HRB500Eφ40mm大規(guī)格抗震鋼筋生產(chǎn)工藝優(yōu)化與組織調(diào)控

劉占林，練 昌，劉 欣，黎志英，曾澤蕓

1.首鋼水城鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 制造管理部，貴州 六盤水 553028

2.貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025

鋼筋混凝土廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)中，高強(qiáng)度抗震鋼筋在建筑結(jié)構(gòu)中承載著各種應(yīng)力和應(yīng)變，隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，大型的公共建筑、高層建筑等對(duì)承載結(jié)構(gòu)能力的抗震鋼筋提出了更高的要求，在現(xiàn)代建筑行業(yè)中發(fā)揮至關(guān)重要的作用[1-3]。根據(jù)各國(guó)對(duì)高強(qiáng)度抗震鋼筋的要求，提出了三個(gè)重要的指標(biāo)并納入國(guó)標(biāo)之中：強(qiáng)屈比（Rm/Rel）、屈屈比（R0el/Rel）和最大力總伸長(zhǎng)率（Agt）[4-5]。根據(jù)《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB/T 1499.2—2018），對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量提出更高要求。

目前四級(jí)螺紋鋼生產(chǎn)主要有兩個(gè)手段[6-8]：（1）采用微合金化技術(shù)（主要是V、Nb、Ti）；（2）在軋鋼過程中采用控軋控冷工藝技術(shù)。Nb、V微合金化鋼筋呈現(xiàn)出均勻的鐵素體-珠光體組織，硬度值也比較統(tǒng)一[9-10]。Nb含量的增加抑制珠光體的形成，但能促進(jìn)貝氏體含量的增加，同時(shí)細(xì)化組織[11]。最終熱軋鋼的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能在很大程度上取決于鋼的化學(xué)成分、控制軋制參數(shù)和冷卻條件[12]。

此前水鋼生產(chǎn)的HRB500Eφ40mm抗震性能不穩(wěn)定，合格率低，造成生產(chǎn)成本高和無(wú)法兌現(xiàn)訂單。為提升水鋼產(chǎn)品品牌形象和品牌價(jià)值，2017年筆者所在公司開始對(duì)該鋼種進(jìn)行研制，通過不斷優(yōu)化成分、工藝設(shè)計(jì)，現(xiàn)已成功開發(fā)HRB500Eφ40mm螺紋鋼筋，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并將其成功應(yīng)用于大型橋梁建設(shè)。

1 HRB500E大規(guī)格抗震鋼筋的特點(diǎn)

HRB500E高強(qiáng)度大規(guī)格鋼筋具有強(qiáng)度高、強(qiáng)塑性好、較小的應(yīng)變時(shí)效敏感性等特點(diǎn)。微合金強(qiáng)化元素釩有一定的沉淀強(qiáng)化和較弱的晶粒細(xì)化作用。在合適軋制工藝條件下，鋼的強(qiáng)度隨釩含量的增加而提高，可以達(dá)到十分顯著的析出強(qiáng)化效果。

2 工藝路線設(shè)計(jì)

此次試制采用釩、氮復(fù)合強(qiáng)化工藝。通過固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化配合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能指標(biāo)的合格。

2.1 工藝路線

鐵水、廢鋼→轉(zhuǎn)爐冶煉→擋渣出鋼→鋼包脫氧合金化→LF爐精煉→連鑄→加熱→控制軋制→軋制速度及尺寸控制→打捆入庫(kù)。

2.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

根據(jù)近年水鋼開展HRB500E的研究項(xiàng)目，掌握各元素強(qiáng)化效果，以及各元素對(duì)產(chǎn)品抗震性能的影響。具體化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表1。

表1 HRB500E化學(xué)成分控制要求

2.3 力學(xué)性能要求

HRB500E力學(xué)性能的控制要求見表2。

表2 HRB500E力學(xué)性能的控制要求

2.4 過程工序參數(shù)控制要求

（1）煉鋼工藝。原材料嚴(yán)格按現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)組織，裝入制度按現(xiàn)行裝入制度執(zhí)行，根據(jù)熱量情況調(diào)整廢鋼和生鐵的搭配。冶煉工藝要求轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳≥0.08%，終點(diǎn)檢驗(yàn)C、Mn、P、S，必須等樣出鋼。脫氧合金化加入順序：SiMnFe→SiFe→SiAlCaBa→強(qiáng)化元素合金，出鋼時(shí)間控制不小于3′30″，出鋼過程采用雙擋渣出鋼工藝，出鋼過程中專人壓渣，嚴(yán)禁出鋼口下渣。嚴(yán)格精煉工藝，實(shí)現(xiàn)了快速脫氧、脫硫，均勻鋼水成分和溫度，有效去除鋼中夾雜物的含量，減少此鋼種的夾雜物含量，從而有利于保證產(chǎn)品的性能穩(wěn)定。連鑄工序嚴(yán)格控制鋼水過熱度不大于30℃，采用全保護(hù)澆筑，中間包使用Al-C水口，拉速控制為 (2.3±0.2)m/min。

