高質(zhì)量長材綠色制造技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用＊

錢學(xué)海，蘭鋼

（廣西柳州鋼鐵集團有限公司，廣西柳州 545002）

0 引言

我國鋼產(chǎn)量占全球鋼產(chǎn)量的50%以上，以生產(chǎn)超細晶粒鋼降低各類合金使用為目地的控軋、控冷等綠色制造技術(shù)已在板材生產(chǎn)上大量應(yīng)用。然而，這些技術(shù)一直難以應(yīng)用于單品產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的長材產(chǎn)品熱軋鋼筋（占我國鋼產(chǎn)量的25%左右）。經(jīng)過長期發(fā)展，我國實現(xiàn)了鋼筋產(chǎn)品升級和質(zhì)量提升。但是，鋼筋質(zhì)量的提升是通過大量使用合金元素而實現(xiàn)的，即不環(huán)保也不經(jīng)濟。當(dāng)前，我國鋼筋生產(chǎn)技術(shù)單一，不利于鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。鋼筋生產(chǎn)工藝中微合金化工藝比較成熟，該工藝適用性強、易于生產(chǎn)，因此應(yīng)用廣泛。由于鋼筋產(chǎn)量大、需求面廣，V、Nb 等微合金元素在各類長材、板材高強鋼中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［1］，僅有微合金化1 種選擇，風(fēng)險巨大。2015—2018 年鋼筋新標(biāo)準(zhǔn)實施前，釩系合金鋼材需求增加，價格遭到惡意哄抬，片狀五氧化二釩價格從3 萬元/t 漲到50 萬元/t，上漲了16 倍；同期，鈮系合金的用量也大幅增加，并且有價無市，采購困難。由于關(guān)鍵原料價格暴漲，鋼材生產(chǎn)成本大幅飆升，并且價格上漲有向下游行業(yè)傳導(dǎo)造成通貨膨脹的風(fēng)險，嚴重影響國民經(jīng)濟。因此，迫切需要研發(fā)高質(zhì)量低合金消耗的鋼筋綠色制造生產(chǎn)工藝，為行業(yè)提供多種選擇，推動鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)性改革，實現(xiàn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。本文基于我國高質(zhì)量長材綠色制造技術(shù)的現(xiàn)狀，針對低溫控軋難以實現(xiàn)、高強鋼產(chǎn)品抗震性能不穩(wěn)定、強度波動大且時效性要求高等行業(yè)難題，開展物理冶金和共性關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)，旨在研發(fā)出新的生產(chǎn)技術(shù)，解決相關(guān)行業(yè)難題。

1 存在問題與研發(fā)思路

1.1 存在問題

結(jié)合文獻分析［2-6］，總結(jié)高質(zhì)量鋼筋綠色制造技術(shù)面臨的行業(yè)難題具體如下。

（1）鋼筋生產(chǎn)工藝中微合金化工藝合金用量大，控制、軋制技術(shù)難以應(yīng)用。目前，在鋼筋等長材生產(chǎn)中，由于軋制速度快，大都無法實現(xiàn)低溫控軋，主要依靠C、Si、Mn 成分體系設(shè)計，獲得“鐵素體+珠光體”組織，加入微合金元素V 或Nb，產(chǎn)生析出強化作用，從而提高鋼筋的強度。由于無法實現(xiàn)真正意義的控軋和控冷，所以加入的（微）合金元素利用率不高，造成一定的浪費。

（2）屈服強度500 MPa 及以上的高強鋼產(chǎn)品，抗震性能不穩(wěn)定，強屈比偏低。鐵基材料強度越高，其塑性越差、強屈比越低，微合金化工藝生產(chǎn)中屈服強度500 MPa及以上的高強鋼筋的該現(xiàn)象更加明顯。由于屈服強度500 MPa 及以上的高強鋼筋主要應(yīng)用于機場、高速鐵路、橋梁、水利設(shè)施、港口、高層建筑等重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，因此對抗震性能的要求尤為嚴格。

