李順奎 蔡 偉 金 梁 龐 通

（廣西鋼鐵集團有限公司棒線廠,廣西 防城港 538000）

熱軋帶肋鋼筋作為中國建筑行業(yè)的主要結(jié)構(gòu)形式,廣泛的被應(yīng)用國防重點工程、橋梁、公路、地震帶結(jié)構(gòu)建筑和高層建筑中[1],現(xiàn)階段,國內(nèi)仍是以400MPa、500MPa 級鋼筋為主,在2018 年頒布的新國標(biāo)GB/T1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼第二部分: 熱軋帶肋鋼筋》增加了600MPa 級鋼筋,并取消335MPa 級鋼筋。隨著我國建筑行業(yè)對熱軋帶肋鋼筋的要求不斷提高,600MPa 級螺紋鋼憑借著強度高、延展性能好和安全性能高等特點,必然會登上歷史的舞臺,逐漸代替400MPa、500MPa 級鋼筋,因此,對600MPa 級螺紋鋼進行開發(fā)與研究是非常有必要的。

我國大部分鋼鐵企業(yè)主要是采用合金強化對600MPa的螺紋鋼進行研制,沙鋼[2-5]主要是通過在鋼坯添加適量的鉻、銅、鈮元素等元素,鉻、銅、鈮等元素不僅可以提高鋼材的力學(xué)性能,還可以提高鋼材的強屈比；河鋼[6]采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝對600MPa 高強抗震鋼筋進行了試制,并研制成功；濟鋼[7]通過釩氮微合金化工藝成功將螺紋鋼的屈服強度達到670MPa,抗拉強度達800MPa,斷后伸長率達到19%以上,然而單單通過合金強化必然會造成坯料的合金成本較高,不利于長期發(fā)展。

因此,為了降低坯料成本,我廠另辟蹊徑,同時采用了合金強化、細晶強化與余熱處理強化（淬火加自回火）三種不同的鋼材強化機制對600MPa 熱軋帶肋鋼筋進行試制。并成功軋制出低成本的600MPa 熱軋帶肋鋼筋。

1 生產(chǎn)工藝流程

而螺紋鋼生產(chǎn)線流程為：坯料→加熱爐→加熱爐出爐地輥→1 號～6 號軋機→1 號飛剪→7 號～12 號軋機→2 號飛剪→13 號～16 號軋機→預(yù)水冷裝置（包括冷卻水箱與回復(fù)段導(dǎo)槽,長約110 米）→3 號飛剪→19 號～20 號軋機→水冷裝置→4 號倍尺剪→變頻地滾→裙板拋鋼→大冷床。

2 鋼材的強化機制

2.1 合金強化

合金強化包括固溶強化（C、N、B、Mn、Si、P 等元素）和析出沉淀強化（Nb、V、Ti 等元素）,前者通過另一種金屬（或非金屬）與金屬Fe 形成固溶體合金,固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體,它們主要作用是使鐵的晶格發(fā)生畸變,從而使鐵的強度提高；后者主要通過微量Nb、V、Ti 等元素與鋼材中的碳、氮元素形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物,在軋制中或冷卻時它們可以沉淀析出,起到第二相沉淀強化作用。

2.2 余熱處理（淬火加自回火）

軋件離開軋機后進入冷卻水箱,利用軋件的余熱通過快速冷卻進行淬火,使鋼筋表面層形成具有一定厚度的低溫組織,而芯部仍為奧氏體。當(dāng)鋼筋離開水箱后,芯部的熱量向表面層擴散,使表層的低溫組織自回火。當(dāng)鋼筋在大冷床上緩慢地自然冷卻時,芯部的奧氏體發(fā)生相變,形成鐵素體和珠光體,經(jīng)余熱淬火處理且淬火溫度越低的鋼筋,則屈服強度提升越高,最高可提升150-230MPa[8]。

采用余熱處理時,要嚴(yán)格的把控鋼材表面的回火溫度（即現(xiàn)場的上冷床溫度）,使冷卻后的鋼材表面溫度可以回復(fù)到奧氏體轉(zhuǎn)變區(qū),最終鋼材的組織無論表面還是芯部均為鐵素體與珠光體。在保證鋼材的力學(xué)性能和金相組織均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下降低鋼材坯料的合金元素。

