鄂鋼Φ50mm直條HRB635E高強(qiáng)鋼筋的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)工藝優(yōu)化
2025-03-21 09:26:45
隨著現(xiàn)代化建筑技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的要求也越來(lái)越高。高強(qiáng)鋼筋作為建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的重要組成部分，其性能和質(zhì)量直接影響著建筑物的安全性和耐久性。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)投入和建筑行業(yè)的快速發(fā)展，大規(guī)格高強(qiáng)鋼筋的需求量急劇增加。HRB635E 作為新一代高強(qiáng)鋼筋，因其優(yōu)異的力學(xué)性能和良好的焊接性，被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)重大工程中。然而，大規(guī)格 HRB635E 鋼筋的生產(chǎn)技術(shù)難度較大，對(duì)坯料設(shè)計(jì)、加熱工藝、軋制技術(shù)及后續(xù)處理等環(huán)節(jié)均有嚴(yán)格要求。因此，如何有效解決這些問(wèn)題，提高大規(guī)格高強(qiáng)鋼筋的生產(chǎn)質(zhì)量和效率，成為鋼鐵企業(yè)亟待攻克的技術(shù)難題。
1 Φ50mm 直條 HRB635E 高強(qiáng)鋼筋的開(kāi)發(fā)意義
鄂城鋼鐵軋材廠棒三生產(chǎn)線 2019 年 1 月建成投產(chǎn)，全線共有 18 架平立交替布置的連軋機(jī)，其中粗軋機(jī)組6 架，均為Φ550 軋機(jī)；中軋機(jī)組 6 架，7#～8#為Φ550軋機(jī)，9#～12#為Φ420 軋機(jī)；精軋機(jī)組 6 架，均為Φ320 軋機(jī)�，F(xiàn)主要生產(chǎn)Φ12～25mm 螺紋鋼，其中Φ12、14mm 螺紋鋼四切分軋制、Φ16、18mm 螺紋鋼三切分軋制、Φ20～25mm 螺紋鋼兩切分軋制。年設(shè)計(jì)能力 85萬(wàn)噸，現(xiàn)已達(dá)到 120 萬(wàn)噸。生產(chǎn)鋼種為低合金鋼：HRB400E、HRB500E 等。
高強(qiáng)鋼筋是指屈服強(qiáng)度達(dá)到 500MPa 級(jí)及以上的熱軋帶肋鋼筋，相比于普通鋼筋，它具有更高的強(qiáng)度、綜合性能更優(yōu)的特點(diǎn)，可以承受更大的荷載，提高了混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全性。當(dāng)前鄂城鋼鐵鋼軋廠直條螺紋鋼以 生 產(chǎn) Φ12-40mmHRB400E 為主 、 并少量生產(chǎn)Φ12-32mmHRB500E、HRB600E。而對(duì)于大型高層建筑和大跨度公共建筑，優(yōu)先采用 500MPa 級(jí)及以上高強(qiáng)鋼筋，且部分重點(diǎn)橋梁等建筑需要大規(guī)格高強(qiáng)鋼筋。因此我廠應(yīng)市場(chǎng) 需求 在棒二 產(chǎn)線 開(kāi)發(fā)Φ50mm大規(guī)格直條HRB635E 高強(qiáng)鋼筋生產(chǎn)工藝。
隨著螺紋鋼市場(chǎng)環(huán)境進(jìn)一步惡化，降本增效的壓力逐漸增大，因此需合理設(shè)計(jì)Φ50mmHRB635E 坯料成分、加熱溫度以及成品孔尺寸等等，使生產(chǎn)出的產(chǎn)品既要滿足質(zhì)量、性能要求，又要做到成本最低。開(kāi)發(fā) Φ50mm直條 HRB635E 高強(qiáng)鋼筋對(duì)于滿足大型工程需求、推動(dòng)鋼鐵行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、提高資源利用效率、降低能源消耗和污染排放、提升產(chǎn)品附加值以及增強(qiáng)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能力具有重要意義，是鋼鐵企業(yè)響應(yīng)市場(chǎng)需求、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。