（3）產(chǎn)品時效性要求高，盤條鋼筋同圈屈服強度波動大。傳統(tǒng)“鐵素體+珠光體”組織的熱軋鋼筋的殘余應(yīng)力大、固溶的溶質(zhì)元素多，經(jīng)過自然時效后，屈服強度會降低20～30 MPa。鋼筋的出廠性能并非鋼筋服役時的實際性能，而是存在較大的偏差，由此造成鋼筋使用過程存在較大的安全隱患。盤條鋼筋由于吐絲后在斯太爾摩輥道上的盤條存在搭接點與非搭接點，導(dǎo)致冷卻不均勻，斯太爾摩輥道冷卻強度越大，冷卻不均勻現(xiàn)象越明顯，造成盤條同圈屈服強度波動過大，波動可超過80 MPa。

1.2 研發(fā)總體思路

以創(chuàng)新鋼筋等長材綠色制造技術(shù)實現(xiàn)低成本、高強抗震鋼筋使用性能穩(wěn)定為出發(fā)點，總體的研發(fā)思路與應(yīng)用框架如圖1所示。為解決長材綠色制造技術(shù)中的關(guān)鍵難題，通過微合金元素協(xié)同作用機理的創(chuàng)新，提出組織調(diào)控新思路，實現(xiàn)熱軋鋼筋強屈比等主要抗震性能指標(biāo)的提升。通過軋制工藝創(chuàng)新，開發(fā)高效軋制新技術(shù)，突破質(zhì)量穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)鋼筋系列產(chǎn)品高性能、低成本、綠色、高效的低碳生產(chǎn)，滿足我國鋼鐵工業(yè)和建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求。

圖1 研發(fā)思路與應(yīng)用框架

2 高質(zhì)量長材綠色制造技術(shù)

2.1 棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)

本研究提出基于末端未再結(jié)晶調(diào)控與過冷奧氏體相變耦合的高載荷軋制—冷卻設(shè)計，開發(fā)棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)，解決棒材生產(chǎn)無法實現(xiàn)低溫控軋的問題，產(chǎn)品組織均勻、性能穩(wěn)定，降低了各類合金的使用量。

2.1.1 高奧氏體再結(jié)晶溫度鋼種數(shù)理模型與設(shè)計

建立熱軋帶肋鋼筋成分體系與奧氏體再結(jié)晶溫度的數(shù)理模型，進行相關(guān)原理分析，在熱軋帶肋鋼筋成分體系下實現(xiàn)合金消耗量少的高奧氏體再結(jié)晶溫度的鋼種設(shè)計。基于熱軋帶肋鋼筋的成分體系要求，全面分析各元素對奧氏體再結(jié)晶溫度的影響［7］，通過高效、精準(zhǔn)地應(yīng)用微合金元素，開發(fā)出合金消耗量少的高奧氏體再結(jié)晶溫度的鋼種，為實現(xiàn)形變誘導(dǎo)高效軋制提供有利的溫度條件。

2.1.2 末端高載荷軋制—冷卻設(shè)計

面對高效生產(chǎn)的要求，基于棒材形變誘導(dǎo)狀態(tài)下高效軋制關(guān)鍵的影響因素，利用創(chuàng)新的軋機布置與冷卻設(shè)計，使軋線大部分區(qū)域處于再結(jié)晶區(qū)，提高生產(chǎn)效率、降低故障率及電耗；在軋線末端調(diào)控軋件，使軋件在未再結(jié)晶溫度區(qū)間與過冷奧氏體相變耦合；加載高載荷軋制，實現(xiàn)較低溫度下的形變誘導(dǎo)高效軋制。與常規(guī)熱軋產(chǎn)品相比，利用棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)生產(chǎn)的高強抗震鋼筋，由表及里的組織均勻性得到改善（如圖2所示），綜合抗震性能和成品質(zhì)量有所提高。

