細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋的軋制工藝及優(yōu)化實(shí)踐

翟 林

（陜鋼集團(tuán)漢中鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西 漢中 724200）

根據(jù)當(dāng)代材料領(lǐng)域的共同認(rèn)識(shí)，要想同時(shí)大幅度提高鋼鐵材料的強(qiáng)度和韌性，最好的方法是細(xì)化晶粒，該工藝可大幅度減少合金用量、降低坯料成本，提高鋼筋強(qiáng)度、韌性和綜合性能。

漢鋼公司單高線于2013年1月份投產(chǎn)至今，先后生產(chǎn)了 HRB400E、HPB300、60#、65#、70#、65Mn、77B、82B、Ф5.5ER50-6等。在鋼鐵行業(yè)“嚴(yán)冬”時(shí)期，為進(jìn)一步降本增效，公司不斷研發(fā)新產(chǎn)品，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，改進(jìn)生產(chǎn)工藝和設(shè)備，采用強(qiáng)化工藝技術(shù)的路線提高現(xiàn)有鋼種綜合性能。通過不斷的生產(chǎn)試驗(yàn)摸索，漢鋼公司單高線控軋控冷工藝軋制Ф6、Ф8、Ф10、Ф12HRB400E細(xì)晶粒熱軋帶肋鋼筋獲得成功，為公司在嚴(yán)峻的生產(chǎn)經(jīng)營形勢(shì)下深挖市場(chǎng)潛力、降本增效及更好地開拓市場(chǎng)創(chuàng)造了有利條件。

1 裝備概況及工藝設(shè)計(jì)

1.1 單高線主要裝備概況

（1）加熱爐。側(cè)裝側(cè)出蓄熱步進(jìn)梁式，燃料為高爐混合煤氣，額定加熱能力為冷坯120t/h，熱坯150t/h。具有生產(chǎn)操作靈活，鋼坯加熱溫度均勻，氧化燒損少和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

（2）軋機(jī)。單高線軋線軋機(jī)共分5個(gè)機(jī)組，粗軋6架、中軋6架、預(yù)精軋6架、精軋8架，減定徑4架，共30個(gè)機(jī)架組成。1H～14V采用平立交替布置的短應(yīng)力線軋機(jī)，15H～18V采用平立交替布置的4架懸臂式軋機(jī)，精軋和減定徑機(jī)組均為V型頂交45°懸臂輥環(huán)軋機(jī)，最高保證軋制速度為112m/s，可實(shí)現(xiàn)低溫高速控溫軋制。

（3）冷卻水箱。4組8個(gè)冷卻水箱，湍流式水噴嘴冷卻，可實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。

（4）風(fēng)冷輥道。裝有“凹蚜”楸系統(tǒng)的斯太爾摩風(fēng)冷輥道，共14臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)。

1.2 工藝流程

合格鋼坯加熱→高壓水除磷→粗軋機(jī)組軋制→1#飛剪切頭→中軋機(jī)組軋制→2#飛剪切頭、尾→預(yù)精軋機(jī)組軋制→精軋前水冷→3#飛剪切頭→精軋機(jī)組軋制→水冷→減定徑機(jī)組軋制→減定徑后水冷→線材測(cè)徑→夾送、吐絲→散卷控制冷卻→集卷→掛卷→C型鉤運(yùn)送→檢查、修剪、取樣→打包→稱重掛標(biāo)牌→卸卷→入庫。

2 軋制細(xì)晶粒鋼關(guān)鍵工藝控制

2.1 控軋控冷原理

實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的細(xì)晶方法是控軋控冷工藝，控制軋制是指在控制加熱溫度、軋制溫度、變形制度等工藝參數(shù)，通過細(xì)化奧氏體晶粒來提高熱軋鋼材的強(qiáng)度、韌性等綜合性能的一種軋制方法；控制冷卻是熱軋生產(chǎn)中通過控制鋼材軋后冷卻速度來控制組織相變、碳化物析出、相變后鋼材的組織性能，從而達(dá)到產(chǎn)品所要求的組織及組織性能的均勻性以及減少產(chǎn)品內(nèi)部的有害組織，進(jìn)而得到所要求的組織結(jié)構(gòu)[1]。采用控制軋制和控制冷卻技術(shù)相結(jié)合，降低軋制溫度，在線控冷，得到細(xì)晶，提高鋼材的屈服強(qiáng)度及韌性，充分挖掘鋼材潛力，并能夠極大程度改善鋼材性能，降低合金元素含量和碳含量，節(jié)約貴重的合金元素，簡化熱處理工藝，降低生產(chǎn)成本等。

