问题。(4)