HRB400E抗震鋼筋控軋控冷工藝生產實踐

李 璟 何曉波

（安陽鋼鐵股份有限公司）

0 前言

2018年11月1日正式實施的新國標有以下幾點要求：（1）取消了HRB335牌號；（2）增加了HRB600牌號；（3）增加了金相組織檢驗的規定；（4）增加了宏觀金相、截面維氏硬度、微觀組織及檢驗方法等。因此，余熱淬火鋼筋已經無法滿足新國標的要求。

而控軋控冷工藝與余熱淬火工藝有本質的區別，鋼筋的控軋控冷工藝主要是利用“細晶強化”機理[1]，由于這種工藝是鋼筋的整體強化，所以沒有穿水冷卻那種明顯的內外溫度、組織、性能不均，也減少了穿水冷卻遇到的時效問題和焊接問題。與低溫軋制相比，軋機負荷沒有增加，不用改造設備，現場很容易實現。由此可見，采用控制軋制和控制冷卻技術可取得明顯的經濟和社會效益，提高企業的競爭力。

1 試驗生產

在熱軋態HRB400E鋼筋原有成分體系下，分別采用單獨控冷、控軋+控冷工藝來研究不同工藝對鋼筋力學性能和金相組織的影響。制定合理的軋制工藝，進一步優化成分體系，在保證鋼筋性能的同時，達到降低合金成本的目的。

1.1 單獨控冷試驗生產

試驗規格為18 mm，牌號為HRB400E，其化學成分及力學性能見表1。本次試驗采用熱軋+控冷的工藝進行試驗，通過采用不同水壓水量控制鋼筋上冷床的溫度，對應不同工藝得到不同的鋼筋性能見表2，屈服強度對比趨勢如圖1所示。

表1 HRB400E控冷試驗化學成分

試驗結果表明：（1）對比熱軋態力學性能，采用單獨控冷工藝的鋼筋強度隨著上冷床溫度的降低而升高，Agt相應降低。（2）采用較強穿水冷卻工藝（投用2段冷卻水箱，上冷床溫度為720～760 ℃），鋼筋的強度有大幅度提高，屈服強度提高約50 MPa，抗拉強度提高了16～20 MPa；采用較弱穿水冷卻工藝（投用1段冷卻水箱，上冷床溫度為871 ℃），屈服強度提高10了 MPa，抗拉強度相差不大。（3）采用單獨控冷工藝比采用熱軋工藝生產的鋼筋的屈服強度提高了50～70 MPa，抗拉強度提高了12～55 MPa，采用穿水冷卻工藝的鋼筋的屈服強度比抗拉強度提高的幅度更大，從而造成了鋼筋強屈比的下降，穿水后鋼筋的強屈比平均為1.25。

表2 HRB400E控冷工藝鋼筋力學性能

圖1 不同上冷床溫度下鋼筋強度對比

觀察不同上冷床溫度下鋼筋的金相組織（如圖2～6所示），上冷床溫度為720～740 ℃，鋼筋橫斷面均出現了閉合的過冷組織——回火馬氏體，由于基體組織的變化帶來強度的提高；隨著上冷床溫度的提高，冷卻速率降低，過冷組織在鋼筋橫斷面的邊界變得不明顯；當上冷床溫度為760 ℃時，鋼筋邊部為回火馬氏體和珠光體的混合組織，使得鋼筋強度提高的幅度下降。上冷床溫度為871 ℃時，鋼筋橫斷面沒有異常組織，全部為鐵素體+珠光體，晶粒度為8.5級；金相組織與熱軋態相差不大。

