Φ50 mm極限大規(guī)格熱軋螺紋鋼筋開發(fā)

魏 星，荊七一，李文鵬

(1.成渝釩鈦科技有限公司， 四川 內(nèi)江 642469，2.四川省川威集團(tuán)有限公司，四川 內(nèi)江 642469)

隨著國(guó)家世紀(jì)工程川藏鐵路的正式開工，釩鈦科技通過(guò)前期考察、走訪，決定開發(fā)供川藏鐵路用專用鋼材，并將Φ50 mm極限大規(guī)格作為首選開發(fā)規(guī)格。

1 方案制定

1.1 設(shè)計(jì)思路

為了最大限度的提高軋輥利用率，降低生產(chǎn)成本，中棒采用無(wú)孔型軋制，而且為了節(jié)約換輥時(shí)間、提高作業(yè)率，粗、中軋采用共用孔型系統(tǒng)。軋制Φ50 mm極限大規(guī)格由于規(guī)格大、軋制道次少，既要保證軋制順行、又要滿足不影響其他規(guī)格正常生產(chǎn)，因此如何選擇軋制道次就很關(guān)鍵。最初確定了6+4+2(粗軋6道次、中軋4道次和精軋2道次)和4+4+2(粗軋4道次、中軋4道次和精軋2道次)兩種軋制道次方式，通過(guò)綜合考慮，最終考慮采用4+4+2的十道次大壓下的軋制道次方式。生產(chǎn)Φ50 mm規(guī)格螺紋鋼，初期設(shè)計(jì)考慮在中軋12V軋機(jī)出成品，由于中棒12V軋機(jī)到3#飛剪的距離較長(zhǎng)，達(dá)到133.40 m，并且精軋機(jī)組和控溫裝置這一段無(wú)輸送輥道，不利于大規(guī)格軋件的輸送，Φ50 mm規(guī)格螺紋鋼上冷床困難，決定選擇在精軋14V軋機(jī)出成品。

1.2 孔型設(shè)計(jì)

1.2.1 成品K1孔型設(shè)計(jì)

根據(jù)熱軋帶肋鋼筋國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1499.2-2018設(shè)計(jì)K1孔型，成品為月牙肋鋼筋?？紤]到大規(guī)格帶肋鋼筋在建筑工程中的特殊作用，結(jié)合建筑行業(yè)規(guī)范和用戶對(duì)大規(guī)格帶肋鋼筋重量偏差的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)遵循基圓尺寸、橫肋尺寸偏中上限的原則，使鋼筋重量偏差范圍控制在0%～2.5%[1]之間，見圖1。

圖1 Ф50 mm帶肋鋼筋成品孔型圖

1.2.2 中軋延伸孔型設(shè)計(jì)

中軋延伸孔型(K3～K6)采用原軋制Ф50 mm圓鋼相同孔型。

1.3 成品機(jī)架形式

為了避免產(chǎn)生鋼材彎曲時(shí)出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象和減少工藝事故，決定采用18架立式軋制出成品的方式，但由于設(shè)備自身設(shè)計(jì)時(shí)存在缺陷，改由14架立式軋制出成品，雖然增加了成品到上料系統(tǒng)的距離，但通過(guò)測(cè)算滿足軋后鋼材能夠正常上冷床，在實(shí)際生產(chǎn)中也得到很好驗(yàn)證。

2 質(zhì)量改進(jìn)

在前期試軋過(guò)程中，軋后成品出現(xiàn)橫肋高度不夠、表面細(xì)裂紋、表面劃傷和剪切斷面裂紋和力學(xué)性能偏低這幾種主要缺陷，通過(guò)采取設(shè)備改進(jìn)、料型優(yōu)化和工藝優(yōu)化等措施使以上缺陷得到了解決。

