隨著中國進入高質(zhì)量發(fā)展時代，鋼鐵行業(yè)逐漸從擴大產(chǎn)能，發(fā)展到以追求高質(zhì)量產(chǎn)品為目標(biāo)。其中建筑用鋼筋作為國內(nèi)目前產(chǎn)量與用量最大的品種，關(guān)乎于民生大計，國家對建筑用鋼筋要求也越來越高，HRB400E鋼筋以其更高的強度、更好的抗震性以及良好的加工性與可焊性，逐漸取代HRB335成為主流的建筑用鋼[1−2]。自新國標(biāo)（GB/T 1499.2—2018）發(fā)布以來，市場對HRB400E鋼筋的金相組織、力學(xué)性能、重量偏差等均提出了更高的要求[3−4]。

在最新的鋼材控制技術(shù)研究中，晶粒超細化成為重點研究方向，如何實現(xiàn)在奧氏體低溫區(qū)通過誘導(dǎo)鐵素體相變來細化晶粒，是得到超細晶鋼的重要途徑之一[5−8]。為尋求一種適合22螺HRB400E鋼筋生產(chǎn)的工藝方案，福建三鋼集團與鋼鐵研究總院合作，從生產(chǎn)線實際情況出發(fā)，通過機理研究與現(xiàn)場生產(chǎn)實踐相結(jié)合的方式，獲得了適合22螺HRB400E鋼筋生產(chǎn)的低溫軋制工藝方案，并成功在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中應(yīng)用。該工藝在保證成品各項指標(biāo)均滿足國標(biāo)要求的前提下，通過減少合金元素的添加量，達到降低工序成本、節(jié)約社會資源的目的。

1. 控制軋制、控制冷卻工藝機理研究

1.1 工藝特點

控制軋制是通過對軋件的變形、加熱和溫度的控制，使固態(tài)相變相與熱塑性變形結(jié)合，細化微觀晶粒，得到具有良好綜合性能鋼材的過程。主要控制方式為控制軋制工藝參數(shù)，將鋼坯在奧氏體區(qū)內(nèi)進行軋制，細化鐵素體晶粒和縮小珠光體團塊尺寸，使得鋼材具有高韌性、高強度和良好的加工性能[9]。

控制冷卻主要是控制軋件的軋后冷卻速度，使鋼材的性能與組織得到改善。主要控制方式為通過控制軋制后冷卻速度，阻礙鐵素體晶粒長大、減少高溫下碳化物的析出、提高析出強化作用，得到細化的鐵素體晶粒，縮小珠光體片層間距，得到了理想的性能與組織的鋼材[10]。

1.2 工藝參數(shù)控制特點

與普通熱軋工藝不同，控制軋制與控制冷卻在實際生產(chǎn)控制中具有如下特點：

（1）加熱制度與溫度的控制。加熱制度與溫度取決于鋼材的性能要求，對于追求超細的晶粒、高韌性的鋼材，一般來說其加熱溫度控制在1000~1150 °C[11]。

（2）控制終軋道次軋制溫度。一般來說，控制終軋道次的軋制溫度在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度（Ar3）附近，有時也控制在（γ+α）兩相區(qū)內(nèi)[12−13]。

（3）要求軋件在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)變形量充足。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼要求通過多道次累積塑性變形的方式使奧氏體發(fā)生再結(jié)晶，微合金鋼要求一半以上的軋制變形量在≤950 °C時進行[14]。

（4）為得到理想的顯微組織，對于軋制后的鋼材冷卻速率、軋后快冷初溫、快冷終溫要加強控制。通常軋后冷卻速度要求第一階段要大，而第二階段則根據(jù)追求的性能不同靈活控制。