漢鋼公司軋鋼工序采用的生產(chǎn)工藝方案為：粗軋?jiān)趭W氏體再結(jié)晶區(qū)軋制，中軋?jiān)趭W氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，精軋?jiān)趭W氏體和鐵素體兩相區(qū)軋制，并利用軋后快速冷卻細(xì)化晶粒。

HRB400E細(xì)晶粒鋼筋理想的金相組織主要為鐵素體+珠光體，為有效控制奧氏體晶粒度獲得良好的金相組織，使細(xì)晶奧氏體在較低溫度下轉(zhuǎn)變分解得到鐵素體+珠光體組織，生產(chǎn)過程中溫度控制主要是采用低溫開軋，控制入精軋溫度，并在精軋機(jī)架與減定徑機(jī)架間及減定徑機(jī)架后通過穿水冷卻，控制各區(qū)域軋制溫度，適當(dāng)降低吐絲溫度，從而控制產(chǎn)品性能。具體的溫度控制如下：

加熱爐均熱段溫度1050±10℃；

開軋溫度950±10℃；

進(jìn)精軋前溫度＜880℃；

進(jìn)減定徑前溫度＜820℃；

吐絲溫度750℃～800℃。

2.2 控軋控冷工藝實(shí)踐

細(xì)晶粒鋼軋制生產(chǎn)的關(guān)鍵在于低溫軋制和低溫快速冷卻，結(jié)合再結(jié)晶、未再結(jié)晶和形變誘導(dǎo)相變機(jī)制的低溫開軋、低溫終軋。因此適當(dāng)控制鋼坯的加熱溫度，使其原始奧氏體晶粒均勻細(xì)小，為軋后通過控冷進(jìn)行相變，得到理想的組織結(jié)構(gòu)提供良好的條件[2]。

為確保得到良好均勻的鐵素體+珠光體金相組織，在控制吐絲溫度的同時(shí)，控制風(fēng)冷輥道的速度及風(fēng)機(jī)開啟，部分加蓋保溫罩。這樣，產(chǎn)品最終不僅能得到良好的綜合性能，而且由于其均勻的冷卻工藝，使得鋼筋的通條性能得到了穩(wěn)定。

（1）風(fēng)冷輥道速度。各段具體速度如表1。

表1 輥道速度設(shè)定

（2）風(fēng)冷線風(fēng)機(jī)開啟。風(fēng)機(jī)開口度分別為1#～2#：70%；3#～4#：60%，軋制時(shí)視終冷溫度再進(jìn)行調(diào)整。終冷溫度按580℃～620℃進(jìn)行控制，試驗(yàn)過程中嘗試終冷溫度控制在620℃、600℃、580℃分別試驗(yàn)，根據(jù)試樣檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。

表2 冶煉成分對(duì)比

表3 力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)表

（3）保溫罩使用：風(fēng)冷后間隔兩段輥道后蓋保溫罩。

3 工藝優(yōu)化及問題解決

試軋過程中出現(xiàn)強(qiáng)度偏高、性能不穩(wěn)定及屈服不明顯、組織異常等多種問題，通過分析、不斷調(diào)整工藝參數(shù)及合理的化學(xué)成分控制，總結(jié)出能夠使低合金鋼晶粒細(xì)化并改善其組織和性能的軋制條件，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)出HRB400E細(xì)晶粒鋼筋的最佳工藝參數(shù)匹配，最終將所軋鋼種HRB400E成分中釩的合金量降到0.012%，同時(shí)保證鋼材規(guī)定的尺寸及性能要求，批量生產(chǎn)出了晶粒組織均勻細(xì)化，性能良好的產(chǎn)品。