2.1 橫肋高度不夠

國(guó)標(biāo)要求50 mm規(guī)格橫肋控制范圍為3.2±1.2 mm，在軋制初期，橫肋高度只有2.0～2.1 mm左右，剛好在國(guó)標(biāo)要求下限，對(duì)此對(duì)成前孔和成品孔進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到增加橫肋高度的目的。首先是橫肋斜角α的設(shè)計(jì)，在GB/T1499.2-2018中規(guī)定橫肋斜角α不應(yīng)小于45°。隨著橫肋斜角α的減小，越有利于橫肋充滿度的提高，反之，則不利于橫肋的充滿度。同時(shí)橫肋斜角又不能太大。一方面，斜角過(guò)大，會(huì)造成橫肋薄而尖，易使軋件在脫槽過(guò)程中，橫肋受到橫肋槽的切割，從而造成橫肋傾倒，嚴(yán)重者會(huì)在中部出現(xiàn)裂痕，從而導(dǎo)致軋制廢品的產(chǎn)生。大規(guī)格鋼筋冷彎和反彎極易在橫肋根部出現(xiàn)裂縫，而造成此現(xiàn)象的一個(gè)主要原因就是橫肋根部存在應(yīng)力集中，消除此處的應(yīng)力集中，將對(duì)提高帶肋鋼筋性能一次合格率具有非常重要的作用，而消除應(yīng)力集中的主要措施之一就是橫肋斜角取下限值，一般在45°～55°之間。我廠Ф50 mm螺紋鋼筋設(shè)計(jì)橫肋斜角α取值55°。

鋼筋縱肋寬度即孔型輥縫處軋出的耳子厚度，取決于軋鋼過(guò)程中的實(shí)際輥縫值。輥縫值S按下式選?。篠=縱肋寬度(標(biāo)準(zhǔn)值)，Ф50 mm螺紋鋼筋成品孔輥縫設(shè)計(jì)值S=4.0 mm，見圖1。

為使帶肋鋼筋的橫肋充滿良好，并利于控制縱肋的高度，螺紋鋼K2孔采用短平橢圓孔型。在確定其槽底直線段長(zhǎng)度和內(nèi)圓弧半徑時(shí)，要保證軋件兩側(cè)弧型的充滿度，同時(shí)使K1孔延伸系數(shù)為1.40以上，見圖2。

圖2 Ф50 mm帶肋鋼筋K2孔型圖

2.2 表面細(xì)裂紋

Φ50 mm規(guī)格做為熱軋螺紋鋼筋中的最大極限規(guī)格，在軋制過(guò)程中軋后成品表面極其容易產(chǎn)生細(xì)裂紋，見圖3。

圖3 Ф50 mm帶肋鋼筋表面細(xì)裂紋

裂紋數(shù)目從一條到多條不等，裂紋深度和長(zhǎng)短不一，嚴(yán)重的甚至可以深入鋼筋圓柱基體，而解決措施主要從鋼坯來(lái)料質(zhì)量進(jìn)行控制，控制鑄坯的皮下氣泡、夾雜和角部裂紋三個(gè)主要質(zhì)量因素。為此，煉鋼工序在冶煉Φ50 mm規(guī)格鑄坯時(shí)采用上精煉爐的方式，同時(shí)降低連鑄拉速不大于3.3 m/min來(lái)予以解決[2]。

軋鋼為了減少裂紋產(chǎn)生的機(jī)率，通過(guò)增加粗軋前除鱗裝置，鋼坯進(jìn)入軋機(jī)前通過(guò)除鱗裝置的高壓水將鋼坯表面的氧化鐵皮去除，避免了氧化鐵皮壓入鋼中從而在后續(xù)軋制中減少細(xì)裂紋產(chǎn)生機(jī)率。同時(shí)，每次軋制Φ50 mm規(guī)格前，軋鋼工序提前對(duì)粗軋的軋輥進(jìn)行更換，新軋輥杜絕堆焊而采用打磨的方式，以保證軋輥表面質(zhì)量，避免焊渣壓入鋼中。

2.3 表面劃傷

由于軋制Φ50 mm規(guī)格時(shí)選擇在14架出成品，由于成品距離上料系統(tǒng)過(guò)遠(yuǎn)，在上料過(guò)程中鋼材表面容易出現(xiàn)劃傷，見圖4。

圖4 Ф50 mm帶肋鋼筋表面劃傷

解決劃傷，關(guān)鍵是在成品出14架成品機(jī)架后，在上料過(guò)程中盡可能減少鋼材表面同地輥、導(dǎo)槽等的接觸，從而避免成品鋼材產(chǎn)生劃傷。為此，每次生產(chǎn)Φ50 mm規(guī)格時(shí)，利用大換輥時(shí)間對(duì)上料系統(tǒng)前的地輥進(jìn)行檢查和更換，并對(duì)機(jī)架間軋槽進(jìn)行更換，同時(shí)還采用軋后控冷的方式，降低鋼材上冷床的溫度，通過(guò)以上措施，軋后成品的表面劃傷得到有效控制。

