預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棒用30MnSi 熱軋盤條生產(chǎn)工藝優(yōu)化

黃 鵬，樊寶華，王 興，成澤強(qiáng)，陳宗樂，王 坤，張俊璐

（陜鋼集團(tuán)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，陜西 漢中 723000）

0 引言

PC 鋼棒因其具有高強(qiáng)度韌性、低松弛性、與混泥土握裹力強(qiáng)、良好的可焊接性、墩鍛性、節(jié)省材料等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)已被廣泛應(yīng)用于高強(qiáng)的預(yù)應(yīng)力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預(yù)應(yīng)力構(gòu)件中[1]。

目前，最常見的產(chǎn)品為30MnSi 熱軋盤條，主要用于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，作為建筑用鋼，自陜鋼集團(tuán)成功研發(fā)并打入市場(chǎng)以來，一直著力于持續(xù)提升產(chǎn)品性能，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量。在近期生產(chǎn)過程中，針對(duì)夏季高溫天氣，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，對(duì)比工藝性能，最終得到性能穩(wěn)定、晶粒細(xì)小的30MnSi 盤條。本文主要針對(duì)30MnSi 在夏季高溫天氣情況下生產(chǎn)時(shí)的工藝優(yōu)化措施進(jìn)行論述。

1 生產(chǎn)工藝設(shè)備介紹

1.1 煉鋼

陜鋼集團(tuán)煉鋼設(shè)備有1 座900 t 混鐵爐、2 座120 t 頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐、1 座雙工位精煉爐、2 臺(tái)R10 m八機(jī)八流165 mm×165 mm 方坯連鑄機(jī)。連鑄過程采用保護(hù)澆注技術(shù)，并配置液面自動(dòng)控制系統(tǒng)、結(jié)晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌等裝備。

1.2 2 號(hào)高線

2 號(hào)高線的年設(shè)計(jì)產(chǎn)能為60 萬t，配有1 座步進(jìn)梁式雙蓄熱小方坯加熱爐，粗軋前配置高壓水除鱗。全線共30 架軋機(jī)，可控制鋼材尺寸精度在±0.1 mm以內(nèi)。全線共設(shè)置水冷箱8 個(gè)（長(zhǎng)6 m），風(fēng)冷線為斯太爾摩冷卻線，全線長(zhǎng)103 m，共14 臺(tái)風(fēng)機(jī)，可生產(chǎn)Φ5.0～Φ22 mm 的光面線材及Φ6.0～Φ16 mm 的螺紋線材。

2 成分控制

在化學(xué)成分控制上，按照GB/T 24587—2009《預(yù)應(yīng)力混凝土鋼棒用熱軋盤條》要求，結(jié)合對(duì)標(biāo)同類，最終制定了30MnSi 化學(xué)成分要求，30MnSi 盤條的具體化學(xué)成分如表1 所示。

表1 30MnSi 盤條的化學(xué)成分

3 生產(chǎn)工藝流程

3.1 生產(chǎn)工藝流程

本次30MnSi 盤條的生產(chǎn)工藝流程主要為：轉(zhuǎn)爐→LF 爐精煉→八機(jī)八流連鑄機(jī)→連續(xù)式加熱爐加熱→軋制→斯太爾摩風(fēng)冷線→收集→打包→稱重→檢驗(yàn)入庫(kù)。

3.2 冶煉工藝

冶煉過程包括造渣過程和純凈化過程，鋼液中的夾雜物直接影響了鋼液的純凈度，進(jìn)而影響了鋼的綜合性能，因此在煉鋼過程中要提高耐火材料的質(zhì)量，防止夾雜物侵入鋼液，連鑄過程中要穩(wěn)定中間包液面，防止大包下渣，結(jié)晶器卷渣，確保鋼的純凈度[2]。

3.2.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

為保證裝入量穩(wěn)定，裝入量中鐵水115 t，廢鋼25～30 t。本次生產(chǎn)鐵水成分如表2 所示。

表2 30MnSi 鐵水成分

3.2.2 LF 爐精煉

轉(zhuǎn)爐鋼水到達(dá)LF 精煉爐工位后，為保證鋼包雙透氣良好，精煉前期采用高電壓、短弧操作，并控制好氬氣流量，快速成渣。LF 精煉爐平均加熱時(shí)間24 min，精煉周期50～55 min，軟吹時(shí)間18 min，保證了充分的脫氧效果及夾雜物的有效去除。本次生產(chǎn)最終鋼水成分如表3 所示。

表3 30MnSi 最終鋼水成分

3.2.3 連鑄

連鑄過程全保護(hù)澆鑄，中包溫度控制在1 530～1 539 ℃，穩(wěn)定拉速1.6～1.8 m/min，液面波動(dòng)控制在±3 mm。隨著過熱度的增加，鑄坯中心會(huì)出現(xiàn)縮孔，中心偏析級(jí)別也會(huì)增加[3]，所以將鑄坯過熱度控制在30 ℃以下。同時(shí)使用結(jié)晶器、末端電磁攪拌，保證鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。

3.3 軋鋼工藝

本次軋鋼過程，共采用兩種不同軋制方案進(jìn)行軋制，開始軋制時(shí)采用方案一進(jìn)行軋制，軋制完成后對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度為639～657 MPa，接近方案要求下限，考慮到正處于夏季高溫天氣（軋制期間處于40 ℃高溫天氣），隨即自220820482-P 批次開始直至軋制結(jié)束執(zhí)行方案二，具體工藝執(zhí)行如下：