2. 生產(chǎn)試驗

2.1 生產(chǎn)線情況簡介

三鋼棒材廠一棒線為一條大規(guī)格高速棒材生產(chǎn)線，軋區(qū)共有20架軋機，采用了鋼坯無頭焊接（Endless welding rolling, EWR）技術(shù)。鋼坯自加熱爐出爐后，移動焊機把相鄰兩支鋼坯首尾焊接在一起，再經(jīng)過去毛刺機處理毛刺后，進入粗軋連軋機組進軋制，從而實現(xiàn)鋼坯無頭焊接軋制。其中粗、中、預(yù)精軋為18架短應(yīng)力軋機，呈平立交替布置，精軋機組由19#、20#兩臺懸臂輥式軋機組成。在預(yù)精軋與精軋機組間，留有約100 m的距離并設(shè)置兩組水箱，用于生產(chǎn)?18~25 mm規(guī)格鋼筋時控冷降溫及回復(fù)均溫；精軋機組后設(shè)置兩組水箱，用于軋后控制冷卻。主要產(chǎn)品為?18~40 mm HRB400E鋼筋，目前年產(chǎn)量已達106t[15−19]。

2.2 試驗材料

采用160 mm×160 mm×12000 mm的連鑄方坯作為本次試驗的試驗材料，型號為HRB400VN2，其主要成分如下表所示：

2.3 試驗方案

為保證成品能充分滿足新國標(biāo)要求，同時生產(chǎn)工藝、設(shè)備良好運行。三鋼棒材廠一棒線從實際情況出發(fā)，結(jié)合冷卻機理分析，提出了4個不同的試驗方案，試驗主旨為探究在其他條件相同的情況下，不同溫度梯度的控軋控冷工藝對HRB400E鋼筋力學(xué)性能、顯微組織等方面的影響，開軋溫度為1030±20 °C，詳細工藝數(shù)據(jù)見表2：

3. 試驗結(jié)果分析及討論

3.1 力學(xué)性能

本次試驗主要針對HRB400E鋼筋力學(xué)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)：屈服強度（ReL）、抗拉強度（Rm）、屈強比（Rm/ReL）和最大力總伸長率（Agt）進行試驗結(jié)果的統(tǒng)計及分析，詳細數(shù)據(jù)比對分析如下：

（1）屈服強度，ReL

如圖1所示，采用普通熱軋工藝的方案一有47個樣本屈服強度性能低于國標(biāo)、三鋼內(nèi)控要求，采用控軋控冷工藝的方案二、方案三、方案四屈服強度性均能達到國標(biāo)和三鋼內(nèi)控的要求，同時具有一定的富余量；在這4種方案中，方案四的性能富余量最大。

在軋制相同成分坯料的情況下，控軋控冷工藝與普通熱軋工藝相比，前者對鋼筋屈服強度性能的強化效果更優(yōu)，出現(xiàn)了隨著控軋控冷溫度降低屈服強度性能呈上升趨勢，這3個方案都能滿足生產(chǎn)要求。

（2）抗拉強度，Rm

如圖2所示，采用普通熱軋工藝的方案一抗拉強度性能整體較低，部分已接近于三鋼內(nèi)控要求，采用控軋控冷工藝的方案二、方案三、方案四抗拉強度性均能達到國標(biāo)、三鋼內(nèi)控的要求，同時富余量較大；方案四較方案三、方案二抗拉強度性能平均值有所提高。

在軋制相同成分坯料的情況下，控軋控冷工藝與普通熱軋工藝相比，前者對鋼筋抗拉強度性能的強化效果更優(yōu)，出現(xiàn)了隨著控軋控冷溫度降低抗拉強度性能呈上升趨勢，這3個方案都能滿足生產(chǎn)要求。

（3）強屈比，Rm/ReL

如圖3所示，4種方案的強屈比均滿足基本要求，且富余量充足；方案一強屈比性能平均值較其它3個方案高0.06～0.07。說明相同坯料成分條件下，普通熱軋工藝較控軋控冷工藝對于強屈比的提升作用更好，兩種工藝均能充分滿足生產(chǎn)要求。

（4）最大力總伸長率，Agt

如圖4所示，四種方案的最大力總伸長率均滿足基本要求，但采用普通熱軋工藝的方案一最大力總伸長率指標(biāo)整體偏低且波動較大，部分已經(jīng)接近國標(biāo)下限；其余3種方案最大力總伸長率平均值差別不大，指標(biāo)富余量大且波動較小。說明采用相同試驗坯料的情況下，控軋控冷工藝較普通熱軋工藝對于最大力總伸長率的強化效果更好，能充分滿足生產(chǎn)要求。