2.3 細晶強化

控制軋制與控制冷卻的重要目標(biāo)之一是獲得細小均勻的鐵素體與珠光體晶粒,而鋼材在冷卻過程中,會經(jīng)歷四個相區(qū)：（1）奧氏體再結(jié)晶區(qū)；（2）奧氏體未再結(jié)晶區(qū)；（3）兩相區(qū)——奧氏體與鐵素體區(qū)；（4）鐵素體與珠光體區(qū),鋼材在不同的相區(qū)軋制時,其晶粒細化程度：鐵素體、珠光體區(qū)＞兩相區(qū)＞奧氏體未再結(jié)晶區(qū)＞奧氏體再結(jié)晶區(qū)[9]。而晶粒細化不僅可以提高鋼材的強度,也可以提高鋼材的塑性和韌性。

3 試驗方案

3.1 試驗材料

軋制螺紋鋼直徑為25mm,試驗采用HRB600-0B 與HRB600-1B 兩種鋼種。

HRB600-0B 的鋼種的Si、V 與Nb 較HRB600-1B 鋼種分別下降了0.15%、0.05%與0.07%,其余成分相同。

3.2 鋼材的加熱制度

加熱爐加熱的最終目的是使鋼材充分奧氏體化,而加熱溫度與保溫時間對最終成品的力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用,隨著加熱溫度的提高及保溫時間的延長,奧氏體體晶粒變得粗大。而粗大的奧氏體晶粒增大了軋制細化奧氏體晶粒的困難,對鋼材的力學(xué)性能不利,加入鈮、釩等元素可以阻止奧氏體晶粒長大,即提高了鋼材的粗化溫度。

當(dāng)鈮、釩含量在0.10%以下時,可以提高到奧氏體粗化溫度為1050-1100℃,同時考慮軋機區(qū)設(shè)備能力,因此將兩種鋼種的開軋溫度設(shè)為1050±20℃。

3.3 試驗方案

在螺紋鋼產(chǎn)線上進行試驗,生產(chǎn)線包括粗、中、精軋三機組,當(dāng)軋件從16#軋機軋制完成后,通過預(yù)水冷水箱冷卻至不同的溫度,再經(jīng)過回復(fù)段導(dǎo)槽回火,然后進入17#、18#軋機軋制成形,最終上入大冷床進行自然冷卻,試驗方案如表1 所示。

表1 試驗方案

每個鋼種分別采用兩個方案進行試驗,試驗完成后,分別取實驗樣進行拉伸實驗與金相實驗。

4 試驗結(jié)果

4.1 力學(xué)性能結(jié)果

四種試驗方案力學(xué)性能結(jié)果如表2 所示,由表2 可知,當(dāng)鋼種為HRB600-1B 的鋼材在進17 號軋機溫度為1040±200C,冷卻至室溫的螺紋鋼屈服強為620 MPa,抗拉強度為795 MPa,進17 號軋機溫度為950±200C,冷卻至室溫的螺紋鋼屈服強為665 MPa,抗拉強度為820 MPa；鋼種為HRB400-0B 的鋼材在進17 號軋機溫度為950±200C,其屈服強度為635 MPa,抗拉強度為800 MPa,進17 號軋機溫度為850±200C,冷卻至室溫的螺紋鋼屈服強為660 MPa,抗拉強度為815 MPa。

表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果

4.2 金相結(jié)果

由表3 可知,鋼種為HRB400-0B 兩種方案的螺紋鋼冷卻至室溫時,其表層和芯部的金相組織為鐵素體和珠光體,與鋼種為HRB400-1B 兩種方案螺紋鋼相同,表層與芯部組織也為鐵素體和珠光體。