圖2 新舊技術(shù)生產(chǎn)的HRB400E鋼筋產(chǎn)品組織形貌

2.1.3 使用效果

產(chǎn)量最大的HRB400E鋼筋產(chǎn)品，每噸鋼的V、Nb等稀有合金的用量降低50%以上，合金成本下降55元/t。在生產(chǎn)效率不降低的情況下，產(chǎn)品晶粒細化，晶粒度達11 級及以上。末端未再結(jié)晶控軋與常規(guī)熱軋生產(chǎn)的HRB400E鋼筋成本對比見表1。

表1 HRB400E鋼筋成本對比

2.2 高強高韌長材制造技術(shù)

高強、高韌長材制造技術(shù)揭示了含鈮鋼筋物理冶金學(xué)過程及組織演變規(guī)律，提出基于鈮組織強化和釩析出強化的“鐵素體+珠光體”組織調(diào)控新思路，形成不同規(guī)格熱軋高強抗震鋼筋“成分設(shè)計+控軋+分級控冷工藝協(xié)同控制”的全流程控制技術(shù)，解決了500 MPa以上高強鋼筋抗震性能不穩(wěn)定的問題，使用該技術(shù)開發(fā)的高強屈比、高強抗震鋼筋，合格率提升至99%以上。

2.2.1 含鈮高強鋼筋物理冶金

通過分析鈮在熱軋高強鋼筋中的存在狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鈮從加熱到軋后的整個過程都在發(fā)揮強化作用［8］。在加熱時，常規(guī)棒材的加熱溫度無法使鈮完全固溶，未固溶的鈮以較大的析出態(tài)存在，抑制再加熱、熱軋、軋后冷卻全過程中的奧氏體晶粒長大；熱軋時固溶的部分鈮析出，略微提高了軋制變形抗力，部分仍處于固溶態(tài)；軋后的冷卻過程，相變前固溶于奧氏體中的鈮的淬透性增強，促進相變組織強化，并在相變后析出彌散強化，固溶的鈮大部分析出為鈮（C、N），少部分仍為固溶態(tài)。明確鈮在鋼筋中以固溶鈮相變強化和析出強化為主、細晶為輔的機制后，發(fā)展鈮在鋼筋中的物理冶金及強化機制，圍繞鈮的固溶析出行為，開發(fā)出適用性廣的鈮微合金化工藝，構(gòu)建鈮微合金化鋼筋設(shè)計模型。

2.2.2 鈮釩復(fù)合協(xié)同調(diào)控技術(shù)

本文基于鈮的組織強化和釩的析出強化作用，提出鈮釩復(fù)合協(xié)同調(diào)控組織的新思路。針對不同規(guī)格鋼筋切分軋制的特點進行分類控制，發(fā)明低淬透性成分、軋后分級、有限控制冷卻工藝，實現(xiàn)HRB500E 和HRB600E 鋼筋全規(guī)格工業(yè)生產(chǎn)。通過對不同微合金化500 MPa、600 MPa 級抗震鋼筋強韌化機制的定量系統(tǒng)研究及大量數(shù)據(jù)分析，得到微合金化高強抗震鋼筋主要成分的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)與屈服強度和抗拉強度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，提出“鈮釩復(fù)合+低溫控軋+軋后分級冷卻”全流程控制技術(shù)，達到調(diào)控細晶強化、析出強化和組織強化作用的目的；利用固溶鈮結(jié)合分級冷卻增加相變強化作用，改善珠光體組織，解決了500 MPa以上高強鋼筋抗震性能差、強屈比不合格的難題。采用該技術(shù)，可開發(fā)出10～40 mm 規(guī)格強屈比Rm/ReL大于1.28的HRB500E熱軋帶肋鋼筋。

2.2.3 產(chǎn)品效果

500 MPa 及以上產(chǎn)品的強屈比大于等于1.28，全規(guī)格高強抗震鋼筋合格率提升至99%以上（見表2）。

表2 全規(guī)格HRB500E抗震鋼筋的力學(xué)性能

2.3 低時效及性能波動小的高質(zhì)量長材生產(chǎn)技術(shù)

