宣鋼Φ36 mm和Φ40 mm大規格螺紋鋼的開發生產

田鵬松

（宣化鋼鐵集團有限責任公司，河北 宣化 075100）

隨著國民經濟的不斷發展，公路、鐵路、高樓等基礎建設項目不斷增加，Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼的需求量也越來越大。由于大規格螺紋鋼斷面大、承載能力更強，其更多地應用于載荷高或高層建筑方面。熱軋直條螺紋鋼作為宣化鋼鐵集團有限責任公司（以下簡稱“宣鋼”）產量最大的產品，最大規格為Φ32 mm，為適應市場需求，豐富企業產品品種結構，提升企業的市場競爭力，開發更大規格、更高強度的螺紋鋼顯得尤為重要。

宣鋼的二棒生產線于2012年3月建成投產，工廠設計由中冶京誠負責，加熱爐由中冶南方威仕爐工業公司總承包，軋線工藝技術設計由意大利達涅利公司負責，全線的設備設計則由達涅利中國公司負責，軋線的工藝設計、設備裝備處于國內領先水平，再加上配套的工藝設施及設備裝備，該生產線完全具備開發生產更大規格、更高強度螺紋鋼的條件。根據宣鋼統一安排，決定在二棒生產線開發Φ36 mm、Φ40 mm規格螺紋鋼。

1 產線介紹

宣鋼二棒生產線加熱爐為常規步進式加熱爐，燃料采用焦轉混合煤氣，通過合理布置燒嘴，使鋼坯受熱更均勻。軋線全線共有18架達涅利短應力線軋機，呈平立交替布置。冷床為步進齒條式，齒條采用斜齒條的形式，確保軋件在冷床上的平直度。后區配備了冷剪，用于實現不同規格和不同技術要求的定尺剪切，全線還配備了預水冷和QTB水箱，用于實現軋件的控軋控冷。二棒生產線的工藝流程如圖1所示。

圖1 二棒生產線工藝流程圖

2 開發生產

2.1 鋼坯化學成分設計

宣鋼二棒生產線使用的鋼坯斷面尺寸為165 mm×165 mm，Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼采用單線軋制，考慮到壓縮比較小、成品斷面尺寸偏大等因素，采用釩微合金化技術來保證成品鋼材的力學性能指標。釩加入微合金鋼中會形成VC，屬中間相，在較低的加熱溫度下，其碳化物可以完全溶解到奧氏體中，因此釩的利用率高，對沉淀強化的貢獻大，通過釩的強化機制，可達到提高鋼坯強度、細化晶粒的目的。

合金元素V（釩）具有較強的沉淀強化作用，且細化晶粒的作用也較強，而且能加速γ-α的轉變，降低了貝氏體、馬氏體出現的幾率，可形成穩定的F+P組織。目前宣鋼螺紋鋼的生產就是采用V微合金化的工藝，已對該工藝的生產控制要點有了相當的掌握，可以準確地控制V合金元素的添加量，在保證力學性能指標的同時，最大限度節約生產成本。由于大規格螺紋鋼的壓縮量比較小，在進行鋼坯化學成分設計時，要充分考慮到化學成分對鋼筋性能的影響，若成分波動較大，則有可能造成尺寸偏下限的鋼筋性能不合[1]，相較于小規格螺紋鋼要適當提高V、Si、Mn等合金元素的含量。

以HRB400E牌號為例，在借鑒Φ32 mm螺紋鋼經驗數據的基礎上，通過回歸分析，制定Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼對應的化學成分，具體如表示1所示。

表1 Φ36 mm、Φ40 mm-HRB400E螺紋鋼化學成分控制標準 %

2.2 孔型設計

2.2.1 延伸系數分配

三棒生產線坯料斷面尺寸為165 mm×165 mm，根據Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼的斷面面積可以得出總延伸系數，再結合軋制道次數，算出平均延伸系數，在此基礎上對各道次的延伸系數進行分配，具體分配情況如表2所示。

表2 Φ36 mm、Φ40 mm螺紋鋼的延伸系數表

在分配各道次的延伸系數時要考慮到以下因素：軋制開始時，軋件溫度高，變形抗力低，但此時軋件氧化鐵皮厚，摩擦系數低，應主要考慮咬入條件；之后軋件斷面逐漸減小，變形系數相對提高，此時可使變形系數不斷增加并達到最大值；隨著變形抗力增加，電機能力和軋輥強度成為限制變形系數的主要因素，應適當降低變形系數；在最后幾道中，為減小孔型磨損、保證成品斷面形狀和尺寸的正確性，應采用較小的變形系數。

2.2.2 孔型系統設計

在考慮孔型共用性的基礎上進行孔型系統設計，粗中軋孔型和現有產品保持一致，需設計精軋孔型系統，這樣既可以節約軋輥、導衛等工藝件的投入，又可以使料型穩定，保證開發生產的順利進行。粗中軋采取箱-橢圓-圓孔型系統，運用箱型孔型系統和大壓下技術，保證變形的均勻性，增加鋼坯的變形量，有利于將鋼坯內部因加熱產生的粗大柱狀晶破碎，細化晶粒，提高鋼材的組織性能。中軋采用橢圓-圓孔型系統，使斷面形狀過渡緩和、變形均勻，能較好地防止金屬產生局部附加應力；件斷面上無尖銳棱角，斷面溫度分布均勻，可避免軋件表面產生裂紋、折疊等缺陷，提高產品質量；軋件頭部形狀較好、方便咬入；軋件冷卻和變形均勻[2]。精軋孔型為“橢圓-圓-平橢圓-螺”孔型系統[3]。