從表3可以看出，方案一因屈服強度未達到國標(biāo)要求，不能滿足生產(chǎn)需求；方案二、方案三、方案四能同時滿足新國標(biāo)及三鋼的內(nèi)控要求，主要指標(biāo)抗拉強度、強屈比和最大力總伸長率的性能富余量較大，其中抗拉強度富余量相對較小。因而要執(zhí)行控軋控冷工藝，抗拉強度是鋼筋的HRB400E力學(xué)性能指標(biāo)的最重要因素。4種方案對各重要性能指標(biāo)的影響具體如下表所示。

通過表4可以得出，4個方案對鋼筋的HRB400E各項重要力學(xué)性能的影響效果不同，控軋控冷工藝與普通熱軋工藝相比，均較好地提升了抗拉強度、強屈比和最大力總伸長率3項關(guān)鍵性能指標(biāo)，隨著溫度降低，對力學(xué)性能最主要的制約因素屈服強度的提升呈現(xiàn)出上升效果，后3種試驗方案能滿足實際生產(chǎn)需求。

其中方案四各項性能指標(biāo)富余量最大，方案二、方案三各項性能指標(biāo)差距不大，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備運行情況，方案二實施后工藝、設(shè)備運行平穩(wěn)，而方案三、方案四在實際生產(chǎn)過程中因軋機載荷過大，易造成工藝、設(shè)備故障率偏高；在滿足生產(chǎn)需求的前提下，最終選擇了設(shè)備運行最為穩(wěn)定的方案二。

3.2 金相組織

4種方案各工藝取樣1支，共4支；經(jīng)4%體積分數(shù)的硝酸–酒精溶液浸蝕后，進行金相檢測和及掃描電鏡分析。

（1）高倍金相檢測分析

從圖5~8及表5可以看出，4種方案邊部及1/4處組織均為鐵素體+珠光體，滿足新國標(biāo)要求，但綜合考慮珠光體含量、及晶粒度級別，從最好到最差排序為方案四＞方案三＞方案二＞方案一，和ReL、Rm性能有較強的對應(yīng)性。

（2）電鏡掃描結(jié)果

從圖9～12及表6可以得出：①控軋控冷工藝與普通熱軋工藝相比較，珠光體片層間距得到了明顯的細化，且珠光體團塊尺寸由25縮小至10 μm。②控軋控冷工藝下，珠光體片層間距隨著溫度降低逐漸減??；③同支試樣出現(xiàn)了從邊部到心部片層間距逐漸變粗的現(xiàn)象。

4. 結(jié)束語

（1）普通熱軋工藝和控軋控冷工藝鋼筋邊部及1/4處的組織均為鐵素體+珠光體，能滿足新國標(biāo)對于鋼筋金相組織的要求；控軋控冷工藝能夠有效地使珠光體含量得到提高，珠光體團塊尺寸大大縮小，細化了珠光體片層間距，整體提升了鋼筋的綜合性能。

（2）在相同的坯料成分條件下，控軋控冷工藝對于屈服強度、抗拉強度、最大力總伸長率3項鋼筋關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)提升效果良好，且整體優(yōu)于普通熱軋工藝，其中最關(guān)鍵的屈服強度指標(biāo)富余量充足。

（3）在相同的坯料下，隨著控軋控冷溫度降低，鋼筋珠光體含量提高、珠光體片層間距變細，屈服強度、抗拉強度兩項關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)呈上升趨勢。

（4）在生產(chǎn)工藝選擇中，當(dāng)控軋控冷溫度為950~970 °C時，屈服強度、抗拉強度、強屈比、Agt等各項性能指標(biāo)能充分滿足新國標(biāo)及三鋼內(nèi)控要求，工藝、設(shè)備運行穩(wěn)定，成為22螺HRB400E生產(chǎn)的最優(yōu)方案。

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文章來源——金屬世界