3.3.1 加熱制度

鋼坯正常入爐，及時(shí)調(diào)整爐內(nèi)氣氛，采用低溫微正壓操作，減少鋼坯表面氧化，改善鋼材表面脫碳缺陷。兩種方案采用相同加熱制度，鋼坯在爐時(shí)間不小于2.5 h，預(yù)熱段溫度控制在910 ℃，加熱段溫度控制在1 090 ℃，均熱段溫度控制在1 100 ℃，開軋溫度控制在950 ℃。

3.3.2 軋制制度

兩方案在以下軋制參數(shù)上采用相同工藝：開軋前采用高壓水除磷，噴水嘴壓力保證在17 MPa 以上，確保除磷效果；軋制速度65 m/s；軋制規(guī)格Φ10 mm。水冷段控制情況為：長(zhǎng)流水一區(qū)一段、二區(qū)一段、二區(qū)二段，以保證冷卻效果達(dá)到預(yù)期。精軋減定徑在非再結(jié)晶區(qū)軋制，該區(qū)域內(nèi)奧氏體不再結(jié)晶長(zhǎng)大，晶內(nèi)形成大量變形帶，成為奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的形核點(diǎn)。將吐絲溫度保持在850 ℃±20 ℃，吐絲溫度的降低可以保證控冷輥道采用緩冷型，冷卻速度較慢，盤條頭尾的氫能得到及時(shí)擴(kuò)散，盤條通條性穩(wěn)定，形成大量的鐵素體和部分珠光體。具體軋制溫度控制如表4 所示。

表4 30MnSi 軋制溫度控制 單位：℃

3.3.3 冷卻制度

在延遲型斯太爾摩冷卻線上進(jìn)行軋后鋼材的控制冷卻，采用保溫緩冷工藝，兩方案風(fēng)機(jī)使用情況如表5 所示，軋制輥道速度如表6 所示。

表5 30MnSi 風(fēng)機(jī)使用要求

表6 30MnSi 軋制輥道速度 單位：m/s

4 產(chǎn)品質(zhì)量分析

4.1 化學(xué)成分

經(jīng)化學(xué)成分分析，盤條成分符合工藝設(shè)計(jì)，具體如表7 所示。

表7 30MnSi 熱軋盤條化學(xué)成分

4.2 力學(xué)性能分析

本次現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)30MnSiΦ10 mm 規(guī)格盤條，共計(jì)軋制33 批次，其中11 批次采用方案一進(jìn)行軋制，22 批次采用方案二進(jìn)行軋制。具體性能數(shù)據(jù)如表8、表9所示。通過數(shù)據(jù)對(duì)比可知，按照方案二執(zhí)行后，抗拉強(qiáng)度得到明顯提升，提升幅度在20 MPa 以上，雖然斷后伸長(zhǎng)率與斷面收縮率略有下降，但是所有數(shù)據(jù)全部符合內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)要求。

表8 執(zhí)行方案一鋼材力學(xué)性能

表9 執(zhí)行方案二鋼材力學(xué)性能

4.3 金相組織

通過對(duì)不同方案生產(chǎn)的盤條進(jìn)行顯微組織觀察發(fā)現(xiàn)，按照方案一執(zhí)行的盤條組織均勻，由鐵素體+珠光體組成，無組織異常，珠光體體積分?jǐn)?shù)在40.63%～40.91%，晶粒度為10.5 級(jí)，如圖1 所示。按照方案二執(zhí)行的盤條組織均勻，由鐵素體+珠光體組成，無組織異常，珠光體體積分?jǐn)?shù)在42.16%～43.12%，晶粒度為11.5 級(jí)，如圖2 所示。

圖1 方案一盤條顯微組織（500×）

圖2 方案二盤條顯微組織（500×）

通過對(duì)比此次生產(chǎn)30MnSi 的兩個(gè)不同方案，工藝參數(shù)的變更主要體現(xiàn)在風(fēng)機(jī)投用量以及保溫時(shí)間上，通過增加風(fēng)機(jī)投用，使吐絲后的鋼材能夠快速降溫，然后在進(jìn)行保溫緩冷，從而起到調(diào)整性能的作用。因本次生產(chǎn)期間，正處于夏季高溫環(huán)境，室外溫度最高在40 ℃，環(huán)境高溫導(dǎo)致鋼材冷卻效果達(dá)不到要求，從而使過冷度降低，導(dǎo)致珠光體轉(zhuǎn)化量減少，成核量降低，晶粒在經(jīng)過保溫緩冷，使晶粒相比較長(zhǎng)大，最終導(dǎo)致抗拉性能較低。而增加風(fēng)機(jī)后，加快盤條冷卻速度，增大過冷度，使晶體結(jié)晶成核量增多，從而使晶粒細(xì)化，最終使強(qiáng)度提升。同時(shí)溫度是影響珠光體片間距大小的一個(gè)主要因素。隨著冷卻速度的增加，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度降低，也即過冷度不斷增大，轉(zhuǎn)變所形成的珠光體的片間距不斷減小。加熱溫度低、保溫時(shí)間短，將加速珠光體的轉(zhuǎn)變，而珠光體片層間距減小，強(qiáng)度指標(biāo)上升。

5 結(jié)語

此次生產(chǎn)實(shí)踐表明，生產(chǎn)過程中應(yīng)考慮到環(huán)境變化對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軋制性能的影響，并且要通過實(shí)驗(yàn)修改工藝使產(chǎn)品最終性能能夠穩(wěn)定在要求范圍之內(nèi)。雖然本次生產(chǎn)通過新方案的使用提高了材料抗拉強(qiáng)度，但是距離方案設(shè)定的目標(biāo)值仍有較大差距，后續(xù)還應(yīng)結(jié)合實(shí)踐，優(yōu)化方案，使產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定。