螺紋盤條生產(chǎn)工藝分析及優(yōu)化

何佳源 吳升帆

摘要：通過分析高速線材生產(chǎn)線上生產(chǎn)螺紋盤條所需要開發(fā)的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝，對在螺紋盤條生產(chǎn)中較為關(guān)鍵的控制軋制工藝、控制冷卻工藝和微合金化等對產(chǎn)品性能的影響展開闡述。通過對預(yù)設(shè)定工藝對產(chǎn)品外形尺寸、力學(xué)性能及金相組織的影響程度進(jìn)行檢測分析，對試生產(chǎn)中出現(xiàn)的縱肋控制不好，偏寬、負(fù)偏差過大，屈服強(qiáng)度不明顯等問題，提出了一系列生產(chǎn)工藝優(yōu)化策略，對成品孔型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整了成品負(fù)偏差量，增加刻肋深度，適當(dāng)提高吐絲溫度等方法，成功開發(fā)了符合新國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的小規(guī)格螺紋盤條。研究結(jié)果表明，通過生產(chǎn)工藝分析優(yōu)化，在不需要較大的新設(shè)備投資情況下利用現(xiàn)有高速線材生產(chǎn)線可生產(chǎn)小規(guī)格螺紋盤條，其具有表面質(zhì)量好、尺寸精度高、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)效率也比棒材生產(chǎn)線高。

關(guān)鍵詞：螺紋盤條;高速線材軋機(jī);控制冷卻;工藝分析

中圖分類號：TG62文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0286-03

Analysis and Optimization of Production Process of Threaded Bar He Jiayuan1，Wu Shengfan2

（1. Electrical Engineering Department， Guangdong Songshan Polytechnic College， Shaoguan， Guangdong 512126， China;2. Guangdong Taifeng Machinery Equipment Co. ， Ltd. ， Jieyang， Guangdong 522095， China）

Abstract： The production technology and production process needed to produce threaded bar in high speed wire rod production line wereanalyzed. The influence of controlling rolling process， controlling cooling process and microalloying on product performance was expounded. Through testing and analyzing the influence of pre-setting process on the shape size， mechanical properties and metallographic structure of theproduct， a series of production process optimization strategies were put forward to solve the problems in trial production， such as poor control，wide deviation， too large negative deviation and low yield strength. By optimizing the design of the hole type of the finished product， adjustingthe negative deviation of the finished product， increasing the depth of the ribbed， and raising the temperature of the thread properly， the smallspecification threaded wire rod which met the new national compulsory standard was successfully developed. The results show that theproduction process can be optimized to produce small size threaded wire rod by using the existing high speed wire rod production line withoutthe need of large investment in new equipment. It has the advantages of good surface quality， high dimensional accuracy and excellentperformance. Production efficiency is also higher than bar production line.

Key words： threaded bar; high speed wire rod mill; controlled cooling; process analysis

0 引言

螺紋盤條即熱軋帶肋鋼筋盤卷，其作為用于替代光面盤條以增加建筑設(shè)施強(qiáng)度等級的產(chǎn)品，得到越來越廣泛的應(yīng)用。依據(jù)最新國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn) GBl499. 2—2007《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》，直徑不大于12 mm的熱軋帶肋鋼筋可按盤卷交貨。由于高速線材軋機(jī)生產(chǎn)的螺紋盤條具有表面質(zhì)量好，尺寸精度高、性能優(yōu)良、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，并且在不需要進(jìn)行大的設(shè)備投資和技術(shù)改造的情況下便能生產(chǎn)螺紋盤條，故此很多國內(nèi)鋼鐵企業(yè)都在開發(fā)和優(yōu)化利用高速線材軋機(jī)生產(chǎn)螺紋盤條的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝。韶鋼作為廣東省鋼鐵龍頭企業(yè)，擁有2條全連續(xù)式現(xiàn)代化高速線材生產(chǎn)線，基本工藝流程如下：加熱爐加熱→高壓水除鱗→粗軋機(jī)組軋制→飛剪切頭（事故碎斷）→中軋機(jī)組軋制→飛剪切頭（事故碎斷）→預(yù)精軋機(jī)組軋制→中間水冷段水冷→飛剪切頭（事故碎斷）→精軋機(jī)組軋制→水冷段控制冷卻→成品機(jī)組軋制→水冷段控制水冷→測徑儀→夾送→吐絲機(jī)布線圈→散卷運(yùn)送控制風(fēng)冷→集卷→翻卷、掛卷→懸掛式冷卻運(yùn)輸線→檢查修剪和取樣→壓緊打捆→稱重掛標(biāo)牌→卸卷→入庫。

