HRB600 級高強度鋼筋開發

李順奎 蔡 偉 金 梁 龐 通

（廣西鋼鐵集團有限公司棒線廠,廣西 防城港 538000）

熱軋帶肋鋼筋作為中國建筑行業的主要結構形式,廣泛的被應用國防重點工程、橋梁、公路、地震帶結構建筑和高層建筑中[1],現階段,國內仍是以400MPa、500MPa 級鋼筋為主,在2018 年頒布的新國標GB/T1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼第二部分: 熱軋帶肋鋼筋》增加了600MPa 級鋼筋,并取消335MPa 級鋼筋。隨著我國建筑行業對熱軋帶肋鋼筋的要求不斷提高,600MPa 級螺紋鋼憑借著強度高、延展性能好和安全性能高等特點,必然會登上歷史的舞臺,逐漸代替400MPa、500MPa 級鋼筋,因此,對600MPa 級螺紋鋼進行開發與研究是非常有必要的。

我國大部分鋼鐵企業主要是采用合金強化對600MPa的螺紋鋼進行研制,沙鋼[2-5]主要是通過在鋼坯添加適量的鉻、銅、鈮元素等元素,鉻、銅、鈮等元素不僅可以提高鋼材的力學性能,還可以提高鋼材的強屈比；河鋼[6]采用鈮釩復合微合金化工藝對600MPa 高強抗震鋼筋進行了試制,并研制成功；濟鋼[7]通過釩氮微合金化工藝成功將螺紋鋼的屈服強度達到670MPa,抗拉強度達800MPa,斷后伸長率達到19%以上,然而單單通過合金強化必然會造成坯料的合金成本較高,不利于長期發展。

因此,為了降低坯料成本,我廠另辟蹊徑,同時采用了合金強化、細晶強化與余熱處理強化（淬火加自回火）三種不同的鋼材強化機制對600MPa 熱軋帶肋鋼筋進行試制。并成功軋制出低成本的600MPa 熱軋帶肋鋼筋。

1 生產工藝流程

而螺紋鋼生產線流程為：坯料→加熱爐→加熱爐出爐地輥→1 號～6 號軋機→1 號飛剪→7 號～12 號軋機→2 號飛剪→13 號～16 號軋機→預水冷裝置（包括冷卻水箱與回復段導槽,長約110 米）→3 號飛剪→19 號～20 號軋機→水冷裝置→4 號倍尺剪→變頻地滾→裙板拋鋼→大冷床。

2 鋼材的強化機制

2.1 合金強化

合金強化包括固溶強化（C、N、B、Mn、Si、P 等元素）和析出沉淀強化（Nb、V、Ti 等元素）,前者通過另一種金屬（或非金屬）與金屬Fe 形成固溶體合金,固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體,它們主要作用是使鐵的晶格發生畸變,從而使鐵的強度提高；后者主要通過微量Nb、V、Ti 等元素與鋼材中的碳、氮元素形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物,在軋制中或冷卻時它們可以沉淀析出,起到第二相沉淀強化作用。

2.2 余熱處理（淬火加自回火）

軋件離開軋機后進入冷卻水箱,利用軋件的余熱通過快速冷卻進行淬火,使鋼筋表面層形成具有一定厚度的低溫組織,而芯部仍為奧氏體。當鋼筋離開水箱后,芯部的熱量向表面層擴散,使表層的低溫組織自回火。當鋼筋在大冷床上緩慢地自然冷卻時,芯部的奧氏體發生相變,形成鐵素體和珠光體,經余熱淬火處理且淬火溫度越低的鋼筋,則屈服強度提升越高,最高可提升150-230MPa[8]。

采用余熱處理時,要嚴格的把控鋼材表面的回火溫度（即現場的上冷床溫度）,使冷卻后的鋼材表面溫度可以回復到奧氏體轉變區,最終鋼材的組織無論表面還是芯部均為鐵素體與珠光體。在保證鋼材的力學性能和金相組織均符合國家標準的前提下降低鋼材坯料的合金元素。

2.3 細晶強化

控制軋制與控制冷卻的重要目標之一是獲得細小均勻的鐵素體與珠光體晶粒,而鋼材在冷卻過程中,會經歷四個相區：（1）奧氏體再結晶區；（2）奧氏體未再結晶區；（3）兩相區——奧氏體與鐵素體區；（4）鐵素體與珠光體區,鋼材在不同的相區軋制時,其晶粒細化程度：鐵素體、珠光體區＞兩相區＞奧氏體未再結晶區＞奧氏體再結晶區[9]。而晶粒細化不僅可以提高鋼材的強度,也可以提高鋼材的塑性和韌性。

