鄂鋼Φ50mm直條HRB635E高強鋼筋的開發(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，對結(jié)構(gòu)材料的要求也越來越高。高強鋼筋作為建筑結(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，隨著國家對基礎(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)格高強鋼筋的需求量急劇增加。HRB635E 作為新一代高強鋼筋，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，對坯料設(shè)計、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題，提高大規(guī)格高強鋼筋的生產(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 高強鋼筋的開發(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，其中粗軋機組6 架，均為Φ550 軋機；中軋機組 6 架，7#～8#為Φ550軋機，9#～12#為Φ420 軋機；精軋機組 6 架，均為Φ320 軋機�，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)計能力 85萬噸，現(xiàn)已達到 120 萬噸。生產(chǎn)鋼種為低合金鋼：HRB400E、HRB500E 等。
高強鋼筋是指屈服強度達到 500MPa 級及以上的熱軋帶肋鋼筋，相比于普通鋼筋，它具有更高的強度、綜合性能更優(yōu)的特點，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。而對于大型高層建筑和大跨度公共建筑，優(yōu)先采用 500MPa 級及以上高強鋼筋，且部分重點橋梁等建筑需要大規(guī)格高強鋼筋。因此我廠應(yīng)市場 需求 在棒二 產(chǎn)線 開發(fā)Φ50mm大規(guī)格直條HRB635E 高強鋼筋生產(chǎn)工藝。
隨著螺紋鋼市場環(huán)境進一步惡化，降本增效的壓力逐漸增大，因此需合理設(shè)計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。開發(fā) Φ50mm直條 HRB635E 高強鋼筋對于滿足大型工程需求、推動鋼鐵行業(yè)技術(shù)進步、提高資源利用效率、降低能源消耗和污染排放、提升產(chǎn)品附加值以及增強國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)能力具有重要意義，是鋼鐵企業(yè)響應(yīng)市場需求、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵舉措。
2 產(chǎn)品設(shè)計要求
表1 Φ50mmHRB635E 高強鋼筋尺寸、重量偏差符合要求。
表1 Φ50mmHRB635E 高強鋼筋尺寸、重量偏差表
2.2 Φ50mmHRB635E 高強鋼筋性能達標(biāo)：
屈服強度 ReL≥635MPa，抗拉強度 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)計方案
3.1 成分設(shè)計
目前 HRB635E 鋼坯的熔煉成分一般依據(jù)國標(biāo)：GBT1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼 第 2 部分：熱軋帶肋鋼筋》中 HRB600 對應(yīng)成分進行調(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；且本次開發(fā)的 HRB635性能要求高于 HRB600E，因此Φ50mmHRB635E 坯料成分需重新設(shè)計。
直條高強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，達到細化晶粒和沉淀析出強化的目的，從而改善鋼筋性能。
Nb 是強碳氮化物形成元素，通過固溶于基體中，有細化晶粒和沉淀強化的作用。但是 Nb 的碳氮化物析出溫度比 V 的要高，在鋼筋軋制過程中的析出強化作用往往不明顯，且 Nb 的含量太高，會增加軋件開裂的風(fēng)險。
V 元素是 600MPa 級高強鋼筋中最重要的合金化元素，能夠通過析出強化、固溶強化以及細晶強化等強化方式有效提高鋼筋強度，并能夠充分利用廉價的 N元素，是較經(jīng)濟的微合金方式。
C 溶解于基體中，通過固溶強化能夠顯著提高鋼筋強度，還能夠與強碳化物形成元素結(jié)合形成碳化物，起到細晶強化和析出強化的作用。但另一方面，C 顯著提高鋼筋淬透性，含量過高會使組織中出現(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 級高強鋼筋的 C 含量可設(shè)計在 0.22%-0.28%范圍內(nèi)。
Si 能夠通過固溶強化提高強度，有利于提高鋼筋的彈性極限和屈服強度，也是重要的脫氧劑；Si 還能夠促進 VC 的析出，強化 V 的析出效果。600MPa 級高強鋼筋的 Si 含量可設(shè)計在 0.40%-0.80%范圍內(nèi)。
Mn 能夠顯著提高鋼筋的抗拉強度，但同時也會提高淬透性，當(dāng) Mn 含量超過 1.5%時，易使鋼筋出現(xiàn)異常組織，對延伸性和可焊性都是不利的。Mn 含量還會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，會降低鋼筋的塑形和韌性，軋制過程中易產(chǎn)生裂紋，對焊接和冷彎性能也是有害的，設(shè)計成分時應(yīng)根據(jù)實際生產(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)上進行 V、Si 成分控制優(yōu)化；另外，結(jié)合 HRB635E 實際生產(chǎn)中軋件頭、尾出現(xiàn)開裂的情況頻繁，對 P、S 的成分控制亦進行了優(yōu)化。最終確定Φ50mmHRB635E 用鋼坯按以下成分進行控制：
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
