HRB400E盘螺工艺优化

李 探，刘学森

（天津钢铁集团有限公司，天津300301）

0 引言

HRB400E作为建筑用钢，已经广泛应用到建筑、桥梁、港口、水电等重大基础设施的建设中。国家和社会对该钢筋的质量非常关注，同时节能环保政策逐渐严格，给钢铁行业提出更高要求，在保证质量的前提下减少钢材用量已成为行业趋势[1-4]。通常钢铁行业生产HRB400E盘螺，是在HRB400基础成分上添加钒等微量合金生产，随着钒等合金价格的上涨，造成HRB400E盘螺生产成本提高，企业的经济效益下降[5-7]。鉴于市场和成本的压力，公司准备采用不加钒等微量合金的成分设计思路，通过制定合理的化学成分、优化轧制和风冷工艺、调整产品的组织，生产出性能满足GB/T1499.2-2018要求HRB400E盘螺，不仅可以降低生产成本、增加效益，还可以扩大市场占有率。

1 轧制生产线简介

不加钒的HRB400E盘螺是在摩根5代高速线材轧机试制，轧制工艺流程为：150×150 mm2方坯→双蓄热式加热炉→高压水除鳞→卡断剪→粗轧机组6架→1#飞剪→中轧机组6架→2#飞剪→预精轧机组4架→3#飞剪→精轧前水箱→精轧机组10架→4组精轧后水箱→吐丝机→斯泰尔摩风冷线→集卷→P/F空冷线→精整→检验→打包→称重挂牌→成品入库。摩根5代高速线材轧机设备水平完全可以满足HRB400E热轧带肋抗震钢筋的生产需要。但在试生产初期出现钢筋的屈服强度低，通条性不稳定的问题。

2 影响HRB400E盘螺性能的主要因素分析

2.1 化学成分的影响

一般HRB400E热轧带肋抗震钢筋的生产方法是在HRB400的基础上加钒、铌等微量合金，但随着钒、铌等合金合金价格的上涨，HRB400E生产成本增加，利润空间被严重挤压，此次优化成分不做比较。

另外碳结钢中含碳量在低于0.8%以下时，增加碳含量有利于盘螺强度的提高，提高钢中锰含量也可以提高钢材的强度性能，但通过成本对比发现，提高钢中锰含量的成本要高于增加碳含量一个数量级，因此此次优化成分重点是围绕HRB400基础成分，适当增加碳含量、降低锰含量来开展研制工作。

2.2 轧制工艺的影响

控冷、控轧的目的是通过相变强化机理提高盘螺的机械性能。通过优化加热、轧制和冷却工艺，调整产品的组织形态，改善产品的机械性能，生产出性能满足客户要求和国家标准的产品。

控冷是在热轧盘螺冷却相变过程中，通过调整斯太尔摩风机冷却工艺参数来控制各冷却段的冷却速率，以获得晶粒细小的珠光体组织。晶粒细小的珠光体组织具有良好的强度和韧性，因此可以采用提高细小高珠光体含量的方式提升盘螺性能。根据CCT曲线[8]显示奥氏体向珠光体转变过快，会产生贝氏体组织，而贝氏体组织会造成盘螺冷弯断裂以及无明显屈服现象[9-10]，因此，相变后期采用缓慢冷却方式减少贝氏体产生。HRB400E的CCT曲线见图1。

图1HRB400E的CCT曲线

控轧是通过控制HRB400E盘螺开轧温度，精轧温度，轧制变形速率、轧制速度，终轧温度来获得细小晶粒的强化效果。

3 HRB400E盘螺生产工艺的优化设计

3.1 HRB400E盘螺成分优化

从降低成本的角度，此次化学成分设计是在原有成分的基础上增加了碳含量，为了保证碳当量（Ceq）的稳定，适当的降低了锰含量。Φ10 mm盘螺化学成分优化设计对比见表1。

表1 Φ10 mm盘螺化学成分对比/%

3.2 加热工艺的优化

试验采用原料为150×150 mm2方坯轧制成Φ10 mm盘螺。方坯加热至奥氏体温度区域，消除铸态组织和偏析并使碳化物溶解和奥氏体均匀化，同时要避免加热温度过高与加热时间过长使奥氏体晶粒粗大。出钢温度选择在980℃～1 050℃，加热工艺见表2。