3 試驗方案

3.1 試驗材料

軋制螺紋鋼直徑為25mm,試驗采用HRB600-0B 與HRB600-1B 兩種鋼種。

HRB600-0B 的鋼種的Si、V 與Nb 較HRB600-1B 鋼種分別下降了0.15%、0.05%與0.07%,其余成分相同。

3.2 鋼材的加熱制度

加熱爐加熱的最終目的是使鋼材充分奧氏體化,而加熱溫度與保溫時間對最終成品的力學性能起到至關重要的作用,隨著加熱溫度的提高及保溫時間的延長,奧氏體體晶粒變得粗大。而粗大的奧氏體晶粒增大了軋制細化奧氏體晶粒的困難,對鋼材的力學性能不利,加入鈮、釩等元素可以阻止奧氏體晶粒長大,即提高了鋼材的粗化溫度。

當鈮、釩含量在0.10%以下時,可以提高到奧氏體粗化溫度為1050-1100℃,同時考慮軋機區設備能力,因此將兩種鋼種的開軋溫度設為1050±20℃。

3.3 試驗方案

在螺紋鋼產線上進行試驗,生產線包括粗、中、精軋三機組,當軋件從16#軋機軋制完成后,通過預水冷水箱冷卻至不同的溫度,再經過回復段導槽回火,然后進入17#、18#軋機軋制成形,最終上入大冷床進行自然冷卻,試驗方案如表1 所示。

表1 試驗方案

每個鋼種分別采用兩個方案進行試驗,試驗完成后,分別取實驗樣進行拉伸實驗與金相實驗。

4 試驗結果

4.1 力學性能結果

四種試驗方案力學性能結果如表2 所示,由表2 可知,當鋼種為HRB600-1B 的鋼材在進17 號軋機溫度為1040±200C,冷卻至室溫的螺紋鋼屈服強為620 MPa,抗拉強度為795 MPa,進17 號軋機溫度為950±200C,冷卻至室溫的螺紋鋼屈服強為665 MPa,抗拉強度為820 MPa；鋼種為HRB400-0B 的鋼材在進17 號軋機溫度為950±200C,其屈服強度為635 MPa,抗拉強度為800 MPa,進17 號軋機溫度為850±200C,冷卻至室溫的螺紋鋼屈服強為660 MPa,抗拉強度為815 MPa。

表2 力學性能試驗結果

4.2 金相結果

由表3 可知,鋼種為HRB400-0B 兩種方案的螺紋鋼冷卻至室溫時,其表層和芯部的金相組織為鐵素體和珠光體,與鋼種為HRB400-1B 兩種方案螺紋鋼相同,表層與芯部組織也為鐵素體和珠光體。

表3 不同鋼種的金相組織

5 結果分析

5.1 力學性能分析

5.1.1 方案一力學性能分析

當HRB600-1B 鋼材進入17#軋機溫度為1040℃,再經過17#與18#軋機軋制,此時鋼材處于奧氏體再結晶區,在奧氏體再結晶區軋制時,隨著道次變形量的加大,奧氏體再結晶晶粒的細化程度越高,轉變為室溫下的鐵素體與珠光體的晶粒細化程度越高,但是,當鋼材的變形量達到50%以上時,晶粒細化趨勢減小并達到一個極限值,因此,冷卻至室溫下的鋼材晶粒細化程度為8 級,同時,鋼材出16#軋機進入預水冷水箱冷卻后,此時,鋼材的表面溫度大約為500℃左右,而芯部溫度仍很高,然后進入回復段導槽進行回火,芯部組織通過熱傳遞將熱量傳遞至表面,使表面回溫到進入17#軋機的1040℃（此時回火仍然不充分）,直至鋼材上大冷床后,表面溫度回火至大約1070℃。方案一HRB600-1B 鋼材經過一系列鋼材強化機制軋制后,最終鋼材冷卻至室溫的細化程度不高（為8 級）,同時,余熱處理程度也不高（淬火溫度為500℃）。沒有充分發揮細晶強化與余熱處理的強化作用,但是鋼材的合金含量較高,充分的發揮合金強化的作用,使方案一中HRB600-1B 軋制的螺紋鋼達到了國標中HRB600 的要求,同時也達到HRB600E 抗震鋼筋的要求(強屈比≥1.25)。

5.1.2 方案二與方案三力學性能分析

而方案二中HRB600-1B 與方案三中的HRB600-0B入17#軋機溫度為950℃,此時鋼材處于奧氏體未再結晶區,奧氏體未再結晶區的溫度范圍為930-Ar3之間,在奧氏體未再結晶軋制的特點為：在軋制過程中不在發生奧氏體再結晶現象,變形過程中使奧氏體晶粒被拉長,突破了奧氏體再結晶晶粒細化的極限值,冷卻至室鋼材的晶粒細化程度為9.5 級,同時,鋼材出冷卻水箱后表面溫度大約為430℃左右,通過芯部組織進行熱轉遞使表面溫度回火到進入17#軋機的950℃,直至上大冷床的980℃。可以明顯看出,方案二中HRB600-1B 屈服強度與抗拉強度較方案一中HRB600-1B 都有較大的提升,屈服強度提升45Mpa,抗拉強度提升25MPa,這是因為方案一與方案二采用相同的鋼種,合金含量相同,而方案二軋制相區為奧氏體未再結晶區,冷卻至室溫鋼材的晶粒細化程度高（9.5 級）,且余熱處理程度也較高（淬火溫度為430℃）,因此方案二中HRB600-1B 鋼種力學性能高于方案一中HRB600-1B 的力學性能,且余熱處理強化只對屈服強度提升較大,而細晶強化同時對屈服強度與抗拉強度都有較大提升,因此屈服強度提升量大于抗拉強度提升量。則方案三中HRB600-0B鋼種由于合金含量少于方案二HRB600-1B 鋼種合金含量,鋼材軋制過程中合金強化較少,在相同的軋制溫度下,HRB600-0B 鋼種力學性能低于HRB600-1B 鋼種的力學性能。但方案二與方案三中軋制的螺紋鋼均達到了國標中HRB600 的要求,且方案三軋制的螺紋鋼同時也達到HRB600E 抗震鋼筋的要求。

