大規格港標500B鋼筋的研制

吳昌飛

（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠， 山東 萊蕪 271104）

大規格港標500B鋼筋的研制

吳昌飛

（山鋼股份萊蕪分公司棒材廠， 山東 萊蕪 271104）

研究香港螺紋鋼筋標準CS2：2012，結合客戶對螺紋鋼筋氮含量w（N）低于120×10-6的要求，使用釩鐵微合金化成分設計，探索出大規格鋼筋工藝穩定控制模型。采用軋后控制冷卻工藝，研制出大規格港標500B螺紋鋼筋，開拓香港市場并得到了客戶及市場的肯定。

500B螺紋鋼筋 微合金化 控制冷卻 工藝模型

港標CS2：2012標準中雖對鋼中氮含量有一段這樣的說明：“如果能夠證明有足夠數量的氮黏結元素與氮相結合，使得游離氮的數量不超出本標準規定時，可允許較高的氮含量。”但用戶要求所有狀態氮的含量w（N）累計不超120×10-6，致使釩氮微合金化熱軋工藝生產不可行。若以加適量釩鐵微合金化軋后控制冷卻工藝生產，因大規格鋼筋截面大，在穿水器中行進困難，造成產品性能不穩定。據市場反饋的情況看，在大陸鋼廠鮮見采用這種工藝生產大規格鋼筋，個別生產廠雖有涉足，但終因產品性能控制不穩未獲市場認可。所以以釩鐵微合金化軋后控冷工藝生產鋼筋，關鍵是提高其淬透性的成分設計，建立工藝溫度穩定控制模型，鎖定鋼筋組織形態，穩定鋼筋性能，同時輔以橫肋外形的獨特設計來改善大規格控冷鋼筋彎曲性能。本次研制確定釩鐵微合金化軋后控制冷卻的工藝路線，在棒材廠中小型產線采用。

中小型產線加熱爐為三段連續步進梁式加熱爐，共16架軋機，分別是粗軋6架、中軋6架、精軋4架，配置長為120 m的步進式冷床。本次試制的Ф32 mm、Ф40 mm規格都是由中軋末道次（12號軋機）出成品，Ф50 mm規格空過9號、10號中軋末道次（12號軋機）出成品，進入后續軋后控冷裝置，軋后控冷裝置配置4臺增壓泵，提水由2臺300S58水泵完成。

1 港標500B鋼筋成分的設計

1.1 原始成分設計

1.1.1 釩含量的確定

由于客戶對500B鋼筋有嚴格的要求，所以N以釩氮微合金的形式加入，但是這勢必提高N含量超標的風險，所以在以釩鐵微合金的形式加入N時，應同時考慮山鋼股份萊蕪分公司棒材廠所用鋼坯一般含氮量w（N）=60×10-6左右的現狀，鑒于釩氮理想的優化比例（4:1）和低氮鋼中釩以V（C，N）的形式存在并析出的比例較低［1］，設計釩含量w（V）的控制限在0.03%～0.04%。

1.1.2 硼含量的確定

考慮硼5010B鋼筋（w（B）≥0.000 8%）的出口退稅以及硼元素回收的不穩定性和硼對控冷鋼筋淬透性的有利作用，確定硼的含量w（B）在0.001%～0.003 5%之間。

1.1.3 硅錳含量的確定

考慮錳能明顯提高鋼的淬透性，以及在降低鋼的淬火溫度、增加奧氏體冷卻時的過冷度、細化珠光體組織以改善其力學性能方面的作用，借鑒以往在國標HRB400控冷工藝生產中硅錳添加量的成熟經驗，結合500 MPa的屈服性能要求，確定錳含量w（Mn）的控制限在1.35%～1.55%之間，硅含量w（Si）的控制限在0.40%～0.55%之間。

1.1.4 初始化學成分（見表1）

表1 港標500B鋼筋初始化學成分 %

2 工藝穩定控制模型的建立

2.1 目前大規格控冷鋼筋生產存在的問題

目前，大規格控冷鋼筋生產存在的主要問題是屈服強度波動大，存在彎曲裂紋，表面銹蝕。究其主要成因是穿水后軋件溫度控制不均，表現在通條鋼筋頭尾溫度低、中間溫度高，同時同一截面上下面溫度也有差異，導致組織性能異常，鋼筋內部組織形態不受控，性能不穩定。成分偏析及夾雜物的影響是造成彎曲裂紋的主因，但橫肋和控冷鋼筋組織形態對冷彎也有一定的影響［2］。受設備因素及冷卻介質的影響，穿水冷卻不均勻，淬硬層深度不夠，鋼筋強度不穩定，屈服強度偏低。