2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求
表1 Φ50mmHRB635E 高強(qiáng)鋼筋尺寸、重量偏差符合要求。
表1 Φ50mmHRB635E 高強(qiáng)鋼筋尺寸、重量偏差表
2.2 Φ50mmHRB635E 高強(qiáng)鋼筋性能達(dá)標(biāo)：
屈服強(qiáng)度 ReL≥635MPa，抗拉強(qiáng)度 Rm≥795MPa，最大力總延伸率 Agt/%≥9.0，R°m/R°eL≥1.25，R°eL/ReL≤1.30。
3 工藝設(shè)計(jì)方案
3.1 成分設(shè)計(jì)
目前 HRB635E 鋼坯的熔煉成分一般依據(jù)國(guó)標(biāo)：GBT1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼 第 2 部分：熱軋帶肋鋼筋》中 HRB600 對(duì)應(yīng)成分進(jìn)行調(diào)控：
現(xiàn)有小規(guī)格Φ12-32mmHRB600E 成分如下：
在相同的坯料規(guī)格下，隨著軋制規(guī)格的增大，軋件壓縮比減小，鋼筋強(qiáng)度越低，因此同樣成分的坯料，軋制大規(guī)格容易出現(xiàn)性能不合；且本次開(kāi)發(fā)的 HRB635性能要求高于 HRB600E，因此Φ50mmHRB635E 坯料成分需重新設(shè)計(jì)。
直條高強(qiáng)鋼筋通常采用微合金化工藝，利用鈮、釩等的加入，形成鈮、釩的碳化物、氮化物在鋼中的沉淀析出，達(dá)到細(xì)化晶粒和沉淀析出強(qiáng)化的目的，從而改善鋼筋性能。
Nb 是強(qiáng)碳氮化物形成元素，通過(guò)固溶于基體中，有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化的作用。但是 Nb 的碳氮化物析出溫度比 V 的要高，在鋼筋軋制過(guò)程中的析出強(qiáng)化作用往往不明顯，且 Nb 的含量太高，會(huì)增加軋件開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。
V 元素是 600MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼筋中最重要的合金化元素，能夠通過(guò)析出強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化等強(qiáng)化方式有效提高鋼筋強(qiáng)度，并能夠充分利用廉價(jià)的 N元素，是較經(jīng)濟(jì)的微合金方式。
C 溶解于基體中，通過(guò)固溶強(qiáng)化能夠顯著提高鋼筋強(qiáng)度，還能夠與強(qiáng)碳化物形成元素結(jié)合形成碳化物，起到細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的作用。但另一方面，C 顯著提高鋼筋淬透性，含量過(guò)高會(huì)使組織中出現(xiàn)貝氏體或馬氏體，降低鋼筋的塑性，惡化鋼筋的焊接性能。為保證良好的綜合性能，600MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼筋的 C 含量可設(shè)計(jì)在 0.22%-0.28%范圍內(nèi)。
Si 能夠通過(guò)固溶強(qiáng)化提高強(qiáng)度，有利于提高鋼筋的彈性極限和屈服強(qiáng)度，也是重要的脫氧劑；Si 還能夠促進(jìn) VC 的析出，強(qiáng)化 V 的析出效果。600MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼筋的 Si 含量可設(shè)計(jì)在 0.40%-0.80%范圍內(nèi)。