本研究提出“合金元素遲滯相變”的成分組織均勻調(diào)控思路，開發(fā)出高質(zhì)量長材產(chǎn)品集成制造技術(shù)和性能均勻控制技術(shù)，解決了鋼筋時效性強及性能波動大的問題，實現(xiàn)鋼筋時效后屈服強度變化幅度在±10 MPa 以內(nèi)，HRB400E 盤條螺紋鋼筋同圈屈服強度波動控制在20 MPa 以內(nèi)，有效提高了鋼筋使用的安全性。

2.3.1 低時效高質(zhì)量長材生產(chǎn)技術(shù)

通過遲滯鐵素體相變的合金元素分析及設(shè)計應(yīng)用，輔以適當(dāng)?shù)能堉乒に?，調(diào)控鋼筋心部組織，使其產(chǎn)生的組織應(yīng)力與溫度應(yīng)力達到平衡并相互抵消，最后得到的鋼筋殘余應(yīng)力極低。經(jīng)自然時效，鋼筋的屈服強度變化幅度很小，提高了使用鋼筋的安全性，實現(xiàn)鋼筋時效后屈服強度變化幅度控制在±10 MPa以內(nèi)。

2.3.2 盤條螺紋鋼強度均勻控制技術(shù)

為控制同圈強度波動，從成分設(shè)計及軋鋼工藝上減少影響強度的不穩(wěn)定因素，增加穩(wěn)定因素的影響程度，使斯太爾摩輥道冷卻更均勻，減少斯太爾摩輥道對強度的不利影響。通過控制軋制及控制冷卻提高強度，優(yōu)化成分設(shè)計，降低鋼種成分對斯太爾摩輥道冷卻不均勻的敏感度。盤條螺紋鋼強度均勻控制技術(shù)可將HRB400E 盤條螺紋鋼筋同圈屈服強度波動控制在20 MPa以內(nèi)，其技術(shù)要點如下。

（1）合理的成分：控制強淬透性元素，這些元素含量較高時均會提高鋼的淬透性，造成冷卻不均勻，影響鋼筋同圈組織的穩(wěn)定性，影響性能穩(wěn)定，因此應(yīng)控制在較低水平。強淬透性元素損失的強度通過C、Si元素、控軋和控冷工藝及少量微合金元素彌補。

（2）軋機布置為多段分級控冷：6 架粗軋機+6 架中軋機+6 架預(yù)精軋機+控冷裝置+回復(fù)段+8 架精軋機+控冷裝置+回復(fù)段+2架剪徑機組+控冷裝置。

（3）軋制工藝：在精軋機組及剪徑機組前使用控冷裝置，將進精軋溫度及進剪徑溫度控制在較低值，實現(xiàn)奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制和軋制；在剪徑機組后使用控冷裝置，控制較低的吐絲溫度，低吐絲溫度（規(guī)格越小溫度越高）與高吐絲溫度相比，盤條在低溫區(qū)傳熱效率低，溫降速度慢，可降低斯太爾摩輥道風(fēng)冷時的不均勻性。

（4）軋制速度：保證一定軋制速度，穩(wěn)定且較高的變形率有利于晶粒細化。

（5）斯太爾摩輥道：斯太爾摩設(shè)置分段式階梯輥道，使軋件在中間運行，以防跑偏，影響后續(xù)集卷；在跌落過程中，纏繞重疊的線圈得以分離，并且保溫罩全部打開，使線圈冷卻更均勻。