依據(jù)以上高速線材生產(chǎn)工藝，參照國內(nèi)同類型高線企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，在基本不需要進(jìn)行設(shè)備的改造，也不需要大量新設(shè)備投資的情況下，主要通過生產(chǎn)工藝的開發(fā)和優(yōu)化，就能利用高速線材生產(chǎn)線生產(chǎn)螺紋盤條。本文結(jié)合韶鋼螺紋盤條的生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝展開探討。

1 高速線材軋機(jī)生產(chǎn)螺紋盤條的技術(shù)路徑

從目前國內(nèi)生產(chǎn)實(shí)踐中可知，高速線材軋機(jī)生產(chǎn)螺紋盤條的技術(shù)路徑主要采用了兩條技術(shù)路徑：一條是微合金化。即在煉鋼過程中，加入如 V、Ti、Nb 等元素，這些微量合金元素的加入能起到沉淀強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用且提高了鋼筋的綜合機(jī)械性能。因?yàn)?V、Ti、Nb是強(qiáng)碳化物形成元素，這些碳或氮化合物在鋼的凝固期析出，形成細(xì)小的原始奧氏體晶粒，并在加熱過程中強(qiáng)烈抑制奧氏體晶粒長大[1]，從而有利于獲得細(xì)晶組織。微合金化技術(shù)路徑工藝比較成熟和穩(wěn)定，但大幅提高生產(chǎn)成本。另一條技術(shù)路徑就是控軋控冷。隨著控制軋制和控制冷卻技術(shù)的深入發(fā)展，充分發(fā)揮高速線材軋機(jī)技術(shù)裝備優(yōu)勢，通過制定合理的控軋控冷工藝可生產(chǎn)符合新國家標(biāo)準(zhǔn)的螺紋盤條。國內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)通過研究優(yōu)化成份、完善控軋控冷工藝，不通過微合金化軋制出合格的 HRB400螺紋盤條。此技術(shù)路徑生產(chǎn)的螺紋盤條外形美觀，能耗低，能降低生產(chǎn)成本，但需要強(qiáng)冷設(shè)備能力，冷卻控制不當(dāng)，易出現(xiàn)魏氏體或貝氏體，從而影響產(chǎn)品性能。

2 高速線材軋機(jī)生產(chǎn)螺紋盤條生產(chǎn)工藝分析及優(yōu)化

考慮到螺紋盤條與同規(guī)格光面盤條在生產(chǎn)工藝上的差異，在高速線材軋機(jī)上生產(chǎn)螺紋盤條，一般要從軋制參數(shù)負(fù)荷校核、微合金化、孔型設(shè)計(jì)、導(dǎo)衛(wèi)及夾送輥設(shè)計(jì)、料型控制、控制軋制工藝、控制冷卻工藝和時(shí)效作用等方面進(jìn)行生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)與優(yōu)化。

2. 1 孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化

螺紋盤條成品道次的壓下變形與光面盤條存在較大差異，為保證縱肋的產(chǎn)生，成品道次須采用過充滿軋制，同時(shí)為了確保橫肋的充滿度，成品道次須有一定的壓下量。根據(jù)上述要求，一般須對成品前孔和成品孔進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，其余道次孔型一般可以與同規(guī)格光面盤條孔型相同。螺紋孔型設(shè)計(jì)參數(shù)的主要依據(jù)是最新國家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn) GBl499. 2—2007。如下為幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的確定。

內(nèi)徑：d=d0-Δ （1）

式中：d0為公稱內(nèi)徑，mm ;Δ為允許偏差（0～0. 4 mm）。

橫肋高度：h=ηh0 （2）

式中：h0為標(biāo)準(zhǔn)橫肋高度， mm ;η為熱膨脹系數(shù)，取1. 013。

縱肋是由于軋件在軋槽內(nèi)產(chǎn)生過充滿而在輥縫處形成的，所以縱肋的寬由輥縫值決定，在設(shè)計(jì)時(shí)采用逆推法把縱肋寬的基值定為輥縫值[2]。

根據(jù)第一次試軋過程的經(jīng)驗(yàn)，外形尺寸表現(xiàn)為橫肋充滿度較好，外形尺寸基本能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，但縱肋控制不好，偏寬導(dǎo)致不夠美觀且小10. 0規(guī)格負(fù)偏差過大。為此需要對孔型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整了成品負(fù)偏差量，同時(shí)根據(jù)橫肋的充滿度情況，決定成品前孔與同規(guī)格光面盤條共用孔型，以減少在品種更換過程中的挽輥道次，優(yōu)化后的成品孔型參數(shù)如表1所示。

2. 2 料型控制及其優(yōu)化

根據(jù)第一次試軋過程的經(jīng)驗(yàn)，某些規(guī)格根據(jù)公式 h=ηh0計(jì)算出來的橫肋高度在實(shí)際生產(chǎn)過程中難以充滿，導(dǎo)致產(chǎn)品橫肋高度偏下限，需要優(yōu)化料型控制。通過調(diào)整成品負(fù)偏差量，適當(dāng)增加成品壓下量或增加刻肋深度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的料型控制數(shù)據(jù)如表2所示。