2.2 試制期間的工藝調整及成分優化

2.2.1 第一輪試制情況

鑒于橫肋形態對彎曲性能的影響，在鋼筋橫肋形態設計時采用了小螺旋角設計，同時在橫肋根部用電火花修磨進行圓弧過渡。本輪次主要對Φ40 mm和Φ50 mm規格進行了生產試制，開軋溫度為1 030～1 060℃，軋速均為3 m/s，開2臺泵供水，生產車間水冷線4臺增壓泵全開，軋后設三段冷卻器，水量為1 100 m3/h左右，水壓為8.5 kg。鋼上冷床后回火溫度在620～560℃之間，倍尺中間部位溫度略高，倍尺尾部溫度偏低，通條溫度偏差大。

2.2.1.1 第一次試制工藝布置（見圖1）

圖1 第一次試制工藝布置

2.2.1.2 第一次試制材性能數據（如表2所示）

表2 第一次試制材性能數據 MPa

2.2.1.3 第一次金相圖分析

試制材總體性能偏低，考慮到時效影響，性能極有可能低于下限500 MPa。在試制過程中，控冷后軋件溫度波動范圍大，倍尺通條性能相差大于100 MPa。從金相組織分析看，幾乎沒有貝氏體組織的出現（見圖2-2），淬硬層厚度也很薄。分析原因，認為在這種軋后冷卻線的布置形式下軋件實現了短時強冷，表面溫度雖大幅降低至Ms點以下，出現回火馬氏體組織（見圖2-1），但表面淬硬層深度不夠，鋼筋心部與表面溫差大，心部與表面之間的過渡區域適合貝氏體形成的溫度區間范圍極窄，外加后期的自回火原因，未見貝氏體組織的出現。此外，倍尺中部鋼筋橫截面心部鐵素體+珠光體組織粗大（見圖2-3）。這些原因導致鋼筋整體性能不高，組織不一致，性能波動大。再次試制須對軋后冷卻做進一步的改進，并對鋼筋成分做進一步的調整，使工藝參數跟進優化。

圖2 Ф40 mm第一次試制材金相圖

2.2.2 第二輪試制情況

在第一輪試制的基礎上做了如下優化：一是對軋后冷卻裝置及布置做了優化。增加一段強快速冷卻裝置，將原三段冷卻裝置作為持續弱冷裝置，同時在每段冷卻裝置后增設托輥結構。二是對鋼筋成分做了適量的微調。從提高鋼的淬透性、增強Mn和V的固溶強化效果出發，將Φ50 mm規格C和Mn的含量（質量分數）下限提高0.1%，將V含量w（V）調整為0.05%～0.06%。調整后的鋼筋化學成分見表3。三是對各段冷卻器水壓、水量分段設置，同時進行軋速與冷卻水參數匹配性試驗。

表3 港標500B鋼筋改進后化學成分 %

2.2.2.1 Φ50 mm試制情況

開軋溫度1 010～1 040℃，開4臺泵，水壓10～13.5 kg，總流量1 120 m3/h。當軋速為2.7 m/s時，鋼筋上冷床自回火倍尺頭部溫度585℃、尾部620℃；當軋速為2.2 m/s時，鋼筋上冷床自回火倍尺頭部溫度575℃、尾部590℃。

2.2.2.2 Φ40 mm試制情況

開軋溫度1 010～1 040℃，開4臺泵，水壓10～11.5 kg，總流量1 100 m3/h。當軋速為3.2 m/s時，鋼筋上冷床自回火倍尺中部溫度597℃、尾部610℃；當軋速為3 m/s時，鋼筋上冷床自回火倍尺中部溫度569℃、尾部574℃。

2.2.2.3 Φ32 mm試制情況

開軋溫度1010～1040℃，開4臺泵，水壓10～11.5kg，總流量1150m3/h。當軋速為3.5m/s時，鋼筋上冷床自回火倍尺頭部溫度590℃、中部溫度597℃、尾部610℃；當軋速為4.8 m/s時，鋼筋上冷床自回火倍尺頭部溫度610℃、中部溫度612℃、尾部612℃。