（2）軋鋼工藝。嚴(yán)格控制加熱爐溫度：加熱段為1050～1130℃，均熱段為1080～1120℃，出鋼溫度為980～1020℃。要求鋼坯加熱均勻。優(yōu)化各架軋機(jī)的料型控制，嚴(yán)格控制各架軋機(jī)的堆拉鋼系數(shù)，執(zhí)行嚴(yán)格的換輥換槽制度，采用滾動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)替代滑動(dòng)導(dǎo)衛(wèi)等措施，保證了產(chǎn)品通條尺寸穩(wěn)定及表面質(zhì)量合格。軋制速度按5.7m/s控制，內(nèi)徑控制為(38.7±0.2)mm，確保了HRB500Eφ40mm高強(qiáng)度大規(guī)格鋼筋的正常化生產(chǎn)。

3 試制過程

現(xiàn)分兩個(gè)階段介紹水鋼研制HRB500Eφ40mm高強(qiáng)度大規(guī)格鋼筋的進(jìn)程。

（1）第一階段。為保證力學(xué)性能，在釩、氮強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，添加鉻0.20%，煉鋼嚴(yán)格按復(fù)合強(qiáng)化工藝組織鋼坯，鋼坯化學(xué)成分見表3。

表3 鋼坯化學(xué)成分

軋鋼工藝控制要點(diǎn)：出鋼溫度為980～1020℃，軋后不控冷。力學(xué)性能指標(biāo)：屈服強(qiáng)度為573～595MPa，抗拉強(qiáng)度為718～746MPa，Agt都在11以上，符合要求。但強(qiáng)屈比低，僅為1.239～1.263，半數(shù)未達(dá)到國(guó)標(biāo)要求。并且部分批次試樣冷彎后內(nèi)弧面有細(xì)小裂紋。HRB500E抗震鋼筋的金相組織見表4。

表4 HRB500E抗震鋼筋的金相組織

HRB500E抗震鋼筋的金相組織見圖1。第一階段試制，由于片面強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度指標(biāo)，造成屈服強(qiáng)度偏高，強(qiáng)屈比不合格，且冷彎后有裂紋。從金相組織來(lái)看，晶粒度粗大，珠光體占比低，且軋制速度和內(nèi)徑控制不做要求，批量生產(chǎn)后容易性能波動(dòng)大。

圖1 HRB500Eφ40mm抗震鋼筋的金相組織（不合格）

（2）第二階段。總結(jié)第一階段出現(xiàn)屈服強(qiáng)度指標(biāo)偏高的問題，此次試制取消添加鉻強(qiáng)化，適當(dāng)提高錳的控制范圍，規(guī)范軋制速度和內(nèi)徑控制，其中軋制速度為5.6～5.8m/s，鋼筋內(nèi)徑為38.3～38.7mm。不同爐次鋼的化學(xué)成分見表5，力學(xué)性能指標(biāo)見表6。

表5 不同爐次鋼的化學(xué)成分

表6 HRB500Eφ40mm的力學(xué)性能

HRB500Eφ40mm鋼筋的金相組織見表7。

表7 HRB500Eφ40mm鋼筋的金相組織

HRB500Eφ40mm鋼筋的金相組織（合格）見圖2。由圖2可知，第二階段試制，取得了較好的效果，屈服強(qiáng)度控制在較合理的范圍，產(chǎn)品性能大幅度改善，沒有出現(xiàn)冷彎裂紋現(xiàn)象，各項(xiàng)指標(biāo)都高于國(guó)標(biāo)要求。

圖2 HRB500Eφ40抗震鋼筋的金相組織（合格）

4 結(jié)論

（1）通過精煉處理，能夠提高鋼水的潔凈度，穩(wěn)定成分和溫度，減少成分波動(dòng)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

（2）取消鉻元素的強(qiáng)化，可以提高產(chǎn)品塑性，避免了冷彎裂紋的產(chǎn)生。

（3）通過規(guī)范軋制參數(shù)，如開軋溫度為980～1020℃、軋制速度為5.6～5.8m/s、鋼筋內(nèi)徑為38.3～38.7mm等，使產(chǎn)品性能波動(dòng)變小，保障了各項(xiàng)指標(biāo)的穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量得到提升。