2. 3 控制軋制工藝及其優(yōu)化

控制軋制是一種通過預(yù)定的工藝程序來控制熱軋鋼筋的變形溫度、壓下量、變形道次、變形間隙和終軋后冷卻速度的軋制工藝[3]，目的是使奧氏體大量形成鐵素體相變核，從而細(xì)化鐵素體晶粒?？刂栖堉品椒ǖ闹饕锌販剀堉?、兩階段控制軋制、三階段控制軋和低溫軋制。控溫軋制是完全再結(jié)晶型的控制軋制的工藝，道次變形量不低于奧氏體再結(jié)晶的臨界變形量，全部變形要在奧氏體再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行，終軋溫度不低于奧氏體再結(jié)晶溫度的下限[3]，相變以后能得到細(xì)小的鐵素體晶粒。因鐵索體晶粒尺寸與鋼材的屈服強(qiáng)度、強(qiáng)度極限成正比，即鐵素體晶粒尺寸越細(xì)小，鋼材的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限就越高。

螺紋盤條控制軋制主要是控溫軋制，因高速線材軋機(jī)布置形式和孔型配置已定，軋制工藝也基本固定。變形制度和孔型系統(tǒng)不易改變，除成品孔和成品前孔外，不太可能改變道次變形量，但可對溫度制度進(jìn)行控制，如改變加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度等以實(shí)現(xiàn)控制軋制。依據(jù)螺紋盤條所要求得到的金相組織以及晶粒度，根據(jù)鐵碳相圖將開軋溫度定在1020～1050℃，進(jìn)入精軋溫度定在890～910℃，吐絲溫度定在960℃左右[4]。終軋溫度是相對獨(dú)立的控制變量，也是控溫軋制的關(guān)鍵工藝參數(shù)之一，終軋溫度影響自回火溫度，從而影響相變后鋼筋截面各點(diǎn)的組織狀態(tài)。一般情況下，降低終軋溫度是有利的，可使變形奧氏體的再結(jié)晶程度減小，甚至可完全抑制再結(jié)晶，不僅能降低對冷卻能力的要求，還能提高鋼筋的力學(xué)性能[5]。高速線材精軋機(jī)組都是集中傳動(dòng)，與棒材生產(chǎn)線有較大差異，而螺紋盤條成品道次為過充滿變形，導(dǎo)致成品與成品前孔道次之間張力控制較為困難，通過優(yōu)化配輥，使成品孔輥徑大于成品前孔輥徑以降低張力控制難度。

2. 4 控制冷卻工藝及其優(yōu)化

螺紋盤條軋后控制冷卻工藝決定了鋼材的最終金相組織和晶粒度大小，從而決定了鋼材的最終綜合機(jī)械性能。螺紋盤條不但要求有良好的力學(xué)性能，而且要求有良好的焊接性能，其金相組織一般要求為鐵素體加珠光體，晶粒度等級9～10級。由于螺紋盤條規(guī)格小，單位體積鋼材的熱容量也就較小。螺紋盤條吐絲后如果其冷卻速度會比較快，極易產(chǎn)生貝氏體組織[6]，其結(jié)果螺紋盤條延伸性能惡化，出現(xiàn)冷彎脆斷;如果冷卻速度過慢，過冷奧氏體發(fā)生珠光體型轉(zhuǎn)變，其強(qiáng)度不能滿足螺紋盤條的機(jī)械性能要求。因此應(yīng)選擇出現(xiàn)少量貝氏體型轉(zhuǎn)變的珠光體型轉(zhuǎn)變的冷卻速度，其強(qiáng)度和韌性最佳，使螺紋盤條具有良好的綜合性能[7]。軋后冷卻速度是控制冷卻的重要參數(shù)之一，決定螺紋盤條控冷后的組織和力學(xué)性能。冷卻速度與水溫、水流量、水壓、冷卻器結(jié)構(gòu)及螺紋盤條直徑等諸多參數(shù)有關(guān)。通過制定水冷段控制水冷，吐絲溫度以及散冷線參數(shù)，通過設(shè)定風(fēng)機(jī)風(fēng)量大小、開啟臺數(shù)，確保盤條鋼筋均勻冷卻，以降低通條性能差。根據(jù)生產(chǎn)試樣的力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度偏高，需要對控制冷卻參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，優(yōu)化后的控制冷卻參數(shù)如表3所示。鋼種為 HRB335/HRB400，軋制規(guī)格為10. 0 mm ，終軋速度為58. 6 m/s。

