0 引言

HRB500E抗震钢筋因具有强度高、抗震性能好等优点，广泛应用于高层、跨度大、抗震要求高的建筑材料。通常向钢中添加V、N等微量元素进行微合金化，使其在钢中形成碳化物和氮化物以达到析出强化的目的^[1]，但在加入V、N元素进行微合金化的同时，难免会使钢水中N元素含量增加，当钢水中的N元素含量增加到一定程度时，会造成钢材因屈服强度过高而不能满足国家标准中强屈比不低于1.25的要求^[2-3]。该问题在生产HRB500E钢筋的企业较为常见，因此，有必要对HRB500E钢筋的微合金化过程开展深入的研究，以确定N元素含量较优范围，确保N元素在HRB500E钢筋中既能起到析出强化作用，又能保证钢材力学性能满足国家标准要求。

某钢铁企业生产的HRB500E抗震钢筋，主要是采用V、N微合金化铸坯热送进加热炉生产工艺，通过利用V、N合金微合金细晶强化作用及发挥碳氮化物沉淀的析出强化作用，来提高钢筋的强度，改善其力学性能^[4]。经过长期的生产实践，工艺已较为成熟且产品质量稳定，但自2021年起，由于屈服强度高导致强屈比不合格的产品占比明显增加，按每个浇次约35炉钢计，平均初检不合格炉次为3炉，不合格率约为8.6%，屈服强度最高达580 MPa，因此，稳定HRB500E产品的屈服强度以保证强屈比达到国家标准要求。

1 工艺控制 1.1 工艺路线

HRB500E钢种主要生产工艺路线为：120 t顶吹转炉→CAS精炼炉→155 mm方坯连铸→铸坯热送→加热炉→轧制。

1.2 成分控制

根据国标GB 1499.2—2018要求设计HRB500E钢种成分，HRB500E冶炼内控成分标准及国家标准GB 1499.2—2018成分控制要求如表 1所列。

在转炉出钢过程中向钢水中加入V-N合金和Nb-Fe合金，以微合金化的形式实现对终点V、Nb成分的控制，加入的V-N合金和Nb-Fe合金成分如表 2所列。

1.3 轧制参数

轧制工艺参数控制如下：加热炉均热段温度控制在1 140 ℃，时间为60~70 min，开轧温度为1 080 ~1 110 ℃，轧速为12 m/s，轧后钢材随空气冷却，无穿水工艺，上冷床温度控制在980 ℃左右。

2 强屈比不合格原因分析 2.1 成分对比

利用火花直读光谱仪，分别对强屈比不合格批次与合格批次产品进行成分分析，结果如表 3所列。由表 3可知，强屈比不合格批次产品成分与合格批次产品无较大差异，说明成分并不是导致钢材强屈比不合格的直接原因。

2.2 金相组织对比

按照GB/T 13299—1991、GB/T 10561—2005、GB/T 6394—2017标准要求，利用金相显微镜对合格批次及不合格批次产品的表层、中间层、心部各部位进行组织分析，金相组织如图 1、图 2所示。

对不同取样部位金相显微组织及夹杂物种类进行统计，结果如表 4所列。由图 2和表 4可知，强屈比不合格批次与合格批次钢筋金相显微组织在晶粒度、组织、夹杂物类别上无明显差异，故可认为产品强屈比不合格并非钢材组织异常所致。

2.3 N、H、O元素含量检测对比

对强屈比合格批次与不合格批次样品各取3个试样，采用熔融—热导法对试样做N、H、O元素含量检测，检测结果如表 5所列。由表 5可知，强屈比不合格批次试样N含量明显高于合格批次试样，所得结论与前人的研究结果一致^[5]。HRB500E屈服强度偏高的主要原因是钢中N含量偏高，N含量的增加对基体起细晶强化的作用。由于N含量增加对屈服强度和抗拉强度的增量变化不大，但有使强屈比变小的趋势^[6-7]，因此，认为造成HRB500E强屈比不合格的主要原因是试样N含量偏高。

3 控制措施 3.1 以V-Fe合金代替V-N合金

由于V-N合金中N元素含量超过16%，在出钢微合金化过程中，大量N元素随V-N合金进入到钢水中，致使钢水中N元素含量增加，从而使强屈比下降。因此，可考虑采用V-Fe合金代替部分V-N合金对钢水进行微合金化，V-Fe合金成分分析结果如表 6所列。

根据出钢量、V-N合金成分及收得率，控制V-N合金使用量，V-N合金增V量为0.053%~0.056%，采用24 kg V-Fe合金替代18 kg V-N合金给钢水增V，理论上该操作可以减少钢水中N含量约2.5×10^-5。具体合金用量及V、N元素含量如表 7所列。

3.2 优化LF炉操作

有研究表明^[8-9]，若钢水液面与渣层覆盖严密，无论空气中的N₂分压有多高，空气中的N元素都无法通过渣层进入钢水中。由此可见，钢液裸露是导致LF炉精炼过程增氮的直接原因。因此，通过改善埋弧处理及控制氩气流量均可减少钢水液面与空气的接触，另外，通过快速升温减少送电时间，缩短精炼阶段后期高温渣的存在时间，也可避免精炼工序钢水中N元素含量增加。

3.3 生产组织调整

文献[10]研究表明，LF加热过程中，石墨电极与钢渣间产生2 400~2 600 K的高温电弧，可将周围的空气电离，同时使熔池表面形成凹坑，若埋弧效果不好，凹坑处钢液面裸露，极易造成钢液中N含量增加。对此，根据铁水成分、温度条件，灵活调整转炉原料结构，保证转炉终点温度满足浇注要求，通过减少HRB500E钢筋在LF中冶炼时间，可有效降低生产过程钢水中N元素含量。

由于开炉钢水温度高，钢水中N元素溶解饱和度大，且中包开浇过程难以避免钢水与空气中N元素的接触，间接导致钢水中N元素含量增加，因此，开浇炉铸坯不采用热送，待铸坯下线冷却至室温后再组织轧制。

4 实施效果

通过采取上述措施，自2021年8月份以来，钢材初检强屈比不合格批次明显减少，2021年HRB500E钢筋初检强屈比不合格批次如图 3所示。

5 结论

1）通过对比HRB500E钢筋强屈比合格与不合格产品的化学成分、金相组织、金相夹杂物、N、H、O元素含量分析结果，发现导致HRB500E钢筋强屈服比不合格的主要原因是钢水中N含量偏高。

2）采用V-Fe合金代替部分V-N合金对钢水进行微合金化处理，控制钢水中N含量为9.0×10^-5~1.2×10^-4，既能保证钢水中有足够的N元素，使其对钢材组织起析出强化作用，又能有效避免因N含量过高而使钢筋的强屈比不合格。

3）通过对HRB500E钢种LF炉精炼、连铸保护浇铸等操作进行严格控制，可有效避免钢水在炼钢工序过程中N含量增加，稳定钢水中N含量，避免强屈服比不合格现象发生。