Mn 能夠顯著提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度，但同時(shí)也會(huì)提高淬透性，當(dāng) Mn 含量超過(guò) 1.5%時(shí)，易使鋼筋出現(xiàn)異常組織，對(duì)延伸性和可焊性都是不利的。Mn 含量還會(huì)影響到氮化釩的析出，Mn 含量越高，析出的 VN 含量就越少，因此，合適的 Mn 含量控制范圍為 1.30%-1.60%。P、S 都是有害元素，P、S 含量較高時(shí)，會(huì)降低鋼筋的塑形和韌性，軋制過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，對(duì)焊接和冷彎性能也是有害的，設(shè)計(jì)成分時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件盡可能降低 P 和 S 的上限值。
目前 HRB600E 鋼坯中 C、Mn 成分已接近上限，因此Φ50mmHRB635E 熔煉 成 分 選 擇 在 現(xiàn) 有 軋 制 Φ12-32mmHRB600E 鋼坯成分基礎(chǔ)上進(jìn)行 V、Si 成分控制優(yōu)化；另外，結(jié)合 HRB635E 實(shí)際生產(chǎn)中軋件頭、尾出現(xiàn)開(kāi)裂的情況頻繁，對(duì) P、S 的成分控制亦進(jìn)行了優(yōu)化。最終確定Φ50mmHRB635E 用鋼坯按以下成分進(jìn)行控制：
表 2 HRB635E 鋼坯的熔煉成分表
表 3 Φ50mmHRB635E 用鋼坯成分表
3.2 鋼坯加熱工藝設(shè)計(jì)
加熱溫度較長(zhǎng)或加熱溫度過(guò)高會(huì)造成粗大的原始奧氏體晶粒，溫度太低或加熱時(shí)間太短會(huì)影響相變以及合金元素?cái)U(kuò)散的均勻性從而影響鋼筋性能。因此合理設(shè)計(jì)加熱工藝非常重要。查閱相關(guān)資料得知，因HRB635 合金元素的含量較高，鋼坯均熱段溫度至少要達(dá)到 1150℃，V 的碳化物、氮化物方可充分溶解。結(jié)合實(shí)際性能情況，先后將加熱段溫度、均熱段溫度上下限均提升 10℃、15℃，加熱時(shí)間由 80min 延長(zhǎng)至100min，以提高合金元素?cái)U(kuò)散的均勻性，改善鋼筋性能。
另外，針對(duì)鋼坯頭、中、尾部溫差大（60℃左右），導(dǎo)致鋼材同條性能差異大的問(wèn)題，進(jìn)行了以下改進(jìn)：（1）將預(yù)熱段供熱負(fù)荷降低，預(yù)熱段溫度由原來(lái)的≤1050℃優(yōu)化為≤950℃，從而使加熱段和均熱段供熱負(fù)荷提高，煤氣量得到提升，燃燒火焰長(zhǎng)度加長(zhǎng)；（2）降低熱值增加流量以及切除加熱段、均熱段燒嘴的方法，增加加熱段、均熱段燃燒火焰長(zhǎng)度，最終實(shí)現(xiàn)鋼坯頭、中、尾部溫差控制在 30℃以?xún)?nèi)。
優(yōu)化后的Φ50mmHRB635E 加熱溫度制度如下：
表 4 優(yōu)化后的Φ50mmHRB635E 加熱溫度制度
3.3 控冷工藝
考慮到Φ50mmHRB635 為國(guó)家重點(diǎn)工程用鋼，為了防止鋼筋生銹和確保鋼筋的質(zhì)量，選擇軋件出 14#架后自然空冷，不采取控冷工藝。
3.4 軋制工藝設(shè)計(jì)
3.4.1 孔型系統(tǒng)選擇
橢-圓孔型系統(tǒng)可在延伸孔型中軋出成品圓鋼，因此橢-圓孔型系統(tǒng)常用于軋制圓鋼。實(shí)際生產(chǎn)中，除 K1和 K2 孔外，相同規(guī)格的圓鋼和螺紋鋼都是共用一套孔型的，因此螺紋鋼延伸孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)與圓鋼相同，精軋孔型系統(tǒng)選擇橢-圓孔型系統(tǒng)；前面的道次考慮來(lái)料坯型較大，而箱形孔型系統(tǒng)具有軋槽淺、軋輥強(qiáng)度高、可采取的變形量較大的特點(diǎn)，適用于大型和中型斷面的延伸孔型，因此前兩個(gè)道次選擇箱形孔型系統(tǒng)。