3 微合金化對性能的影響

在螺紋盤條生產(chǎn)中，常加入微量合金元素如 V、Ti、Nb等，其作用機(jī)理和對性能的影響前面已作論述。在開發(fā)過程中，研究對比了釩鐵和鈮鐵復(fù)合微合金化、釩氮合金微合金化對產(chǎn)品性能的影響，結(jié)果顯示釩氮合金微合金化對提高產(chǎn)品強(qiáng)度尤其是屈服強(qiáng)度更加明顯，釩鐵和鈮鐵復(fù)合微合金化對強(qiáng)度影響相對較弱。這是由于氮能改變釩在相間的分布，促進(jìn)碳氮化物的析出，也促進(jìn)釩從固溶狀態(tài)向V（c，N）析出相中轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了沉淀強(qiáng)化作用，起到析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，使釩的析出強(qiáng)化作用充分發(fā)揮出來，從而節(jié)約釩用量。在工藝操作上應(yīng)適當(dāng)增加游離氮含量，采用釩氮微合金化技術(shù)對高強(qiáng)度低合金鋼強(qiáng)度的貢獻(xiàn)度超過了70%，在降低釩含量情況下仍可獲得高強(qiáng)度螺紋盤條，從而降低了生產(chǎn)成本，也充分體現(xiàn)了釩氮微合金化在技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢。

4 時(shí)效對性能的影響

金屬材料的機(jī)械性能隨時(shí)間的延長而發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為時(shí)效，熱軋鋼筋在塑性變形過程中產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、空位等點(diǎn)陣缺陷引起點(diǎn)陣畸變，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力。熱軋鋼筋塑性變形過程中儲存的能量絕大部分（80%～90%）用于形成點(diǎn)陣畸變，使鋼筋處于熱力學(xué)不穩(wěn)定的狀態(tài)，隨時(shí)間的延長會自然恢復(fù)到熱力學(xué)自由焓最低的穩(wěn)定狀態(tài)，這是自然時(shí)效過程。而熱軋鋼筋在冷卻過程中溶質(zhì)原子C、N在固溶體中處于過飽和狀態(tài)，產(chǎn)生以壓應(yīng)力為主的殘余應(yīng)力，同時(shí)高密度位錯(cuò)能起到釘扎作用，從而提高了鋼筋的屈服強(qiáng)度。螺紋盤條終軋冷卻工藝為水冷段控制水冷加散卷運(yùn)送控制風(fēng)冷，存在一定的殘余應(yīng)力，經(jīng)過自然時(shí)效，鋼筋中的殘余應(yīng)力得以釋放，導(dǎo)致下屈服點(diǎn)下降。不同規(guī)格熱軋鋼筋的時(shí)效存在差異，小規(guī)格熱軋鋼筋自然冷卻速度相對較快，其過飽和狀態(tài)強(qiáng)一些，時(shí)效作用較明顯"。螺紋盤條作為高線生產(chǎn)的小規(guī)格鋼筋卷盤，在實(shí)際使用過程中，充分考慮時(shí)效的因素是非常必要的。通過取樣研究自然時(shí)效對螺紋盤條力學(xué)性能的影響，分別為1周、2周、40天的時(shí)效時(shí)間。從力學(xué)性能檢測結(jié)果看，強(qiáng)度總體呈下降趨勢，時(shí)效影響較明顯，但時(shí)效時(shí)間在1個(gè)月后強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

通過對高速線材軋機(jī)生產(chǎn)螺紋盤條的軋制參數(shù)負(fù)荷校核、生產(chǎn)能力的計(jì)算、微合金化、孔型設(shè)計(jì)、導(dǎo)衛(wèi)及夾送輥設(shè)計(jì)、控制軋制工藝、控制冷卻工藝、時(shí)效作用等一系列生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的研究及優(yōu)化，韶鋼高速線材廠取得了HRB335/335E、HRB400/400E、HRB500/ 500E等規(guī)格螺紋盤條國家頒發(fā)的生產(chǎn)許可證。從而也證明利用高速線材生產(chǎn)線生產(chǎn)ф6.0～Φ10mm小規(guī)格螺紋盤條是完全可行的。相較棒材生產(chǎn)線而言，在高速線材生產(chǎn)線上生產(chǎn)的小規(guī)格螺紋盤條不但具有表面質(zhì)量好，尺寸精度高、性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，而且具有更高的生產(chǎn)效率。基本上也不需要較大的新設(shè)備投資和設(shè)備改造，具有投資少、見效快的優(yōu)點(diǎn)且促進(jìn)了建材產(chǎn)品的升級換代，也有良好的社會效益。

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第一作者簡介：何佳源（1969-），男，大學(xué)本科，高級工程師，研究領(lǐng)域?yàn)榻饘賶毫庸すに嚰凹夹g(shù)經(jīng)濟(jì)分析，已發(fā)表論文3篇。

（編輯：刁少華）