HRB500Eφ40mm大規格抗震鋼筋生產工藝優化與組織調控

劉占林，練 昌，劉 欣，黎志英，曾澤蕓

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

2.貴州大學材料與冶金學院，貴州 貴陽 550025

鋼筋混凝土廣泛應用于建筑行業中，高強度抗震鋼筋在建筑結構中承載著各種應力和應變，隨著建筑行業的發展，大型的公共建筑、高層建筑等對承載結構能力的抗震鋼筋提出了更高的要求，在現代建筑行業中發揮至關重要的作用[1-3]。根據各國對高強度抗震鋼筋的要求，提出了三個重要的指標并納入國標之中：強屈比（Rm/Rel）、屈屈比（R0el/Rel）和最大力總伸長率（Agt）[4-5]。根據《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》（GB/T 1499.2—2018），對產品質量提出更高要求。

目前四級螺紋鋼生產主要有兩個手段[6-8]：（1）采用微合金化技術（主要是V、Nb、Ti）；（2）在軋鋼過程中采用控軋控冷工藝技術。Nb、V微合金化鋼筋呈現出均勻的鐵素體-珠光體組織，硬度值也比較統一[9-10]。Nb含量的增加抑制珠光體的形成，但能促進貝氏體含量的增加，同時細化組織[11]。最終熱軋鋼的微觀結構和力學性能在很大程度上取決于鋼的化學成分、控制軋制參數和冷卻條件[12]。

此前水鋼生產的HRB500Eφ40mm抗震性能不穩定，合格率低，造成生產成本高和無法兌現訂單。為提升水鋼產品品牌形象和品牌價值，2017年筆者所在公司開始對該鋼種進行研制，通過不斷優化成分、工藝設計，現已成功開發HRB500Eφ40mm螺紋鋼筋，實現產業化生產，并將其成功應用于大型橋梁建設。

1 HRB500E大規格抗震鋼筋的特點

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

2 工藝路線設計

此次試制采用釩、氮復合強化工藝。通過固溶強化和細晶強化配合，實現產品性能指標的合格。

2.1 工藝路線

鐵水、廢鋼→轉爐冶煉→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。

2.2 化學成分設計

根據近年水鋼開展HRB500E的研究項目，掌握各元素強化效果，以及各元素對產品抗震性能的影響。具體化學成分設計見表1。

表1 HRB500E化學成分控制要求

2.3 力學性能要求

HRB500E力學性能的控制要求見表2。

表2 HRB500E力學性能的控制要求

2.4 過程工序參數控制要求

（1）煉鋼工藝。原材料嚴格按現行有效標準組織，裝入制度按現行裝入制度執行，根據熱量情況調整廢鋼和生鐵的搭配。冶煉工藝要求轉爐終點碳≥0.08%，終點檢驗C、Mn、P、S，必須等樣出鋼。脫氧合金化加入順序：SiMnFe→SiFe→SiAlCaBa→強化元素合金，出鋼時間控制不小于3′30″，出鋼過程采用雙擋渣出鋼工藝，出鋼過程中專人壓渣，嚴禁出鋼口下渣。嚴格精煉工藝，實現了快速脫氧、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，從而有利于保證產品的性能穩定。連鑄工序嚴格控制鋼水過熱度不大于30℃，采用全保護澆筑，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。優化各架軋機的料型控制，嚴格控制各架軋機的堆拉鋼系數，執行嚴格的換輥換槽制度，采用滾動導衛替代滑動導衛等措施，保證了產品通條尺寸穩定及表面質量合格。軋制速度按5.7m/s控制，內徑控制為(38.7±0.2)mm，確保了HRB500Eφ40mm高強度大規格鋼筋的正常化生產。

3 試制過程

現分兩個階段介紹水鋼研制HRB500Eφ40mm高強度大規格鋼筋的進程。

（1）第一階段。為保證力學性能，在釩、氮強化的基礎上，添加鉻0.20%，煉鋼嚴格按復合強化工藝組織鋼坯，鋼坯化學成分見表3。

表3 鋼坯化學成分

軋鋼工藝控制要點：出鋼溫度為980～1020℃，軋后不控冷。力學性能指標：屈服強度為573～595MPa，抗拉強度為718～746MPa，Agt都在11以上，符合要求。但強屈比低，僅為1.239～1.263，半數未達到國標要求。并且部分批次試樣冷彎后內弧面有細小裂紋。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，由于片面強調強度指標，造成屈服強度偏高，強屈比不合格，且冷彎后有裂紋。從金相組織來看，晶粒度粗大，珠光體占比低，且軋制速度和內徑控制不做要求，批量生產后容易性能波動大。

圖1 HRB500Eφ40mm抗震鋼筋的金相組織（不合格）

（2）第二階段。總結第一階段出現屈服強度指標偏高的問題，此次試制取消添加鉻強化，適當提高錳的控制范圍，規范軋制速度和內徑控制，其中軋制速度為5.6～5.8m/s，鋼筋內徑為38.3～38.7mm。不同爐次鋼的化學成分見表5，力學性能指標見表6。

表5 不同爐次鋼的化學成分

表6 HRB500Eφ40mm的力學性能

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，屈服強度控制在較合理的范圍，產品性能大幅度改善，沒有出現冷彎裂紋現象，各項指標都高于國標要求。

圖2 HRB500Eφ40抗震鋼筋的金相組織（合格）

4 結論

（1）通過精煉處理，能夠提高鋼水的潔凈度，穩定成分和溫度，減少成分波動對產品性能的影響。

（2）取消鉻元素的強化，可以提高產品塑性，避免了冷彎裂紋的產生。

（3）通過規范軋制參數，如開軋溫度為980～1020℃、軋制速度為5.6～5.8m/s、鋼筋內徑為38.3～38.7mm等，使產品性能波動變小，保障了各項指標的穩定，產品質量得到提升。