22 螺HRB400E 控軋控冷工藝研究

供稿|林華春

內(nèi)容導(dǎo)讀

本文對(duì)22 螺HRB400E 控扎控冷工藝進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，得到了成分–工藝–組織–性能的關(guān)系。研究結(jié)果表明，控軋控冷工藝的應(yīng)用使得鋼筋顯微組織細(xì)化強(qiáng)化、珠光體相變強(qiáng)化，達(dá)到了降低生產(chǎn)成本、提高力學(xué)性能的作用，其成品綜合性能較好，能充分滿足生產(chǎn)需要。

隨著中國(guó)進(jìn)入高質(zhì)量發(fā)展時(shí)代，鋼鐵行業(yè)逐漸從擴(kuò)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(guó)內(nèi)目前產(chǎn)量與用量最大的品種，關(guān)乎于民生大計(jì)，國(guó)家對(duì)建筑用鋼筋要求也越來越高，HRB400E 鋼筋以其更高的強(qiáng)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(guó) 標(biāo)（GB/T 1499.2—2018）發(fā)布以來，市場(chǎng)對(duì)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(xì)化成為重點(diǎn)研究方向，如何實(shí)現(xiàn)在奧氏體低溫區(qū)通過誘導(dǎo)鐵素體相變來細(xì)化晶粒，是得到超細(xì)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(tuán)與鋼鐵研究總院合作，從生產(chǎn)線實(shí)際情況出發(fā)，通過機(jī)理研究與現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)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(xiàng)指標(biāo)均滿足國(guó)標(biāo)要求的前提下，通過減少合金元素的添加量，達(dá)到降低工序成本、節(jié)約社會(huì)資源的目的。

控制軋制、控制冷卻工藝機(jī)理研究

工藝特點(diǎn)

控制軋制是通過對(duì)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(xì)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(jìn)行軋制，細(xì)化鐵素體晶粒和縮小珠光體團(tuán)塊尺寸，使得鋼材具有高韌性、高強(qiáng)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(zhǎng)大、減少高溫下碳化物的析出、提高析出強(qiáng)化作用，得到細(xì)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]。

工藝參數(shù)控制特點(diǎn)

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

（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(duì)于追求超細(xì)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(shí)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(shí)進(jìn)行[14]。

（4）為得到理想的顯微組織，對(duì)于軋制后的鋼材冷卻速率、軋后快冷初溫、快冷終溫要加強(qiáng)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。

生產(chǎn)試驗(yàn)

生產(chǎn)線情況簡(jiǎn)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(jī)，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(dòng)焊機(jī)把相鄰兩支鋼坯首尾焊接在一起，再經(jīng)過去毛刺機(jī)處理毛刺后，進(jìn)入粗軋連軋機(jī)組進(jìn)軋制，從而實(shí)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(jī)，呈平立交替布置，精軋機(jī)組由19#、20#兩臺(tái)懸臂輥式軋機(jī)組成。在預(yù)精軋與精軋機(jī)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(shí)控冷降溫及回復(fù)均溫；精軋機(jī)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(dá)106t[15?19]。

試驗(yàn)材料

采用160 mm×160 mm×12000 mm 的連鑄方坯作為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)材料，型號(hào)為HRB400VN2，其主要成分如下表所示：

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

試驗(yàn)方案

為保證成品能充分滿足新國(guó)標(biāo)要求，同時(shí)生產(chǎn)工藝、設(shè)備良好運(yùn)行。三鋼棒材廠一棒線從實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合冷卻機(jī)理分析，提出了4 個(gè)不同的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)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(duì)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(xì)工藝數(shù)據(jù)見表2：

表2 4 種方案的工藝參數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

力學(xué)性能

本次試驗(yàn)主要針對(duì)HRB400E 鋼筋力學(xué)性能的關(guān)鍵性指標(biāo)：屈服強(qiáng)度（ReL）、抗拉強(qiáng)度（Rm）、屈強(qiáng)比（Rm/ReL）和最大力總伸長(zhǎng)率（Agt）進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)及分析，詳細(xì)數(shù)據(jù)比對(duì)分析如下：

（1）屈服強(qiáng)度，ReL

如圖1 所示，采用普通熱軋工藝的方案一有47 個(gè)樣本屈服強(qiáng)度性能低于國(guó)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(qiáng)度性均能達(dá)到國(guó)標(biāo)和三鋼內(nèi)控的要求，同時(shí)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。

圖1 不同冷卻工藝對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

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(duì)鋼筋屈服強(qiáng)度性能的強(qiáng)化效果更優(yōu)，出現(xiàn)了隨著控軋控冷溫度降低屈服強(qiáng)度性能呈上升趨勢(shì)，這3 個(gè)方案都能滿足生產(chǎn)要求。