表3 不同鋼種的金相組織

5 結(jié)果分析

5.1 力學(xué)性能分析

5.1.1 方案一力學(xué)性能分析

當(dāng)HRB600-1B 鋼材進入17#軋機溫度為1040℃,再經(jīng)過17#與18#軋機軋制,此時鋼材處于奧氏體再結(jié)晶區(qū),在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時,隨著道次變形量的加大,奧氏體再結(jié)晶晶粒的細化程度越高,轉(zhuǎn)變?yōu)槭覝叵碌蔫F素體與珠光體的晶粒細化程度越高,但是,當(dāng)鋼材的變形量達到50%以上時,晶粒細化趨勢減小并達到一個極限值,因此,冷卻至室溫下的鋼材晶粒細化程度為8 級,同時,鋼材出16#軋機進入預(yù)水冷水箱冷卻后,此時,鋼材的表面溫度大約為500℃左右,而芯部溫度仍很高,然后進入回復(fù)段導(dǎo)槽進行回火,芯部組織通過熱傳遞將熱量傳遞至表面,使表面回溫到進入17#軋機的1040℃（此時回火仍然不充分）,直至鋼材上大冷床后,表面溫度回火至大約1070℃。方案一HRB600-1B 鋼材經(jīng)過一系列鋼材強化機制軋制后,最終鋼材冷卻至室溫的細化程度不高（為8 級）,同時,余熱處理程度也不高（淬火溫度為500℃）。沒有充分發(fā)揮細晶強化與余熱處理的強化作用,但是鋼材的合金含量較高,充分的發(fā)揮合金強化的作用,使方案一中HRB600-1B 軋制的螺紋鋼達到了國標(biāo)中HRB600 的要求,同時也達到HRB600E 抗震鋼筋的要求(強屈比≥1.25)。

5.1.2 方案二與方案三力學(xué)性能分析

而方案二中HRB600-1B 與方案三中的HRB600-0B入17#軋機溫度為950℃,此時鋼材處于奧氏體未再結(jié)晶區(qū),奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的溫度范圍為930-Ar3之間,在奧氏體未再結(jié)晶軋制的特點為：在軋制過程中不在發(fā)生奧氏體再結(jié)晶現(xiàn)象,變形過程中使奧氏體晶粒被拉長,突破了奧氏體再結(jié)晶晶粒細化的極限值,冷卻至室鋼材的晶粒細化程度為9.5 級,同時,鋼材出冷卻水箱后表面溫度大約為430℃左右,通過芯部組織進行熱轉(zhuǎn)遞使表面溫度回火到進入17#軋機的950℃,直至上大冷床的980℃?？梢悦黠@看出,方案二中HRB600-1B 屈服強度與抗拉強度較方案一中HRB600-1B 都有較大的提升,屈服強度提升45Mpa,抗拉強度提升25MPa,這是因為方案一與方案二采用相同的鋼種,合金含量相同,而方案二軋制相區(qū)為奧氏體未再結(jié)晶區(qū),冷卻至室溫鋼材的晶粒細化程度高（9.5 級）,且余熱處理程度也較高（淬火溫度為430℃）,因此方案二中HRB600-1B 鋼種力學(xué)性能高于方案一中HRB600-1B 的力學(xué)性能,且余熱處理強化只對屈服強度提升較大,而細晶強化同時對屈服強度與抗拉強度都有較大提升,因此屈服強度提升量大于抗拉強度提升量。則方案三中HRB600-0B鋼種由于合金含量少于方案二HRB600-1B 鋼種合金含量,鋼材軋制過程中合金強化較少,在相同的軋制溫度下,HRB600-0B 鋼種力學(xué)性能低于HRB600-1B 鋼種的力學(xué)性能。但方案二與方案三中軋制的螺紋鋼均達到了國標(biāo)中HRB600 的要求,且方案三軋制的螺紋鋼同時也達到HRB600E 抗震鋼筋的要求。

