宣钢Φ36 mm和Φ40 mm大规格螺纹钢的开发生产

田鹏松

（宣化钢铁集团有限责任公司，河北 宣化 075100）

随着国民经济的不断发展，公路、铁路、高楼等基础建设项目不断增加，Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢的需求量也越来越大。由于大规格螺纹钢断面大、承载能力更强，其更多地应用于载荷高或高层建筑方面。热轧直条螺纹钢作为宣化钢铁集团有限责任公司（以下简称“宣钢”）产量最大的产品，最大规格为Φ32 mm，为适应市场需求，丰富企业产品品种结构，提升企业的市场竞争力，开发更大规格、更高强度的螺纹钢显得尤为重要。

宣钢的二棒生产线于2012年3月建成投产，工厂设计由中冶京诚负责，加热炉由中冶南方威仕炉工业公司总承包，轧线工艺技术设计由意大利达涅利公司负责，全线的设备设计则由达涅利中国公司负责，轧线的工艺设计、设备装备处于国内领先水平，再加上配套的工艺设施及设备装备，该生产线完全具备开发生产更大规格、更高强度螺纹钢的条件。根据宣钢统一安排，决定在二棒生产线开发Φ36 mm、Φ40 mm规格螺纹钢。

1 产线介绍

宣钢二棒生产线加热炉为常规步进式加热炉，燃料采用焦转混合煤气，通过合理布置烧嘴，使钢坯受热更均匀。轧线全线共有18架达涅利短应力线轧机，呈平立交替布置。冷床为步进齿条式，齿条采用斜齿条的形式，确保轧件在冷床上的平直度。后区配备了冷剪，用于实现不同规格和不同技术要求的定尺剪切，全线还配备了预水冷和QTB水箱，用于实现轧件的控轧控冷。二棒生产线的工艺流程如图1所示。

图1 二棒生产线工艺流程图

2 开发生产

2.1 钢坯化学成分设计

宣钢二棒生产线使用的钢坯断面尺寸为165 mm×165 mm，Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢采用单线轧制，考虑到压缩比较小、成品断面尺寸偏大等因素，采用钒微合金化技术来保证成品钢材的力学性能指标。钒加入微合金钢中会形成VC，属中间相，在较低的加热温度下，其碳化物可以完全溶解到奥氏体中，因此钒的利用率高，对沉淀强化的贡献大，通过钒的强化机制，可达到提高钢坯强度、细化晶粒的目的。

合金元素V（钒）具有较强的沉淀强化作用，且细化晶粒的作用也较强，而且能加速γ-α的转变，降低了贝氏体、马氏体出现的几率，可形成稳定的F+P组织。目前宣钢螺纹钢的生产就是采用V微合金化的工艺，已对该工艺的生产控制要点有了相当的掌握，可以准确地控制V合金元素的添加量，在保证力学性能指标的同时，最大限度节约生产成本。由于大规格螺纹钢的压缩量比较小，在进行钢坯化学成分设计时，要充分考虑到化学成分对钢筋性能的影响，若成分波动较大，则有可能造成尺寸偏下限的钢筋性能不合[1]，相较于小规格螺纹钢要适当提高V、Si、Mn等合金元素的含量。

以HRB400E牌号为例，在借鉴Φ32 mm螺纹钢经验数据的基础上，通过回归分析，制定Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢对应的化学成分，具体如表示1所示。

表1 Φ36 mm、Φ40 mm-HRB400E螺纹钢化学成分控制标准 %

2.2 孔型设计

2.2.1 延伸系数分配

三棒生产线坯料断面尺寸为165 mm×165 mm，根据Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢的断面面积可以得出总延伸系数，再结合轧制道次数，算出平均延伸系数，在此基础上对各道次的延伸系数进行分配，具体分配情况如表2所示。

表2 Φ36 mm、Φ40 mm螺纹钢的延伸系数表

在分配各道次的延伸系数时要考虑到以下因素：轧制开始时，轧件温度高，变形抗力低，但此时轧件氧化铁皮厚，摩擦系数低，应主要考虑咬入条件；之后轧件断面逐渐减小，变形系数相对提高，此时可使变形系数不断增加并达到最大值；随着变形抗力增加，电机能力和轧辊强度成为限制变形系数的主要因素，应适当降低变形系数；在最后几道中，为减小孔型磨损、保证成品断面形状和尺寸的正确性，应采用较小的变形系数。

2.2.2 孔型系统设计

在考虑孔型共用性的基础上进行孔型系统设计，粗中轧孔型和现有产品保持一致，需设计精轧孔型系统，这样既可以节约轧辊、导卫等工艺件的投入，又可以使料型稳定，保证开发生产的顺利进行。粗中轧采取箱-椭圆-圆孔型系统，运用箱型孔型系统和大压下技术，保证变形的均匀性，增加钢坯的变形量，有利于将钢坯内部因加热产生的粗大柱状晶破碎，细化晶粒，提高钢材的组织性能。中轧采用椭圆-圆孔型系统，使断面形状过渡缓和、变形均匀，能较好地防止金属产生局部附加应力；件断面上无尖锐棱角，断面温度分布均匀，可避免轧件表面产生裂纹、折叠等缺陷，提高产品质量；轧件头部形状较好、方便咬入；轧件冷却和变形均匀[2]。精轧孔型为“椭圆-圆-平椭圆-螺”孔型系统[3]。