3.4.2 壓下量設(shè)計(jì)
用壓下系數(shù)確定軋制道次：軋制道次=lg 總延伸系數(shù)/lg 平均延伸系數(shù)總延伸系數(shù)=坯料斷面積/成品斷面積=（160*160）/（3.14*25*25）=13.04；橢-圓孔型系統(tǒng)平均延伸系數(shù)一般選取 1.3，則軋制道次=9.8，也就是需要 10 道次完成。1#、2#用于 240mm2 方、200mm2方坯料開(kāi)坯，目前在用 160mm2 方坯坯料，因此 1#、2#空過(guò)。軋制Φ50mm 螺紋，成品長(zhǎng)約 120m，考慮到 12#距離冷床 200 米左右，沿線輥道較長(zhǎng)，如果選擇 11#、12#出成品，存在軋件在軋線走不動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)；而 12#距離 13#約有 60 米長(zhǎng)，因此選擇 13#、14#出成品。綜上，連軋工藝確定為：1#軋機(jī)（平軋機(jī)）空過(guò)，2#軋機(jī)（立軋機(jī)）空過(guò)，3#-10#軋機(jī)（平、立軋機(jī)交替），11#/12#空過(guò)，13#軋機(jī)（平軋機(jī)）為成品前道次，14#軋機(jī)（立軋機(jī)）即成品道次。根據(jù)成品尺寸要求，按變形總量分配各道次壓下量：3#、4#采用箱形孔，通過(guò)大壓下量來(lái)實(shí)現(xiàn)軋制變形，5#-14#為橢或圓孔型，要采用小壓下量來(lái)控制寬展，保證軋制穩(wěn)定、軋件尺寸滿足要求。3#為第一道次，需考慮咬入順暢問(wèn)題，咬入角α一般不大于 26 度，根據(jù)△h=D（1-cosα）公式（△h為壓下量，D 為軋輥工作輥徑）可計(jì)算出最大壓下量，一般壓下量設(shè)定為 45～50mm；參考孔型設(shè)計(jì)書(shū)籍，寬展系數(shù)（=△b/△h，△b 為寬度變形量）約 0.25～0.55，箱形孔取值 0.27 可計(jì)算出 3#軋件展寬量；橢圓孔一般取值 0.4-0.5，圓孔取值一般 0.3-0.4，結(jié)合各道次寬展系數(shù)可計(jì)算出各道次軋件尺寸，具體如表 5：
表 5 計(jì)算出各道次軋件尺寸表
3.4.3 孔型設(shè)計(jì)：
孔型設(shè)計(jì)中孔型的選擇非常重要，尤其是成品孔，尺寸設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致尺寸不符合要求以及負(fù)差軋不出來(lái)，即實(shí)際重量大于理論重量，造成成本上升。初始設(shè)計(jì)中由于內(nèi)徑 d、橫筋與鋼筋表面的夾角α以及橫筋高度設(shè)計(jì)偏大，出現(xiàn)尺寸富余量較足，負(fù)差值偏小。下面重點(diǎn)介紹優(yōu)化后的成品孔設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容：成品孔內(nèi)徑 d：螺紋鋼圓形槽底的磨損大于其他各處，并考慮負(fù)偏差軋制，因此設(shè)時(shí)選用選用部分負(fù)偏差乘以冷縮系數(shù) 1.012～1.013，即成品孔內(nèi)徑 d=[d0-（0～1.0）△-]×（1.005～1.015）（△-為內(nèi)徑允許最大負(fù)偏差，d0 為成品內(nèi)徑的公稱(chēng)直徑），HRB635E 熱膨脹系數(shù)取值1.013，內(nèi)徑 d 由原來(lái)的 48.5 優(yōu)化為 48.3mm。Φ40～70mm 圓鋼成品輥縫一般取值 3～4mm，Φ50mm 規(guī)格螺紋輥縫 s 參考圓鋼的設(shè)計(jì)，并考慮長(zhǎng)時(shí)間軋制孔型磨損后便于軋件調(diào)整，按最大值 4mm 取值。