結合宣鋼Φ25 mm～Φ28 mm螺紋鋼的孔型系統，成品前孔K2采用平橢圓孔型，可強制金屬橫向流動，以增加成品孔螺紋鋼橫肋寬展，保證橫肋飽滿、尺寸合格。此外，平橢圓孔型也可增加橢圓軋件在孔型中的穩定性，減少軋件頭部對成品孔型的沖擊，盡可能減少軋制中的工藝廢品。

2.2.2.1 成品孔（K1）孔型

Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼主要應用于大型工程、重點工程，因此，在進行成品孔型系統的設計時，按照小負差進行設計，基圓直徑及橫肋高度按照中上限設計尺寸，基圓采用雙圓弧過渡，圖2為螺紋鋼成品孔（K1）孔型示意圖，圖3為螺紋鋼橫斜斜角示意圖。

圖2 螺紋鋼成品孔（K1）孔型示意圖

圖3 螺紋鋼橫肋斜角示意圖

圖中：R2為螺紋鋼孔型基圓半徑，mm；R1為螺紋鋼孔型過渡圓弧半徑，mm；h為橫肋高度，mm；c為橫肋末端間隙，mm，軋輥加工時橫肋打通至輥環，即輥縫高度。

其中，通過比照圓鋼成品孔型設計，可得到半徑R2的計算方法：

式中：d為過渡圓弧直徑；1.007～1.020為熱膨脹系數，根據終軋溫度和鋼種而定；螺紋鋼采用負差軋制，這里選用Δ_即公稱尺寸的下限。

橫肋的高度既要考慮孔型的壽命，也要考慮到銑槽加工、軋輥消耗、鋼筋重量偏差和橫肋的充滿度等因素，因此選取規則為[4]：h=標準尺寸+（0.1～0.3）。

α為橫肋斜角，標準要求不得小于45°，而且大規格螺紋鋼在冷彎過程中易產生微小裂紋，橫肋斜角α與應力集中程度關系密切，隨著角α的減小，作用在橫肋側面的正壓力值亦減小，彎曲應力值降低，相應剪應力也減小，應力集中趨勢得到緩和[5]，一般選取50°～55°。

2.2.2.2 成品前（K2）孔型

金屬在成品孔內要充滿凹槽，以形成周期性變化的橫肋，因此，成品前孔（K2）是保證成品孔型充滿的關鍵。平橢圓雙半徑孔型能夠保證成品孔型內鋼材充滿良好，且軋槽磨損均勻、調整方便，與成品孔進口滾動導衛配合使用，使其優點更加突出。設計K2孔型時要考慮K1孔型的延伸系數，K1的延伸系數以控制在1.25～1.30為佳[6]。圖4為螺紋鋼成品前孔（K2）孔型示意圖，孔型高度、寬度均由前后道次的圓形孔或箱形孔決定，槽口寬度需驗算軋件寬展量[7]。

圖4 螺紋鋼成品前孔（K2）孔型示意圖

2.3 開發生產

在上述工作都準備好之后，根據計劃安排，在二棒生產線相繼開發了Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼，并獲得一次性成功，工藝指標受控，生產過程穩定，檢測各項力學性能指標（包括屈服強度、抗拉強度、強屈比、彎曲度）、表面質量、成品幾何尺寸均符合標準要求，屈服強度平均在440～460 MPa，抗拉強度為605～630 MPa，這也證明了鋼坯的化學成分設計合理，利用V微合金化的冶煉工藝可以滿足大規格螺紋鋼的力學性能指標要求。表3為牌號HRB400E-Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼的成品幾何尺寸和力學性能抽測表。

表3 HRB400E-Φ36 mm、Φ40 mm螺紋鋼成品尺寸和力學性能抽測表

考慮到Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼主要應用于重點工程，且需求量相對較小，因此在設計孔型及組織生產時，負偏差按照1.0%～2.5%控制。負偏差控制的要點：孔型設計中各部尺寸按照中上限設計；調整料型時要保證來料的尺寸滿足要求[8]。Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼穩定生產以后，將成品架次應用于高速鋼軋輥，高速鋼表現出很好的耐磨性和淬透性[9]，軋輥耐磨性大大提高，成品架次軋輥單槽過鋼量也相應提高。

3 結論

宣鋼的二棒生產線成功開發了Φ36mm、Φ40mm大規格螺紋鋼，產品開發一次性成功，檢測各項力學性能指標（包括屈服強度、抗拉強度、強屈比、彎曲度）、表面質量、成品幾何尺寸均符合標準要求，并將成品架次應用于高速鋼軋輥，軋輥耐磨性大大提高。Φ36 mm、Φ40 mm大規格螺紋鋼的成功開發，豐富了產品品種結構，提升了企業市場競爭力。