細晶粒熱軋帶肋鋼筋的軋制工藝及優化實踐

翟 林

（陜鋼集團漢中鋼鐵有限責任公司，陜西 漢中 724200）

根據當代材料領域的共同認識，要想同時大幅度提高鋼鐵材料的強度和韌性，最好的方法是細化晶粒，該工藝可大幅度減少合金用量、降低坯料成本，提高鋼筋強度、韌性和綜合性能。

漢鋼公司單高線于2013年1月份投產至今，先后生產了 HRB400E、HPB300、60#、65#、70#、65Mn、77B、82B、Ф5.5ER50-6等。在鋼鐵行業“嚴冬”時期，為進一步降本增效，公司不斷研發新產品，提升市場競爭力，改進生產工藝和設備，采用強化工藝技術的路線提高現有鋼種綜合性能。通過不斷的生產試驗摸索，漢鋼公司單高線控軋控冷工藝軋制Ф6、Ф8、Ф10、Ф12HRB400E細晶粒熱軋帶肋鋼筋獲得成功，為公司在嚴峻的生產經營形勢下深挖市場潛力、降本增效及更好地開拓市場創造了有利條件。

1 裝備概況及工藝設計

1.1 單高線主要裝備概況

（1）加熱爐。側裝側出蓄熱步進梁式，燃料為高爐混合煤氣，額定加熱能力為冷坯120t/h，熱坯150t/h。具有生產操作靈活，鋼坯加熱溫度均勻，氧化燒損少和節能等優點。

（2）軋機。單高線軋線軋機共分5個機組，粗軋6架、中軋6架、預精軋6架、精軋8架，減定徑4架，共30個機架組成。1H～14V采用平立交替布置的短應力線軋機，15H～18V采用平立交替布置的4架懸臂式軋機，精軋和減定徑機組均為V型頂交45°懸臂輥環軋機，最高保證軋制速度為112m/s，可實現低溫高速控溫軋制。

（3）冷卻水箱。4組8個冷卻水箱，湍流式水噴嘴冷卻，可實現溫度閉環控制。

（4）風冷輥道。裝有“凹蚜”楸系統的斯太爾摩風冷輥道，共14臺冷卻風機。

1.2 工藝流程

合格鋼坯加熱→高壓水除磷→粗軋機組軋制→1#飛剪切頭→中軋機組軋制→2#飛剪切頭、尾→預精軋機組軋制→精軋前水冷→3#飛剪切頭→精軋機組軋制→水冷→減定徑機組軋制→減定徑后水冷→線材測徑→夾送、吐絲→散卷控制冷卻→集卷→掛卷→C型鉤運送→檢查、修剪、取樣→打包→稱重掛標牌→卸卷→入庫。

2 軋制細晶粒鋼關鍵工藝控制

2.1 控軋控冷原理

實際生產中應用最廣泛的細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，通過細化奧氏體晶粒來提高熱軋鋼材的強度、韌性等綜合性能的一種軋制方法；控制冷卻是熱軋生產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，從而達到產品所要求的組織及組織性能的均勻性以及減少產品內部的有害組織，進而得到所要求的組織結構[1]。采用控制軋制和控制冷卻技術相結合，降低軋制溫度，在線控冷，得到細晶，提高鋼材的屈服強度及韌性，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，節約貴重的合金元素，簡化熱處理工藝，降低生產成本等。

漢鋼公司軋鋼工序采用的生產工藝方案為：粗軋在奧氏體再結晶區軋制，中軋在奧氏體未再結晶區軋制，精軋在奧氏體和鐵素體兩相區軋制，并利用軋后快速冷卻細化晶粒。

HRB400E細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，使細晶奧氏體在較低溫度下轉變分解得到鐵素體+珠光體組織，生產過程中溫度控制主要是采用低溫開軋，控制入精軋溫度，并在精軋機架與減定徑機架間及減定徑機架后通過穿水冷卻，控制各區域軋制溫度，適當降低吐絲溫度，從而控制產品性能。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℃；

進精軋前溫度＜880℃；

進減定徑前溫度＜820℃；

吐絲溫度750℃～800℃。

2.2 控軋控冷工藝實踐

細晶粒鋼軋制生產的關鍵在于低溫軋制和低溫快速冷卻，結合再結晶、未再結晶和形變誘導相變機制的低溫開軋、低溫終軋。因此適當控制鋼坯的加熱溫度，使其原始奧氏體晶粒均勻細小，為軋后通過控冷進行相變，得到理想的組織結構提供良好的條件[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，控制風冷輥道的速度及風機開啟，部分加蓋保溫罩。這樣，產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定。