（2）抗拉強(qiáng)度，Rm

如圖2 所示，采用普通熱軋工藝的方案一抗拉強(qiáng)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(qiáng)度性均能達(dá)到國(guó)標(biāo)、三鋼內(nèi)控的要求，同時(shí)富余量較大；方案四較方案三、方案二抗拉強(qiáng)度性能平均值有所提高。

圖2 不同冷卻工藝對(duì)屈服強(qiáng)度的影響

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(duì)鋼筋抗拉強(qiáng)度性能的強(qiáng)化效果更優(yōu)，出現(xiàn)了隨著控軋控冷溫度降低抗拉強(qiáng)度性能呈上升趨勢(shì)，這3 個(gè)方案都能滿足生產(chǎn)要求。

（3）強(qiáng)屈比，Rm/ReL

如圖3 所示，4 種方案的強(qiáng)屈比均滿足基本要求，且富余量充足；方案一強(qiáng)屈比性能平均值較其它3 個(gè)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(duì)于強(qiáng)屈比的提升作用更好，兩種工藝均能充分滿足生產(chǎn)要求。

圖3 不同冷卻工藝對(duì)強(qiáng)屈比的影響

（4）最大力總伸長(zhǎng)率，Agt

如圖4 所示，四種方案的最大力總伸長(zhǎng)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(zhǎng)率指標(biāo)整體偏低且波動(dòng)較大，部分已經(jīng)接近國(guó)標(biāo)下限；其余3 種方案最大力總伸長(zhǎng)率平均值差別不大，指標(biāo)富余量大且波動(dòng)較小。說明采用相同試驗(yàn)坯料的情況下，控軋控冷工藝較普通熱軋工藝對(duì)于最大力總伸長(zhǎng)率的強(qiáng)化效果更好，能充分滿足生產(chǎn)要求。

圖4 不同冷卻工藝對(duì)最大力總伸長(zhǎng)率的影響

從表3 可以看出，方案一因屈服強(qiáng)度未達(dá)到國(guó)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(shí)滿足新國(guó)標(biāo)及三鋼的內(nèi)控要求，主要指標(biāo)抗拉強(qiáng)度、強(qiáng)屈比和最大力總伸長(zhǎng)率的性能富余量較大，其中抗拉強(qiáng)度富余量相對(duì)較小。因而要執(zhí)行控軋控冷工藝，抗拉強(qiáng)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(duì)各重要性能指標(biāo)的影響具體如下表所示。

表3 關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)

通過表4 可以得出，4 個(gè)方案對(duì)鋼筋的HRB400E各項(xiàng)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(qiáng)度、強(qiáng)屈比和最大力總伸長(zhǎng)率3 項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)，隨著溫度降低，對(duì)力學(xué)性能最主要的制約因素屈服強(qiáng)度的提升呈現(xiàn)出上升效果，后3 種試驗(yàn)方案能滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。

表4 四種方案對(duì)各重要性能指標(biāo)匯總

其中方案四各項(xiàng)性能指標(biāo)富余量最大，方案二、方案三各項(xiàng)性能指標(biāo)差距不大，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況，方案二實(shí)施后工藝、設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，而方案三、方案四在實(shí)際生產(chǎn)過程中因軋機(jī)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(yùn)行最為穩(wěn)定的方案二。

金相組織

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

（1）高倍金相檢測(cè)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(guó)標(biāo)要求，但綜合考慮珠光體含量、及晶粒度級(jí)別，從最好到最差排序?yàn)榉桨杆模痉桨溉痉桨付痉桨敢唬蚏eL、Rm性能有較強(qiáng)的對(duì)應(yīng)性。

圖5 方案一高倍組織：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部

圖6 方案二高倍組織：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部

圖7 方案三高倍組織：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部

圖8 方案四高倍組織：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部

表5 各方案金相結(jié)果匯總

（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(xì)化，且珠光體團(tuán)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?。虎弁г嚇映霈F(xiàn)了從邊部到心部片層間距逐漸變粗的現(xiàn)象。

圖9 方案一電鏡掃描結(jié)果：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部；

圖10 方案二電鏡掃描結(jié)果：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部；

圖11 方案三電鏡掃描結(jié)果：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部；

圖12 方案四電鏡掃描結(jié)果：（a）邊部；（b）1/4 處；（c）心部；

表6 不同工藝下下珠光體片層間距和團(tuán)塊尺寸

結(jié)束語(yǔ)

（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(guó)標(biāo)對(duì)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(tuán)塊尺寸大大縮小，細(xì)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(duì)于屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、最大力總伸長(zhǎng)率3 項(xiàng)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(qiáng)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(xì)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度兩項(xiàng)關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)呈上升趨勢(shì)。

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