加熱溫度較長或加熱溫度過高會造成粗大的原始奧氏體晶粒，溫度太低或加熱時間太短會影響相變以及合金元素擴散的均勻性從而影響鋼筋性能。因此合理設(shè)計加熱工藝非常重要。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到 1150℃，V 的碳化物、氮化物方可充分溶解。結(jié)合實際性能情況，先后將加熱段溫度、均熱段溫度上下限均提升 10℃、15℃，加熱時間由 80min 延長至100min，以提高合金元素擴散的均勻性，改善鋼筋性能。
另外，針對鋼坯頭、中、尾部溫差大（60℃左右），導(dǎo)致鋼材同條性能差異大的問題，進行了以下改進：（1）將預(yù)熱段供熱負(fù)荷降低，預(yù)熱段溫度由原來的≤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，燃燒火焰長度加長；（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、均熱段燃燒火焰長度，最終實現(xiàn)鋼坯頭、中、尾部溫差控制在 30℃以內(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 為國家重點工程用鋼，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
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)；前面的道次考慮來料坯型較大，而箱形孔型系統(tǒng)具有軋槽淺、軋輥強度高、可采取的變形量較大的特點，適用于大型和中型斷面的延伸孔型，因此前兩個道次選擇箱形孔型系統(tǒng)。
3.4.2 壓下量設(shè)計
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方坯料開坯，目前在用 160mm2 方坯坯料，因此 1#、2#空過。軋制Φ50mm 螺紋，成品長約 120m，考慮到 12#距離冷床 200 米左右，沿線輥道較長，如果選擇 11#、12#出成品，存在軋件在軋線走不動的風(fēng)險；而 12#距離 13#約有 60 米長，因此選擇 13#、14#出成品。綜上，連軋工藝確定為：1#軋機（平軋機）空過，2#軋機（立軋機）空過，3#-10#軋機（平、立軋機交替），11#/12#空過，13#軋機（平軋機）為成品前道次，14#軋機（立軋機）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，通過大壓下量來實現(xiàn)軋制變形，5#-14#為橢或圓孔型，要采用小壓下量來控制寬展，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)計書籍，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)可計算出各道次軋件尺寸，具體如表 5：
表 5 計算出各道次軋件尺寸表
3.4.3 孔型設(shè)計：
孔型設(shè)計中孔型的選擇非常重要，尤其是成品孔，尺寸設(shè)計不當(dāng)，會導(dǎo)致尺寸不符合要求以及負(fù)差軋不出來，即實際重量大于理論重量，造成成本上升。初始設(shè)計中由于內(nèi)徑 d、橫筋與鋼筋表面的夾角α以及橫筋高度設(shè)計偏大，出現(xiàn)尺寸富余量較足，負(fù)差值偏小。下面重點介紹優(yōu)化后的成品孔設(shè)計相關(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)徑的公稱直徑），HRB635E 熱膨脹系數(shù)取值1.013，內(nèi)徑 d 由原來的 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，并考慮長時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)徑開口寬度 Bk：按成品孔內(nèi)徑及輥縫畫圖后，測量值為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，同時為便于軋制時脫槽，減少沖出口衛(wèi)板纏輥故障，銑槽深度一般較標(biāo)準(zhǔn)中的公稱尺寸大 0.4mm。結(jié)合實際軋制情況，橫筋高度由原來的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，則軋制時金屬很難充滿橫筋，以及軋件在成品孔脫槽難易程度，橫筋寬度按公稱尺寸或比公稱尺寸大 0.3-0.5mm 控制。結(jié)合實際軋制情況，b 由原來的 2.5 減小至 2.3mm。橫筋間距 L：為延長軋輥使用壽命，在選擇間距 L 值時，應(yīng)選用一定程度的正偏差以增加重車次數(shù)、節(jié)約輥耗。按公稱尺寸大 0.3-0.4mm 設(shè)計、并計算橫筋銑槽數(shù)量。為了使軋件容易脫槽，橫筋與軸線夾角β按 65°設(shè)計。為了增大負(fù)差，橫筋和鋼筋表面夾角α由原來的 55°改為 47.5°。
按照以上工藝設(shè)計原理，成品孔具體如下圖：
圖 1 成品孔具體設(shè)計圖
3.5 開發(fā)成果
實施例 1 鋼坯成分驗收，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%。
實施例 2 本實施例與實施例 1 基本相同，區(qū)別之處在于本實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)果見表 6：
表 6 HRB635E 高強鋼筋開發(fā)與實施例總結(jié)表
通過合理的成分、加熱工藝以及孔型設(shè)計等等，成品外形尺寸合格；按設(shè)計成分軋制的鋼筋力學(xué)性能全面達標(biāo)。實現(xiàn)成功開發(fā)Φ50mmHRB635E 高強鋼筋，并具備批量生產(chǎn)的能力。
4 結(jié)語
鄂城鋼鐵鋼軋廠積極開展新產(chǎn)品開發(fā)工作，新產(chǎn)品開發(fā)的影響因素眾多，任何一個因素設(shè)計不合理會導(dǎo)致成本上升、性能不合或者成品尺寸不合等等問題，新產(chǎn)品成本太高使得利潤降低、無開發(fā)的意義；性能、尺寸等不合預(yù)示著開發(fā)失敗。鋼軋廠通過認(rèn)真分析新產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵點，并不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了Φ50mmHRB635E 高強鋼筋成功開發(fā)，促進了鄂鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，并實現(xiàn)低成本高質(zhì)量生產(chǎn)，增強了產(chǎn)品競爭力。