表2 加热工艺参数 /℃

3.3 控轧温度的优化

根据控制轧制的机理，粗中轧选择再结晶区域轧制，目的是消除塑性变形过程中产生的加工硬化，细化奥氏体晶粒，使化学成分更加均匀。由于高速线材轧制已经有较高的变形速率，通过控制进精轧温度在910±20℃，避免奥氏体在再结晶区域轧制形成变形奥氏体晶粒，以便后续获得细小的铁素体晶粒。

3.4 控轧辊速的优化

针对盘螺存在性能不稳定的问题，进行轧制辊速的研究。采用在同一风机风量工艺下，不同的轧制辊道速度进行对比研究。不同辊速下力学性能见表5。

通过性能对比发现，0.60 m/s辊道速度慢，盘螺间距小，冷却时间长，屈服强度提高，伸长率和最大力下总伸长率下降明显，散差较大。0.70 m/s辊道速度快，盘螺间距大，冷却时间短，屈服强度下降，伸长和最大力下总伸长率有所上升。使用0.65 m/s辊道速度，屈服强度提高明显，伸长率和最大力下总伸长率数值较好，散差较小。因此Φ10.0 mm盘螺选择0.65 m/s辊道速度，轧后冷却速度平均6.75℃/s的冷却工艺比较理想。

3.5 控冷工艺的优化

选取同一炉号150×150 mm2HRB400E方坯做工艺对比，采用工艺1与工艺2进行不同工艺的试制生产。针对Φ10.0 mm盘螺屈服强度低的问题，采用同一辊道速度，不同风机风量进行工艺对比见表3。

表3 控冷工艺参数表

对比工艺各取10个试样，采用平均值的方法进行对比，力学性能对比见表4。

表4 HRB400E力学性能对比

表5 不同辊速下力学性能

从力学性能上看，工艺2的屈服强度（Rp0.2）与抗拉强度（Rm）要高于工艺1，工艺2比工艺1伸长率（A）与最大力下总伸长率（Agt）略低，但符合国家标准。因此选择工艺2作为风机风量工艺。

4 检测结果分析

4.1 力学性能

工艺性能稳定后，取同一炉号不同支盘螺10圈。同圈搭接点与非搭接点取样，进行性能检测，见表6。

表6 力学性能

搭接点与非搭接点平均屈服强度差小于10 Mpa，平均抗拉强度差小于15 Mpa，伸长率与最大力下总伸长率达到国家标准要求，试验结果满足稳定盘螺力学性能的目的。

4.2 金相组织

选取原工艺与优化工艺金相组织进行对比，原工艺与优化后工艺组织金相对比见图2。

图2 组织金相对比

从图2对比中可以看出（b）中组织为均匀的铁素体和珠光体，珠光体含量要高于（a），珠光体含量从40%提升至55%。未产生贝氏体组织。

4.3 盘螺时效性

盘螺在放置一段时间后，力学性能会产生一定变化，出现时效现象。为保证自然时效后性能合格，满足后续的使用需求，通过选取同支盘螺的热检与7天时效拉伸试样进行对比试验。时效性能结果对比见表7。

表7 盘螺时效前后性能对比

通过对比7天时效后的屈服强度下降13 Mpa，抗拉强度下降不明显，性能合格，满足使用要求。为保证时效后产品合格，热检时屈服强度保留30～40 Mpa的余量。

5 结论

本文通过相变理论对冷却工艺进行研究，找到了风机风量与辊道速度对盘螺的影响规律。试验对比不同风机风量工艺，随着风量的增大，盘螺的屈服强度提高。对比不同辊道速度，找到合适的辊道速度和冷却时间，保证最大力下总伸长率合格。通过对盘螺通条性与时效性检测，得出性能完全满足国标要求。HRB400E盘螺选择0.65 m/s辊道速度，轧后冷却速度控制在6.75℃/s左右，能够控制珠光体提升至55%，避免贝氏体产生。通过降低化学成分中锰的含量，降低了吨钢成本，提高了产品的竞争力。