3.1 屈服強(qiáng)度低，且部分批次拉伸曲線出現(xiàn)屈服平臺(tái)不明顯現(xiàn)象

針對(duì)試軋過程性能較低、屈服平臺(tái)不明顯的問題。金相組織中出現(xiàn)了粒狀貝氏體，而粒狀貝氏體是由于風(fēng)冷速度過快、終冷溫度過低造成的。因此，要想避免粒狀貝氏體產(chǎn)生，就必須提高終冷溫度，讓鋼材在Bs溫度以上，完成等溫轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生屈氏體、索氏體等晶粒較細(xì)的組織。通過現(xiàn)場(chǎng)不斷對(duì)風(fēng)冷輥道速度與風(fēng)機(jī)開口度大小的不斷調(diào)整、試驗(yàn)，試樣出現(xiàn)明顯屈服平臺(tái)。

3.2 晶粒粗大

分析原因認(rèn)為是軋后晶粒長大的結(jié)果，因?yàn)槔鋮s速度影響著γ-＞α的相變過程及相變后鐵素體晶粒長大過程。進(jìn)行調(diào)整工藝，中軋后采用穿水冷卻裝置，使軋件進(jìn)入精軋機(jī)的溫度控制在臨界相變點(diǎn)Ar3～Ar3之間，誘發(fā)了鐵素體相變，使晶粒細(xì)化。精軋后采用穿水冷卻裝置，精確控制相變溫度，阻止晶粒長大，確保轉(zhuǎn)變組織為細(xì)晶粒鐵素體+珠光體。經(jīng)過調(diào)整后的試樣金相組織顯示晶粒較細(xì)小。因此試驗(yàn)結(jié)果表明軋后控冷工序是必需的，第一可以抑制晶粒的長大，保持細(xì)晶效果；第二可以降低奧氏體向鐵素體的相變點(diǎn)，使相變驅(qū)動(dòng)力增大，增加鐵素體的形核數(shù)量，達(dá)到細(xì)化晶粒的作用；第三可以保持一部分加工硬化狀態(tài)，抑制恢復(fù)過程，從而提高強(qiáng)度。試樣檢驗(yàn)結(jié)果表明，在采用一系列控軋控冷措施以后,鋼筋晶粒明顯細(xì)化，力學(xué)性能得到明顯提高。

3.3 金相組織不均勻

分析原因認(rèn)為是軋后控制冷卻風(fēng)量不均勻，通過不斷總結(jié)調(diào)整風(fēng)冷輥道速度、風(fēng)機(jī)開啟情況及佳靈裝置參數(shù)，合理地控制鋼筋在風(fēng)冷輥道上的圈距大小、受冷卻位置及相變轉(zhuǎn)變溫度，使得強(qiáng)度提高、組織均勻。

4 檢化驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 冶煉成分對(duì)比

HRB400E熱軋帶肋鋼筋，以綜合性能滿足GB 1499.2-2007《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》為前題、生產(chǎn)成本最低為原則，進(jìn)行成分設(shè)計(jì)與控制。成分控制見表2。

4.2 力學(xué)性能

通過力學(xué)性能平均值比較可以得出，細(xì)晶軋制鋼材綜合性能有提升，詳見表3。

通過細(xì)晶軋制試驗(yàn)，在保證性能合格的前提下，通過優(yōu)化細(xì)晶軋制工藝，進(jìn)一步降低了合金成分，降低了生產(chǎn)成本。

4.3 金相組織

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，鋼筋的金相組織為珠光體+鐵素體，組織均勻。如圖1、圖2所示。

圖1 HRB400E金相結(jié)果X100

圖2 HRB400E金相結(jié)果X500

通過采用放大500X后，在顯微組織中測(cè)量晶粒的平均直徑來評(píng)定顯微晶粒度。測(cè)得平均晶粒直徑為9.0μm，顯微晶粒度等級(jí)為10.5級(jí)。

5 總結(jié)

經(jīng)過試軋，摸索出了細(xì)晶粒鋼筋的生產(chǎn)工藝，并實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)。所軋制的HRB400E細(xì)晶粒鋼筋實(shí)測(cè)抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長率、最大壓力下總伸長率等各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合國標(biāo)要求，具有良好的性能。高倍組織檢驗(yàn)得出組織細(xì)小均勻，主要為鐵素體+珠光體，平均晶粒直徑為9.0μm，顯微晶粒度等級(jí)為10.5級(jí)。漢鋼公司HRB400E細(xì)晶粒鋼筋的軋制成功，為今后走新型資源節(jié)約型鋼筋開發(fā)的道路找到了一條新路。