5.1.3 方案四力學(xué)性能分析

方案四中HRB600-0B 入17#軋機溫度為850℃,此時鋼材的相區(qū)為兩相區(qū),當(dāng)鋼材處于兩相區(qū)被軋制時,一部分鋼材組織為未發(fā)生相變的奧氏體晶粒。另一部分組織為先共析鐵素體。未發(fā)生相變的奧氏體繼續(xù)變形、拉長,晶粒內(nèi)形成新的滑移帶,并在這些部位形成新的鐵素體晶核。而先共析鐵素體晶粒,經(jīng)變形后,使鐵素體晶粒再結(jié)晶,并在晶粒內(nèi)部形成大量位錯,使鋼材的晶粒在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的基礎(chǔ)上進一步細化,冷卻至室鋼材的晶粒細化程度為11級,同時,鋼材出冷卻水箱后表面溫度大約為300℃左右,通過芯部組織進行熱轉(zhuǎn)遞使表面回火到進入17#軋機的850℃,直至上大冷床的880℃。方案四中軋制鋼種為HRB600-0B,較HRB600-1B 合金含量較低,但由于軋制過程中進17#軋機軋制相區(qū)為兩相區(qū),且余熱處理強化程度最大,因此,軋制出的螺紋鋼屈服強度最大,達為660MPa,且抗拉強度也達815MPa。

5.2 金相結(jié)果分析

實驗方案均采用的是HRB600-1B 與HRB600-0B 鋼種,兩種鋼種的碳含量為0.23%,在金屬學(xué)中屬于亞共析鋼（碳含量為0.0218%-0.77%）。在四個方案中,當(dāng)鋼材在預(yù)水冷水箱冷卻后,芯部組織溫度仍很高,表面組織溫度較低,表面組織經(jīng)回火后,最終溫度即上冷溫度均大于800℃,使鋼材表面與芯部均處于奧氏體區(qū)。當(dāng)鋼材在大冷床自然冷卻時,將以鐵碳相圖形式發(fā)生相變。如圖1 所示。在鐵碳相圖中,碳含量為0.23%的合金在冷卻過程中以CD 線進行,在A3以上時,此時鋼材為奧氏體,當(dāng)奧氏體冷卻至1 點時,在晶界上開始析出鐵素體,隨著溫度的降低,鐵素體的數(shù)量不斷增多,此時鐵素體的成分沿GP 線變化,當(dāng)溫度降至2點時與共析線A1相遇時,碳含量達到0.77%,開始發(fā)生共析反應(yīng),由碳含量為0.77%的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樘己繛?.0218%的鐵素體和滲碳體組合的混合物,形成珠光體類型組織；而珠光體類型組織又包括：珠光體、索式體,托式體,貝氏體等；而形成不同的珠光體類型組織與鋼材在大冷床冷卻速度有關(guān),由于是自然冷卻,當(dāng)鋼材冷卻至CCT 曲線中的轉(zhuǎn)變中止線附近（200℃左右）的時間大約需要1000～1600s,速度慢于CCT 曲線的下臨界速度,則剩余奧氏體全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w。因此四個軋制方案中最終冷卻至室溫時組織均為鐵素體與珠光體。符合新國標(biāo)GB/T1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼第二部分: 熱軋帶肋鋼筋》的金相要求。由此可以看出,采用HRB600-0B 鋼種軋制時,由于合金含量低于HRB600-1B 鋼種,大約噸鋼成本節(jié)約120 元左右,但是HRB600-0B 通過合金強化、細晶強化以及余熱處理強化三種強化機制處理后,力學(xué)性能與金相均符合HRB600 新國標(biāo),且采用方案三軋制時,最終鋼材的力學(xué)性能達到HRB600E 抗震鋼筋的要求。

圖1 鐵碳相圖

6 結(jié)論

6.1 采用合金強化與細晶強化時,對鋼材的屈服強度與抗拉強度均有較大的提升,當(dāng)采用余熱處理（淬火加自回火）只對提升鋼材屈服強度,對抗拉強度提升不大。

6.2 實驗表明：通過細晶強化與余熱處理強化相結(jié)合,可以有效的降低坯料的合金成本,且最終軋制出的螺紋鋼無論力學(xué)性能與金相均符合國標(biāo)要求。

6.3 采用余熱處理時,要嚴(yán)格把控最終的回火溫度,若采用強冷模式,使表面溫度無法回復(fù)到奧氏體區(qū)（800℃以上）,則最終的金相組織可能出現(xiàn)回火馬氏體,且使鋼材屈服強度提升較大,導(dǎo)致鋼材無屈服平臺（強屈比＜1.25）。