5.1.3 方案四力學性能分析

方案四中HRB600-0B 入17#軋機溫度為850℃,此時鋼材的相區為兩相區,當鋼材處于兩相區被軋制時,一部分鋼材組織為未發生相變的奧氏體晶粒。另一部分組織為先共析鐵素體。未發生相變的奧氏體繼續變形、拉長,晶粒內形成新的滑移帶,并在這些部位形成新的鐵素體晶核。而先共析鐵素體晶粒,經變形后,使鐵素體晶粒再結晶,并在晶粒內部形成大量位錯,使鋼材的晶粒在奧氏體未再結晶區的基礎上進一步細化,冷卻至室鋼材的晶粒細化程度為11級,同時,鋼材出冷卻水箱后表面溫度大約為300℃左右,通過芯部組織進行熱轉遞使表面回火到進入17#軋機的850℃,直至上大冷床的880℃。方案四中軋制鋼種為HRB600-0B,較HRB600-1B 合金含量較低,但由于軋制過程中進17#軋機軋制相區為兩相區,且余熱處理強化程度最大,因此,軋制出的螺紋鋼屈服強度最大,達為660MPa,且抗拉強度也達815MPa。

5.2 金相結果分析

實驗方案均采用的是HRB600-1B 與HRB600-0B 鋼種,兩種鋼種的碳含量為0.23%,在金屬學中屬于亞共析鋼（碳含量為0.0218%-0.77%）。在四個方案中,當鋼材在預水冷水箱冷卻后,芯部組織溫度仍很高,表面組織溫度較低,表面組織經回火后,最終溫度即上冷溫度均大于800℃,使鋼材表面與芯部均處于奧氏體區。當鋼材在大冷床自然冷卻時,將以鐵碳相圖形式發生相變。如圖1 所示。在鐵碳相圖中,碳含量為0.23%的合金在冷卻過程中以CD 線進行,在A3以上時,此時鋼材為奧氏體,當奧氏體冷卻至1 點時,在晶界上開始析出鐵素體,隨著溫度的降低,鐵素體的數量不斷增多,此時鐵素體的成分沿GP 線變化,當溫度降至2點時與共析線A1相遇時,碳含量達到0.77%,開始發生共析反應,由碳含量為0.77%的奧氏體轉變為碳含量為0.0218%的鐵素體和滲碳體組合的混合物,形成珠光體類型組織；而珠光體類型組織又包括：珠光體、索式體,托式體,貝氏體等；而形成不同的珠光體類型組織與鋼材在大冷床冷卻速度有關,由于是自然冷卻,當鋼材冷卻至CCT 曲線中的轉變中止線附近（200℃左右）的時間大約需要1000～1600s,速度慢于CCT 曲線的下臨界速度,則剩余奧氏體全部轉變為珠光體。因此四個軋制方案中最終冷卻至室溫時組織均為鐵素體與珠光體。符合新國標GB/T1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼第二部分: 熱軋帶肋鋼筋》的金相要求。由此可以看出,采用HRB600-0B 鋼種軋制時,由于合金含量低于HRB600-1B 鋼種,大約噸鋼成本節約120 元左右,但是HRB600-0B 通過合金強化、細晶強化以及余熱處理強化三種強化機制處理后,力學性能與金相均符合HRB600 新國標,且采用方案三軋制時,最終鋼材的力學性能達到HRB600E 抗震鋼筋的要求。

圖1 鐵碳相圖

6 結論

6.1 采用合金強化與細晶強化時,對鋼材的屈服強度與抗拉強度均有較大的提升,當采用余熱處理（淬火加自回火）只對提升鋼材屈服強度,對抗拉強度提升不大。

6.2 實驗表明：通過細晶強化與余熱處理強化相結合,可以有效的降低坯料的合金成本,且最終軋制出的螺紋鋼無論力學性能與金相均符合國標要求。

6.3 采用余熱處理時,要嚴格把控最終的回火溫度,若采用強冷模式,使表面溫度無法回復到奧氏體區（800℃以上）,則最終的金相組織可能出現回火馬氏體,且使鋼材屈服強度提升較大,導致鋼材無屈服平臺（強屈比＜1.25）。