2.4 冷剪裂紋

由于Φ50 mm規(guī)格屬于熱軋螺紋鋼筋極限大規(guī)格，因此進(jìn)行冷剪時(shí)剪切應(yīng)力巨大，在剪切后極易在剪切斷面形成剪切裂紋，見圖5。冷剪剪切裂紋也是困擾大規(guī)格熱軋螺紋鋼筋生產(chǎn)的一個(gè)難題，通過(guò)多次摸索，發(fā)現(xiàn)軋后鋼筋在較高溫度進(jìn)行剪切時(shí)，剪切應(yīng)力會(huì)迅速降低，從而避免剪切斷面產(chǎn)生裂紋。

圖5 Ф50 mm帶肋鋼筋冷剪裂紋

2.5 力學(xué)性能

由于Φ50 mm規(guī)格是熱軋帶肋鋼筋的極限規(guī)格，在第一次生產(chǎn)HRB500E牌號(hào)的抗震鋼筋時(shí)，既要保證屈服強(qiáng)度達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，又要保證強(qiáng)屈比達(dá)標(biāo)，因此如何設(shè)計(jì)化學(xué)成分和軋制工藝就是一大關(guān)鍵。設(shè)計(jì)思路是控制鋼筋的軋后組織形態(tài)和晶粒度，獲得F+P組織，關(guān)鍵控制點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)化。

鋼材晶粒細(xì)化主要是通過(guò)較高的晶核形核率和較低的晶粒長(zhǎng)大速度達(dá)到，在軋制過(guò)程中需要從加熱工藝、軋后控冷和變形速率等方面進(jìn)行控制，使得奧氏體在軋制過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的溫度，增大奧氏體轉(zhuǎn)變過(guò)冷度，加大鐵素體的形核率，促使晶粒細(xì)化從而達(dá)到提高鋼材的綜合性能[3]。

由于我廠采用鋼中添加V合金元素路線，在制定加熱工藝時(shí)需要考慮足夠高的加熱溫度促使V合金全部溶解到奧氏體中發(fā)揮沉淀強(qiáng)化的作用，同時(shí)還要考慮加熱溫度過(guò)高，加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致奧氏體晶粒聚集長(zhǎng)大，弱化晶粒細(xì)化強(qiáng)度，因此需要綜合考慮V合金充分溶解的情況下盡可能降低加熱溫度和加熱時(shí)間。同時(shí)為了控制軋后鋼材晶粒的長(zhǎng)大，采用軋后控冷的方式抑制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，降低先析出鐵素體析出量。

結(jié)合以上多方面影響因素綜合考慮，對(duì)鋼坯在加熱爐內(nèi)的加熱溫度、加熱時(shí)間和上冷床溫度進(jìn)行多次試軋和摸索，得出利于晶粒細(xì)化，提高軋后鋼材力學(xué)性能的工藝制度。

3 攻關(guān)效果

3.1 方案固化

通過(guò)前期試軋，摸索出一套適合Φ50 mm規(guī)格生產(chǎn)的工藝技術(shù)方案，并形成固化，使得軋后鋼筋在力學(xué)性能和表面質(zhì)量上都滿足國(guó)標(biāo)要求。

3.1.1 化學(xué)成分(見表1)

表1 Φ50HRB500E成分 單位：%

3.1.2 軋制參數(shù)(見表2)

表2 軋制工藝參數(shù)

采用4+4+2的十道次大壓下的軋制方式，并且進(jìn)行除鱗，軋后采用控冷工藝，冷剪切采用快節(jié)奏高溫冷剪的軋制工藝。

3.1.3 軋制工藝

3.2 經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)幾次大批量生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到提升，具體如下，見表3。

表3 Φ50 mm規(guī)格經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)對(duì)Φ50 mm規(guī)格前期多次試軋，針對(duì)試軋過(guò)程中出現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題，從設(shè)備改進(jìn)、料型優(yōu)化和工藝優(yōu)化三方面入手得到有效控制，并對(duì)工藝進(jìn)行固化，為大批量生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)。

(2)Φ50 mm規(guī)格的成功開發(fā)，標(biāo)志著我公司在熱軋螺紋鋼筋實(shí)現(xiàn)了Φ12～50 mm全規(guī)格覆蓋，有利于提高公司市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和占有率。

(3)Φ50 mm規(guī)格的成功開發(fā)，使得我公司成為西南地區(qū)為川藏鐵路供貨的唯一廠家，為我公司打造川渝地區(qū)建筑用鋼第一品牌提供了有力支撐。