減量化生產HRB400E抗震鋼筋的研究與實踐

陳太生

（天津冶金集團軋三友發鋼鐵有限公司，天津301606）

1 引言

隨著國家逐漸加大對高強度鋼筋在各種建筑和基礎設施建設中的廣泛應用，加快了鋼筋產品更新換代的腳步，特別是在經歷了汶川等強烈地震后，鋼筋抗震問題被廣泛關注。我公司在生產HRB335、HRB400的基礎上，開發設計出HRB400E抗震鋼筋，在滿足熱軋帶肋鋼筋國家標準GB1499.2各項性能指標的同時，又滿足了抗震性能指標要求。2013年4月，我公司分別對Φ36 mm、Φ32 mm、Φ28 mm、Φ22 mm、Φ12mm 等 5個規格HRB400E螺紋鋼筋進行試制，并取得了成功。

2 研制的主要目的及方法

（1）研究的主要目的是：①實現較低的成本生產高性能、高品質產品，節約資源提高產品市場競爭力。②通過合理的成分設計、合理的加熱制度、利用無孔型軋制技術合理調整軋鋼各道次壓下量實現形變位錯強化、細晶晶界強化，從而減少微合金的用量。

（2）實現形變位錯強化的關鍵是如何控制形變過程產生的高密度位錯在高溫狀態下的迅速消失。使用高爐煤氣合理調整空燃比降低軋鋼溫度，采用低溫軋制技術，是細化晶粒、保留高密度位錯的較好途徑。

3 工藝路線

轉爐→LF爐精煉→連鑄（150方坯）→步進式冷床冷卻→檢驗→入庫→步進式加熱爐→粗軋機組→中軋機組→精軋機組→步進式冷床冷卻→檢驗→入庫。

3.1 煉鋼工藝要求

（1）120 t轉爐采用高拉補吹，指導出鋼條件如表1所示。

表1 出鋼條件

（2）轉爐出鋼后，鋼水進LF爐造白渣精煉，調節成分，保證軟吹時間和精煉出站溫度。

（3）連鑄全程保護澆注，拉速為2.0～2.5 m/min。鑄坯斷面150 mm×150 mm，定尺長度12 m。

3.2 軋鋼工藝要求

（1）加熱制度

加熱爐為空煤雙蓄熱步進式加熱爐，額定加熱能力150 t/h，采用汽化冷卻工藝，燃料為高爐煤氣。

以均熱段爐溫控制鋼坯的出爐溫度，以出爐溫度控制開軋溫度。鋼坯溫度控制：1000～1200℃。

（2）軋制控制

棒材全連軋機組由粗軋機組φ600 mm×4+φ500 mm×2、中軋機組 φ500 mm×2+φ400 mm×4、精軋機組 φ400 mm×2+φ350 mm×4共 18架軋機組成，精軋機組出口最高速度18 m/s。

軋機全部為平立交替布置，前八架為摩根型牌坊式軋機，后十架全部為高剛度短應力線軋機。中軋機組后三架軋機之間設有活套，中軋機組后布置有冷卻水箱，控制軋制溫度。精軋機組的第四架和第六架為平立可轉換軋機，各架軋機間設有活套，全線生產可實現無扭軋制。精軋機組后布置有軋后余熱處理裝置，可使螺紋鋼產品的強度提高一個等級。

粗軋機組：采用微張力控制軋制，各道次出口紅坯尺寸按軋制程序表執行。

中、精軋機組：采用活套控制軋制，嚴格控制各架紅坯尺寸，確保尺寸精度。

從加熱溫度到終軋溫度進行全過程控溫軋制，實現鋼材晶粒細化、提高鋼材機械性能。

4 標準要求

按GB1499.2—2007標準組織生產，國標對抗震鋼筋的化學成分要求：

文獻[1]規定HRB400E化學成分和碳當量（熔煉分析）應符合表2的規定，根據需要鋼中還可以加入 V、Nb、Ti等元素。

表2 HRB400E抗震鋼筋的化學成分 /%

碳當量Ceq（百分比）值可按下式計算:

根據 GB1499.2—2007中規定抗震鋼筋HRB400E的力學性能特征值及工藝性能要求：

（1）屈服強度 Rel≥400 MPa。

（2）抗拉強度 Rm≥540 MPa。

（3）延伸率A≥16%。

（4）冷彎、反彎性能良好。

但HRB400E除應滿足以上要求外，還應滿足以下抗震性能指標：

（1）鋼筋實測抗拉強度與實測屈服強度之比R°m/R°el≥1.25。

（2）鋼筋實測屈服強度與標準規定的屈服強度特征值之比R°el/Rel≤1.30（即實測屈服強度≤520 MPa）。

（3）抗震鋼筋要求最大力總伸長率Agt≥9%。

其中，R°m為鋼筋實測抗拉強度；R°el為鋼筋實測屈服強度。

5 鋼坯的冶煉成分及鋼筋產品性能

5.1 方案一（成分中添加微量元素V）

表3 方案一成分設計 /%

表4 方案一試生產Φ36mm規格成分 /%

表5 方案一試生產Φ36mm規格力學性能

如表3～表9所示。

分析：該方案中，鋼筋性能數據統計可得，HRB400E整體屈服強度、抗拉強度均偏高，當鋼筋中V化學成分達到0.058%及以上時，易出現實測屈服強度大于520 MPa導致屈屈比（R°el/Rel）大于1.30 而使產品不合格，并使強屈比（R°m/R°el）小于1.25產品力學性能不合格現象。

表6 方案一試生產Φ22mm規格成分 /%

表7 方案一試生產Φ22mm規格力學性能

表8 方案一試生產Φ12mm規格成分 /%

表9 方案一試生產Φ12mm規格力學性能

從方案一的化學成分設計結果分析，試生產HRB400E性能個別爐次鋼筋塑性低，強度高，機械性能穩定性較差。因此，優化鋼坯成分時，重點從適度降低鋼筋屈服強度和抗拉強度，提高鋼筋綜合性能考慮，兼顧降低鋼筋制造成本。

5.2 方案二（成分中適當下調微量元素V）

表10 方案二成分優化 /%

表11 方案二試生產Φ32mm規格成分 /%

表12 方案二試生產Φ32mm規格力學性能

如表10～表16所示。

從上述“方案二”鋼筋性能數據統計可得，HRB400E屈服強度、抗拉強度均適中，屈屈比（R°el/Rel）、強屈比（R°m/R°el）均符合標準，其它性能指標也符合標準。HRB400E經過熔煉成分優化，V成分下調，Mn成分略有提高，鋼筋成分符合窄成分設計區間，鋼筋強度降到合理水平，塑性有所提高，性能穩定性較好，鋼筋軋制成品后合格率為100%，而且所加合金量少，特別是V的含量的降低，有效地降低了生產成本，達到預期目的。

表13 方案二試生產Φ28mm規格成分 /%

表14 方案二試生產Φ28mm規格力學性能

表15 方案二試生產Φ12mm規格成分 /%

表16 方案二試生產Φ12mm規格力學性能

6 小結

（1）對鋼筋進行釩微合金化方法，并采用了合理的冶煉、加熱和軋制等生產工藝參數，成功開發了HRB400E抗震鋼筋。

（2）對鋼筋進行窄成分范圍設計，合理減少所添加合金量，既保證了抗震鋼筋的綜合性能穩定，又能降低鋼筋制造成本，經濟效益顯著。

（3）試驗數據可以看出，不同規格產品由于壓縮比不同對成分要求有差別，有條件企業可以分規格確定成分范圍。在軋鋼工序內，在按爐送鋼的原則下，按規格選擇入爐坯料，以確保產品的力學性能。

（4）此次對HRB400E的試生產收到了很好的效果，今后還將逐步摸索經驗，改進工藝，確保工藝穩定和產品的質量。

[1]G B 1499.2—2007，熱軋帶肋螺紋鋼筋[S].

[2]王子亮.螺紋鋼生產工藝與技術[M].北京：冶金工業出版社，2008.

[3]蔡開科.連鑄坯質量控制[M].北京：冶金工業出版社，2010.