2.2.2.4 第二次試制工藝布置（如圖3所示）。

圖3 第二次試制工藝布置

2.2.2.5 第二次試制金相圖分析

以Ф40 mm規格、3.2 m/s軋速，鋼筋上冷床自回火倍尺中部溫度597℃、尾部610℃，屈服強度在630 MPa左右為例，分析試制材金相圖。從鋼筋截面往內（見圖4），基圓邊部為回火馬氏體組織，過渡區域（弧線框定區）存在一定量的貝氏體組織，到基圓內部是細化的鐵素體和珠光體組織，基圓心部也是鐵素體和珠光體組織，相比基圓內部略有粗化。

圖4 Ф40 mm第二次試制材金相圖

2.2.3 改進及優化效果分析

鋼筋成分的優化、冷卻裝置及方式的改進在提高溫度控制穩定性的同時使得鋼筋心部與表面溫差收窄，心部與表面之間的過渡區域適合貝氏體形成的溫度區間范圍變寬，利于過渡區域貝氏體環的形成。同時，托輥裝置將軋件托起，一是避免了軋件對穿水器內部構件的磨損，而這些磨損將改變穿水器內部構件的角度設計影響冷卻效果；二是將軋件托起使軋件始終處于冷卻“水環”的中間，軋件與穿水器的摩擦由滑動變為滾動，減少了軋件前行的阻力，利于鋼筋通條溫度及同截面溫度的穩定控制。終軋速度的調整摸索，在穩定濁環水水溫的同時對軋件通條溫度的穩定控制及性能穩定起到重要作用。在后期的金相分析中看到回火索氏體和貝氏體組織的出現（圖4-6白色環狀部分）并形成有一定的含量，而回火索氏體、貝氏體相比回火馬氏體、鐵素體和珠光體組織有更好的韌性，這對提高鋼筋強度和冷彎等綜合性能有很大的幫助［3］。

2.3 工藝穩定控制模型的建立

基于第二次試驗的情況，確定控冷工藝模型是特定軋速+軋后快速冷卻+箱式多段弱冷+穩定的上冷床溫度控制（600～620℃）的溫度控制模型。整個模型的設備構件由過橋輥道、快速冷卻裝置、三段持續緩冷裝置組成，其工藝布置如圖5所示。

圖5 溫度控制模型工藝布置

3 批量生產效果

特定的終軋速度與冷卻水參數實現了平衡，通過快速冷卻+持續緩冷裝置以及水流量和壓力的合理控制分配，達到精確控制鋼筋上冷床溫度的目的，在后期的控制中也得到驗證，鋼筋通條溫差可以被控制在20℃以內，鋼筋組織性能的一致性得到有效保證（見表4）。

表4 鋼筋組織性能

4 結論

1）大規格港標500B螺紋鋼筋的研制項目自2014年6月份開始進入研制歷程以來，在充分研讀標準及客戶交流的基礎上，結合棒材廠現有裝備的實際情況，在中小型生產線進行軋后控制冷卻工藝生產，采用釩鐵微合金化成分設計優化，建立了特定軋速+軋后快速冷卻+箱式多段弱冷+穩定的上冷床溫度控制的溫度控制模型，性能得以穩定控制。

2）大規格港標500B鋼筋生產工程以山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司為實體在香港土木工程拓展所成功注冊，得到客戶及市場的肯定。

［1］ 楊才福，張永權等.釩-氮微合金化鋼筋的強化機制［J］.鋼鐵，2001，36（5）：55-57.

［2］ 李學勤，侯大華，顧林娜，等.改善大規格螺紋鋼筋工藝性能的研究［J］.冶金叢刊，2001（1）：15-17.

［3］ 石德珂.材料科學基礎［M］.北京：機械工業出版社，1999：347-352.

（編輯：胡玉香）

The Development of Large-scale 500B Hong Kong Standard Reinforced Bar

WU Changfei
（Laiwu Branch Rod Factory of Shandong Steel Co.，Ltd Laiwu，Shandong 271104）

Researching Hong Kong reinforced bar standard CS2:2012，combining the customer requirement with nitrogen content in w（N）that lower than 120×10-6，and using the design of vanadium iron micro alloying elements，which explores the model of large-scale reinforced bar process stability control.It adopted accelerating control cooling technology，and developed the large scale 500B reinforced bar，which exploits the Hong Kong markets，gains customer and market fully affirmed at the same time.

500B reinforced bar，microalloying，controlled cooling，process model

TG335.6+4

A

1672-1152（2016）05-0067-04

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.25

2016-08-11

吳昌飛（1982—）男，工程師，工學學士，主要從事軋鋼技術研究、質量管理等工作。