结合宣钢Φ25 mm～Φ28 mm螺纹钢的孔型系统，成品前孔K2采用平椭圆孔型，可强制金属横向流动，以增加成品孔螺纹钢横肋宽展，保证横肋饱满、尺寸合格。此外，平椭圆孔型也可增加椭圆轧件在孔型中的稳定性，减少轧件头部对成品孔型的冲击，尽可能减少轧制中的工艺废品。

2.2.2.1 成品孔（K1）孔型

Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢主要应用于大型工程、重点工程，因此，在进行成品孔型系统的设计时，按照小负差进行设计，基圆直径及横肋高度按照中上限设计尺寸，基圆采用双圆弧过渡，图2为螺纹钢成品孔（K1）孔型示意图，图3为螺纹钢横斜斜角示意图。

图2 螺纹钢成品孔（K1）孔型示意图

图3 螺纹钢横肋斜角示意图

图中：R2为螺纹钢孔型基圆半径，mm；R1为螺纹钢孔型过渡圆弧半径，mm；h为横肋高度，mm；c为横肋末端间隙，mm，轧辊加工时横肋打通至辊环，即辊缝高度。

其中，通过比照圆钢成品孔型设计，可得到半径R2的计算方法：

式中：d为过渡圆弧直径；1.007～1.020为热膨胀系数，根据终轧温度和钢种而定；螺纹钢采用负差轧制，这里选用Δ_即公称尺寸的下限。

横肋的高度既要考虑孔型的寿命，也要考虑到铣槽加工、轧辊消耗、钢筋重量偏差和横肋的充满度等因素，因此选取规则为[4]：h=标准尺寸+（0.1～0.3）。

α为横肋斜角，标准要求不得小于45°，而且大规格螺纹钢在冷弯过程中易产生微小裂纹，横肋斜角α与应力集中程度关系密切，随着角α的减小，作用在横肋侧面的正压力值亦减小，弯曲应力值降低，相应剪应力也减小，应力集中趋势得到缓和[5]，一般选取50°～55°。

2.2.2.2 成品前（K2）孔型

金属在成品孔内要充满凹槽，以形成周期性变化的横肋，因此，成品前孔（K2）是保证成品孔型充满的关键。平椭圆双半径孔型能够保证成品孔型内钢材充满良好，且轧槽磨损均匀、调整方便，与成品孔进口滚动导卫配合使用，使其优点更加突出。设计K2孔型时要考虑K1孔型的延伸系数，K1的延伸系数以控制在1.25～1.30为佳[6]。图4为螺纹钢成品前孔（K2）孔型示意图，孔型高度、宽度均由前后道次的圆形孔或箱形孔决定，槽口宽度需验算轧件宽展量[7]。

图4 螺纹钢成品前孔（K2）孔型示意图

2.3 开发生产

在上述工作都准备好之后，根据计划安排，在二棒生产线相继开发了Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢，并获得一次性成功，工艺指标受控，生产过程稳定，检测各项力学性能指标（包括屈服强度、抗拉强度、强屈比、弯曲度）、表面质量、成品几何尺寸均符合标准要求，屈服强度平均在440～460 MPa，抗拉强度为605～630 MPa，这也证明了钢坯的化学成分设计合理，利用V微合金化的冶炼工艺可以满足大规格螺纹钢的力学性能指标要求。表3为牌号HRB400E-Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢的成品几何尺寸和力学性能抽测表。

表3 HRB400E-Φ36 mm、Φ40 mm螺纹钢成品尺寸和力学性能抽测表

考虑到Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢主要应用于重点工程，且需求量相对较小，因此在设计孔型及组织生产时，负偏差按照1.0%～2.5%控制。负偏差控制的要点：孔型设计中各部尺寸按照中上限设计；调整料型时要保证来料的尺寸满足要求[8]。Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢稳定生产以后，将成品架次应用于高速钢轧辊，高速钢表现出很好的耐磨性和淬透性[9]，轧辊耐磨性大大提高，成品架次轧辊单槽过钢量也相应提高。

3 结论

宣钢的二棒生产线成功开发了Φ36mm、Φ40mm大规格螺纹钢，产品开发一次性成功，检测各项力学性能指标（包括屈服强度、抗拉强度、强屈比、弯曲度）、表面质量、成品几何尺寸均符合标准要求，并将成品架次应用于高速钢轧辊，轧辊耐磨性大大提高。Φ36 mm、Φ40 mm大规格螺纹钢的成功开发，丰富了产品品种结构，提升了企业市场竞争力。