3 與國內(nèi)外同類技術(shù)比較

（1）與國際主流鋼筋相比，本項目生產(chǎn)的鋼筋的抗震性能、焊接性能高于國外的同類產(chǎn)品。我國制定的熱軋帶肋鋼筋標(biāo)準(zhǔn)比國外歐美國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴格，因此按照我國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的熱軋高強抗震鋼筋品質(zhì)更高。例如，美國的標(biāo)準(zhǔn)中混凝土熱軋帶肋鋼筋允許的碳含量不超過0.4%，對應(yīng)的組織和焊接性能比較差；英國的標(biāo)準(zhǔn)中建筑鋼筋主體級別為460，允許采用強穿水工藝（“淬火+自回火”）生產(chǎn)，綜合性能比“鐵素體+珠光體”組織類型低；德國廣泛采用500 MPa 級別鋼筋，其生產(chǎn)工藝為普通C-Mn 鋼通過強穿水工藝。

（2）與國內(nèi)Nb、V 微合金化工藝HRB400E 鋼筋相比，本項目產(chǎn)品的微合金用量減少50%以上，生產(chǎn)效率相當(dāng)，鋼筋晶粒細化，晶粒度達11 級及以上，組織均勻、性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了綠色高效制造。

（3）與其他工藝生產(chǎn)的HRB500E、HRB600E 鋼筋相比，本項目產(chǎn)品抗震性能更優(yōu)。采用其他工藝生產(chǎn)的HRB500E、HRB600E 鋼筋存在強屈比性能不合格的問題，特別是小規(guī)格的鋼筋，合格率更低。采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝生產(chǎn)的HRB500E、HRB600E的鋼筋強屈比合格率在99%以上。

4 結(jié)語

本項目根據(jù)我國高質(zhì)量長材綠色制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對低溫控軋難、高強鋼產(chǎn)品抗震性能不穩(wěn)定、強度波動大且時效性要求高等行業(yè)難題，開展物理冶金和共性關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)，解決了相關(guān)行業(yè)難題。技術(shù)總結(jié)如下。

（1）棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)?；诎舨哪┒宋丛俳Y(jié)晶調(diào)控與過冷奧氏體相變耦合的高載荷軋制—冷卻設(shè)計，研發(fā)棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)，解決棒材生產(chǎn)無法實現(xiàn)低溫控軋的問題，產(chǎn)品晶粒細化，晶粒度達11 級及以上，組織均勻、性能穩(wěn)定，HRB400E 產(chǎn)品的V、Nb 等稀有合金用量降低50%以上。

（2）高強高韌長材制造技術(shù)。揭示了含鈮鋼筋物理冶金學(xué)過程及組織演變規(guī)律，提出基于釩析出強化和鈮組織強化的“鐵素體+珠光體”組織調(diào)控新思路，形成不同規(guī)格熱軋高強抗震鋼筋“成分設(shè)計+控軋+分級控冷工藝協(xié)同控制”的全流程控制技術(shù)，解決了500 MPa以上高強鋼筋抗震性能不穩(wěn)定的問題，開發(fā)出高強屈比、高強抗震鋼筋，使全規(guī)格的高強抗震鋼筋合格率提升至99%以上。

（3）低時效及性能波動小的高質(zhì)量長材生產(chǎn)方法。本項目首次提出“合金元素遲滯相變”的成分組織均勻調(diào)控思路，研發(fā)出高質(zhì)量長材產(chǎn)品集成制造技術(shù)和性能均勻控制技術(shù)，解決了鋼筋時效及性能波動大的問題，鋼筋時效后屈服強度變化幅度控制在±10 MPa 以內(nèi)，HRB400E 盤條螺紋鋼筋同圈屈服強度波動控制在20 MPa以內(nèi)。

當(dāng)前，國內(nèi)高速棒材生產(chǎn)線的發(fā)展日新月異，高質(zhì)量長材綠色制造技術(shù)在高速棒材上的應(yīng)用有待進一步研發(fā)。未來將利用柳鋼防城港基地新上高速棒材生產(chǎn)線的優(yōu)勢，全面、系統(tǒng)地研究高質(zhì)量長材綠色制造技術(shù)在高速棒材生產(chǎn)線的應(yīng)用。