（1）風冷輥道速度。各段具體速度如表1。

表1 輥道速度設定

（2）風冷線風機開啟。風機開口度分別為1#～2#：70%；3#～4#：60%，軋制時視終冷溫度再進行調整。終冷溫度按580℃～620℃進行控制，試驗過程中嘗試終冷溫度控制在620℃、600℃、580℃分別試驗，根據試樣檢驗結果進行總結。

表2 冶煉成分對比

表3 力學性能統計表

（3）保溫罩使用：風冷后間隔兩段輥道后蓋保溫罩。

3 工藝優化及問題解決

試軋過程中出現強度偏高、性能不穩定及屈服不明顯、組織異常等多種問題，通過分析、不斷調整工藝參數及合理的化學成分控制，總結出能夠使低合金鋼晶粒細化并改善其組織和性能的軋制條件，結合生產實踐總結出HRB400E細晶粒鋼筋的最佳工藝參數匹配，最終將所軋鋼種HRB400E成分中釩的合金量降到0.012%，同時保證鋼材規定的尺寸及性能要求，批量生產出了晶粒組織均勻細化，性能良好的產品。

3.1 屈服強度低，且部分批次拉伸曲線出現屈服平臺不明顯現象

針對試軋過程性能較低、屈服平臺不明顯的問題。金相組織中出現了粒狀貝氏體，而粒狀貝氏體是由于風冷速度過快、終冷溫度過低造成的。因此，要想避免粒狀貝氏體產生，就必須提高終冷溫度，讓鋼材在Bs溫度以上，完成等溫轉變，產生屈氏體、索氏體等晶粒較細的組織。通過現場不斷對風冷輥道速度與風機開口度大小的不斷調整、試驗，試樣出現明顯屈服平臺。

3.2 晶粒粗大

分析原因認為是軋后晶粒長大的結果，因為冷卻速度影響著γ-＞α的相變過程及相變后鐵素體晶粒長大過程。進行調整工藝，中軋后采用穿水冷卻裝置，使軋件進入精軋機的溫度控制在臨界相變點Ar3～Ar3之間，誘發了鐵素體相變，使晶粒細化。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，確保轉變組織為細晶粒鐵素體+珠光體。經過調整后的試樣金相組織顯示晶粒較細小。因此試驗結果表明軋后控冷工序是必需的，第一可以抑制晶粒的長大，保持細晶效果；第二可以降低奧氏體向鐵素體的相變點，使相變驅動力增大，增加鐵素體的形核數量，達到細化晶粒的作用；第三可以保持一部分加工硬化狀態，抑制恢復過程，從而提高強度。試樣檢驗結果表明，在采用一系列控軋控冷措施以后,鋼筋晶粒明顯細化，力學性能得到明顯提高。

3.3 金相組織不均勻

分析原因認為是軋后控制冷卻風量不均勻，通過不斷總結調整風冷輥道速度、風機開啟情況及佳靈裝置參數，合理地控制鋼筋在風冷輥道上的圈距大小、受冷卻位置及相變轉變溫度，使得強度提高、組織均勻。

4 檢化驗結果分析

4.1 冶煉成分對比

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、生產成本最低為原則，進行成分設計與控制。成分控制見表2。

4.2 力學性能

通過力學性能平均值比較可以得出，細晶軋制鋼材綜合性能有提升，詳見表3。

通過細晶軋制試驗，在保證性能合格的前提下，通過優化細晶軋制工藝，進一步降低了合金成分，降低了生產成本。

4.3 金相組織

金相檢驗結果表明，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金相結果X100

圖2 HRB400E金相結果X500

通過采用放大500X后，在顯微組織中測量晶粒的平均直徑來評定顯微晶粒度。測得平均晶粒直徑為9.0μm，顯微晶粒度等級為10.5級。

5 總結

經過試軋，摸索出了細晶粒鋼筋的生產工藝，并實現了批量生產。所軋制的HRB400E細晶粒鋼筋實測抗拉強度、屈服強度、伸長率、最大壓力下總伸長率等各項性能指標均符合國標要求，具有良好的性能。高倍組織檢驗得出組織細小均勻，主要為鐵素體+珠光體，平均晶粒直徑為9.0μm，顯微晶粒度等級為10.5級。漢鋼公司HRB400E細晶粒鋼筋的軋制成功，為今后走新型資源節約型鋼筋開發的道路找到了一條新路。