預應力混凝土鋼棒用30MnSi 熱軋盤條生產工藝優化

黃 鵬，樊寶華，王 興，成澤強，陳宗樂，王 坤，張俊璐

（陜鋼集團產業創新研究院，陜西 漢中 723000）

0 引言

PC 鋼棒因其具有高強度韌性、低松弛性、與混泥土握裹力強、良好的可焊接性、墩鍛性、節省材料等特點，在國內已被廣泛應用于高強的預應力混凝土離心管樁、電桿、高架橋墩、鐵路軌枕等預應力構件中[1]。

目前，最常見的產品為30MnSi 熱軋盤條，主要用于預應力混凝土管樁，作為建筑用鋼，自陜鋼集團成功研發并打入市場以來，一直著力于持續提升產品性能，穩定產品質量。在近期生產過程中，針對夏季高溫天氣，通過優化工藝參數，對比工藝性能，最終得到性能穩定、晶粒細小的30MnSi 盤條。本文主要針對30MnSi 在夏季高溫天氣情況下生產時的工藝優化措施進行論述。

1 生產工藝設備介紹

1.1 煉鋼

陜鋼集團煉鋼設備有1 座900 t 混鐵爐、2 座120 t 頂底復吹轉爐、1 座雙工位精煉爐、2 臺R10 m八機八流165 mm×165 mm 方坯連鑄機。連鑄過程采用保護澆注技術，并配置液面自動控制系統、結晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌等裝備。

1.2 2 號高線

2 號高線的年設計產能為60 萬t，配有1 座步進梁式雙蓄熱小方坯加熱爐，粗軋前配置高壓水除鱗。全線共30 架軋機，可控制鋼材尺寸精度在±0.1 mm以內。全線共設置水冷箱8 個（長6 m），風冷線為斯太爾摩冷卻線，全線長103 m，共14 臺風機，可生產Φ5.0～Φ22 mm 的光面線材及Φ6.0～Φ16 mm 的螺紋線材。

2 成分控制

在化學成分控制上，按照GB/T 24587—2009《預應力混凝土鋼棒用熱軋盤條》要求，結合對標同類，最終制定了30MnSi 化學成分要求，30MnSi 盤條的具體化學成分如表1 所示。

表1 30MnSi 盤條的化學成分

3 生產工藝流程

3.1 生產工藝流程

本次30MnSi 盤條的生產工藝流程主要為：轉爐→LF 爐精煉→八機八流連鑄機→連續式加熱爐加熱→軋制→斯太爾摩風冷線→收集→打包→稱重→檢驗入庫。

3.2 冶煉工藝

冶煉過程包括造渣過程和純凈化過程，鋼液中的夾雜物直接影響了鋼液的純凈度，進而影響了鋼的綜合性能，因此在煉鋼過程中要提高耐火材料的質量，防止夾雜物侵入鋼液，連鑄過程中要穩定中間包液面，防止大包下渣，結晶器卷渣，確保鋼的純凈度[2]。

3.2.1 轉爐冶煉

為保證裝入量穩定，裝入量中鐵水115 t，廢鋼25～30 t。本次生產鐵水成分如表2 所示。

表2 30MnSi 鐵水成分

3.2.2 LF 爐精煉

轉爐鋼水到達LF 精煉爐工位后，為保證鋼包雙透氣良好，精煉前期采用高電壓、短弧操作，并控制好氬氣流量，快速成渣。LF 精煉爐平均加熱時間24 min，精煉周期50～55 min，軟吹時間18 min，保證了充分的脫氧效果及夾雜物的有效去除。本次生產最終鋼水成分如表3 所示。

表3 30MnSi 最終鋼水成分

3.2.3 連鑄

連鑄過程全保護澆鑄，中包溫度控制在1 530～1 539 ℃，穩定拉速1.6～1.8 m/min，液面波動控制在±3 mm。隨著過熱度的增加，鑄坯中心會出現縮孔，中心偏析級別也會增加[3]，所以將鑄坯過熱度控制在30 ℃以下。同時使用結晶器、末端電磁攪拌，保證鑄坯內部質量。

3.3 軋鋼工藝

本次軋鋼過程，共采用兩種不同軋制方案進行軋制，開始軋制時采用方案一進行軋制，軋制完成后對產品性能進行檢測，發現抗拉強度為639～657 MPa，接近方案要求下限，考慮到正處于夏季高溫天氣（軋制期間處于40 ℃高溫天氣），隨即自220820482-P 批次開始直至軋制結束執行方案二，具體工藝執行如下：