圖2 不同上冷床溫度低倍宏觀組織

圖3 上冷床溫度為710 ℃金相組織

圖4 上冷床溫度為760 ℃金相組織

圖5 上冷床溫度為871 ℃金相組織

圖6 熱軋態金相組織

1.2 控軋+控冷試驗生產

前期的試驗結果表明：采用單獨控冷工藝，上冷床溫度低于相變溫度，鋼筋表面生成回火馬氏體組織[2]，鋼筋強度提高幅度大，但是不符合新國標要求；上冷床溫度高于相變溫度，不會出現回火馬氏體組織，但是鋼筋強度提高非常有限。因此，必須采用控制軋制配合軋后控冷工藝，控制軋制的目的是適量降低精軋入口溫度，使得鋼筋在變形過程中累積更多的畸變能，為后續的相變提供更多的形核點[3]，從而細化組織晶粒；軋后控冷的目的是控制軋后冷卻速率，阻止相變后鐵素體晶粒的長大[4]，細化晶粒，提高鋼筋強度。

試驗規格為18 mm，牌號為HRB400E，其化學成分和力學性能見表3。本次試驗采用控軋+控冷的工藝進行試驗，通過采用不同水壓水量控制鋼筋精軋入口溫度及上冷床溫度，對應不同工藝鋼筋力學性能見表4，屈服強度對比趨勢如圖7所示。

圖7 不同上冷床溫度下鋼筋強度對比

表3 HRB400E控軋+控冷試驗化學成分

表4 HRB400E控軋+控冷試驗力學性能

試驗結果表明：和熱軋態的力學性能相比，采用控軋控冷工藝生產的HRB400E鋼筋的屈服強度提高了約21～39 MPa，抗拉強度提高了17～31 MPa，Agt與強屈比略有降低。力學性能均能滿足新國標的技術要求。

觀察不同工藝下鋼筋的金相組織（如圖8～9所示），熱軋態與控軋控冷工藝鋼筋的橫斷面均沒有異常組織，全部為鐵素體+珠光體。采用控軋控冷工藝生產的鋼筋的晶粒度為9～9.5級，比熱軋態工藝下鋼筋的晶粒度提高了0.5～1級，并且組織更加均勻，消除了高溫軋制時出現的魏氏組織。

圖8 熱軋態工藝鋼筋金相組織

圖9 控軋+控冷工藝鋼筋金相組織

2 批量生產的實物水平

根據試驗結果，采用控軋控冷工藝能提高鋼筋的強度，約30 MPa，結合現場軋機裝備情況，在原有HRB400E鋼筋成分體系基礎上，降低了Mn、V合金的加入量，具體生產工藝及產品質量見表5、表6。

表5 HRB400E不同工藝下軋制制度 ℃

表6 HRB400E不同工藝下成分體系及力學性能

從表6可以看出，采用控軋控冷工藝，各規格鋼筋的平均屈服強度為445～458 MPa，平均強屈比為1.34，性能富余量適中。對比熱軋態HRB400E鋼筋的成分體系，釩合金平均降低了0.005%，Mn合金降低了0.07%。采用控軋控冷工藝同樣能夠保證鋼筋的力學性能滿足國標要求，并且可以降低鋼筋合金加入量，大大降低合金成本。

對鋼筋進行金相觀察，其金相組織為鐵素體+珠光體（如圖10所示），未發現回火馬氏體、魏氏組織等異常組織，晶粒度為9～9.5級，完全滿足新國標的技術要求。

3 結論

（1）采用單獨軋后控冷工藝，上冷床溫度過低，鋼筋會產生回火馬氏體，不符合新國標的技術要求；上冷床溫度過高則對鋼筋強度的提高貢獻不大，無法達到降低合金成本的目的。

（2）采用控軋+控冷工藝，控制鋼筋精軋入口溫度為（1 000±20）℃，并將鋼筋上冷床溫度控制在（900±20）℃，此工藝條件下的鋼筋強度富余量適中，金相組織為鐵素體+珠光體，完全滿足新國標的技術要求。

圖10 控軋+控冷工藝鋼筋金相組織

（3）與熱軋態工藝HRB400E鋼筋成分體系相比，采用控軋控冷工藝，釩合金平均降低了0.005%，Mn合金降低了0.07%，具有非常可觀的經濟效益。