成品孔內(nèi)徑開(kāi)口寬度 Bk：按成品孔內(nèi)徑及輥縫畫(huà)圖后，測(cè)量值為48.13mm。橫筋高 h：為使橫筋高度不超出最大正偏差，而當(dāng) K2 來(lái)料不能將此橫筋充滿，以及孔型內(nèi)徑磨損后，亦不致小于負(fù)偏差值，同時(shí)為便于軋制時(shí)脫槽，減少?zèng)_出口衛(wèi)板纏輥故障，銑槽深度一般較標(biāo)準(zhǔn)中的公稱(chēng)尺寸大 0.4mm。結(jié)合實(shí)際軋制情況，橫筋高度由原來(lái)的3.6 優(yōu)化為 3.0mm。橫筋頂部寬度 b：頂部寬度值不能選擇的太小，如采用負(fù)偏差設(shè)計(jì)，則軋制時(shí)金屬很難充滿橫筋，以及軋件在成品孔脫槽難易程度，橫筋寬度按公稱(chēng)尺寸或比公稱(chēng)尺寸大 0.3-0.5mm 控制。結(jié)合實(shí)際軋制情況，b 由原來(lái)的 2.5 減小至 2.3mm。橫筋間距 L：為延長(zhǎng)軋輥使用壽命，在選擇間距 L 值時(shí)，應(yīng)選用一定程度的正偏差以增加重車(chē)次數(shù)、節(jié)約輥耗。按公稱(chēng)尺寸大 0.3-0.4mm 設(shè)計(jì)、并計(jì)算橫筋銑槽數(shù)量。為了使軋件容易脫槽，橫筋與軸線夾角β按 65°設(shè)計(jì)。為了增大負(fù)差，橫筋和鋼筋表面夾角α由原來(lái)的 55°改為 47.5°。
按照以上工藝設(shè)計(jì)原理，成品孔具體如下圖：
圖 1 成品孔具體設(shè)計(jì)圖
3.5 開(kāi)發(fā)成果
實(shí)施例 1 鋼坯成分驗(yàn)收，162mm×162mmHRB635E鋼坯包括以下重量百分比的元素：C 0.27%、Si 0.67%、Mn 1.55%、V 0.169%、P 0.022%、S 0.027%、Nb 0.016，碳當(dāng)量 Ceq 0.57%。
實(shí)施例 2 本實(shí)施例與實(shí)施例 1 基本相同，區(qū)別之處在于本實(shí)施例中鋼坯包括以下重量百分比的元素：C 0.27%、Si 0.69%、Mn 1.56%、V 0.168%、P 0.031%、S 0.033%、Nb 0.015，碳當(dāng)量 Ceq 0.57%。結(jié)果見(jiàn)表 6：
表 6 HRB635E 高強(qiáng)鋼筋開(kāi)發(fā)與實(shí)施例總結(jié)表
通過(guò)合理的成分、加熱工藝以及孔型設(shè)計(jì)等等，成品外形尺寸合格；按設(shè)計(jì)成分軋制的鋼筋力學(xué)性能全面達(dá)標(biāo)。實(shí)現(xiàn)成功開(kāi)發(fā)Φ50mmHRB635E 高強(qiáng)鋼筋，并具備批量生產(chǎn)的能力。
4 結(jié)語(yǔ)
鄂城鋼鐵鋼軋廠積極開(kāi)展新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的影響因素眾多，任何一個(gè)因素設(shè)計(jì)不合理會(huì)導(dǎo)致成本上升、性能不合或者成品尺寸不合等等問(wèn)題，新產(chǎn)品成本太高使得利潤(rùn)降低、無(wú)開(kāi)發(fā)的意義；性能、尺寸等不合預(yù)示著開(kāi)發(fā)失敗。鋼軋廠通過(guò)認(rèn)真分析新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)，并不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)了Φ50mmHRB635E 高強(qiáng)鋼筋成功開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了鄂鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，并實(shí)現(xiàn)低成本高質(zhì)量生產(chǎn)，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