3.3.1 加熱制度

鋼坯正常入爐，及時調整爐內氣氛，采用低溫微正壓操作，減少鋼坯表面氧化，改善鋼材表面脫碳缺陷。兩種方案采用相同加熱制度，鋼坯在爐時間不小于2.5 h，預熱段溫度控制在910 ℃，加熱段溫度控制在1 090 ℃，均熱段溫度控制在1 100 ℃，開軋溫度控制在950 ℃。

3.3.2 軋制制度

兩方案在以下軋制參數上采用相同工藝：開軋前采用高壓水除磷，噴水嘴壓力保證在17 MPa 以上，確保除磷效果；軋制速度65 m/s；軋制規格Φ10 mm。水冷段控制情況為：長流水一區一段、二區一段、二區二段，以保證冷卻效果達到預期。精軋減定徑在非再結晶區軋制，該區域內奧氏體不再結晶長大，晶內形成大量變形帶，成為奧氏體轉變為鐵素體的形核點。將吐絲溫度保持在850 ℃±20 ℃，吐絲溫度的降低可以保證控冷輥道采用緩冷型，冷卻速度較慢，盤條頭尾的氫能得到及時擴散，盤條通條性穩定，形成大量的鐵素體和部分珠光體。具體軋制溫度控制如表4 所示。

表4 30MnSi 軋制溫度控制 單位：℃

3.3.3 冷卻制度

在延遲型斯太爾摩冷卻線上進行軋后鋼材的控制冷卻，采用保溫緩冷工藝，兩方案風機使用情況如表5 所示，軋制輥道速度如表6 所示。

表5 30MnSi 風機使用要求

表6 30MnSi 軋制輥道速度 單位：m/s

4 產品質量分析

4.1 化學成分

經化學成分分析，盤條成分符合工藝設計，具體如表7 所示。

表7 30MnSi 熱軋盤條化學成分

4.2 力學性能分析

本次現場生產30MnSiΦ10 mm 規格盤條，共計軋制33 批次，其中11 批次采用方案一進行軋制，22 批次采用方案二進行軋制。具體性能數據如表8、表9所示。通過數據對比可知，按照方案二執行后，抗拉強度得到明顯提升，提升幅度在20 MPa 以上，雖然斷后伸長率與斷面收縮率略有下降，但是所有數據全部符合內控標準要求。

表8 執行方案一鋼材力學性能

表9 執行方案二鋼材力學性能

4.3 金相組織

通過對不同方案生產的盤條進行顯微組織觀察發現，按照方案一執行的盤條組織均勻，由鐵素體+珠光體組成，無組織異常，珠光體體積分數在40.63%～40.91%，晶粒度為10.5 級，如圖1 所示。按照方案二執行的盤條組織均勻，由鐵素體+珠光體組成，無組織異常，珠光體體積分數在42.16%～43.12%，晶粒度為11.5 級，如圖2 所示。

圖1 方案一盤條顯微組織（500×）

圖2 方案二盤條顯微組織（500×）

通過對比此次生產30MnSi 的兩個不同方案，工藝參數的變更主要體現在風機投用量以及保溫時間上，通過增加風機投用，使吐絲后的鋼材能夠快速降溫，然后在進行保溫緩冷，從而起到調整性能的作用。因本次生產期間，正處于夏季高溫環境，室外溫度最高在40 ℃，環境高溫導致鋼材冷卻效果達不到要求，從而使過冷度降低，導致珠光體轉化量減少，成核量降低，晶粒在經過保溫緩冷，使晶粒相比較長大，最終導致抗拉性能較低。而增加風機后，加快盤條冷卻速度，增大過冷度，使晶體結晶成核量增多，從而使晶粒細化，最終使強度提升。同時溫度是影響珠光體片間距大小的一個主要因素。隨著冷卻速度的增加，奧氏體轉變溫度降低，也即過冷度不斷增大，轉變所形成的珠光體的片間距不斷減小。加熱溫度低、保溫時間短，將加速珠光體的轉變，而珠光體片層間距減小，強度指標上升。

5 結語

此次生產實踐表明，生產過程中應考慮到環境變化對現場軋制性能的影響，并且要通過實驗修改工藝使產品最終性能能夠穩定在要求范圍之內。雖然本次生產通過新方案的使用提高了材料抗拉強度，但是距離方案設定的目標值仍有較大差距，后續還應結合實踐，優化方案，使產品性能更加穩定。