錢(qián)學(xué)海，蘭鋼

（廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州 545002）

0 引言

我國(guó)鋼產(chǎn)量占全球鋼產(chǎn)量的50%以上，以生產(chǎn)超細(xì)晶粒鋼降低各類(lèi)合金使用為目地的控軋、控冷等綠色制造技術(shù)已在板材生產(chǎn)上大量應(yīng)用。然而，這些技術(shù)一直難以應(yīng)用于單品產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的長(zhǎng)材產(chǎn)品熱軋鋼筋（占我國(guó)鋼產(chǎn)量的25%左右）。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期發(fā)展，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了鋼筋產(chǎn)品升級(jí)和質(zhì)量提升。但是，鋼筋質(zhì)量的提升是通過(guò)大量使用合金元素而實(shí)現(xiàn)的，即不環(huán)保也不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)前，我國(guó)鋼筋生產(chǎn)技術(shù)單一，不利于鋼鐵行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。鋼筋生產(chǎn)工藝中微合金化工藝比較成熟，該工藝適用性強(qiáng)、易于生產(chǎn)，因此應(yīng)用廣泛。由于鋼筋產(chǎn)量大、需求面廣，V、Nb 等微合金元素在各類(lèi)長(zhǎng)材、板材高強(qiáng)鋼中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用［1］，僅有微合金化1 種選擇，風(fēng)險(xiǎn)巨大。2015—2018 年鋼筋新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施前，釩系合金鋼材需求增加，價(jià)格遭到惡意哄抬，片狀五氧化二釩價(jià)格從3 萬(wàn)元/t 漲到50 萬(wàn)元/t，上漲了16 倍；同期，鈮系合金的用量也大幅增加，并且有價(jià)無(wú)市，采購(gòu)困難。由于關(guān)鍵原料價(jià)格暴漲，鋼材生產(chǎn)成本大幅飆升，并且價(jià)格上漲有向下游行業(yè)傳導(dǎo)造成通貨膨脹的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)。因此，迫切需要研發(fā)高質(zhì)量低合金消耗的鋼筋綠色制造生產(chǎn)工藝，為行業(yè)提供多種選擇，推動(dòng)鋼鐵工業(yè)結(jié)構(gòu)性改革，實(shí)現(xiàn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。本文基于我國(guó)高質(zhì)量長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)的現(xiàn)狀，針對(duì)低溫控軋難以實(shí)現(xiàn)、高強(qiáng)鋼產(chǎn)品抗震性能不穩(wěn)定、強(qiáng)度波動(dòng)大且時(shí)效性要求高等行業(yè)難題，開(kāi)展物理冶金和共性關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)，旨在研發(fā)出新的生產(chǎn)技術(shù)，解決相關(guān)行業(yè)難題。

1 存在問(wèn)題與研發(fā)思路

1.1 存在問(wèn)題

結(jié)合文獻(xiàn)分析［2-6］，總結(jié)高質(zhì)量鋼筋綠色制造技術(shù)面臨的行業(yè)難題具體如下。

（1）鋼筋生產(chǎn)工藝中微合金化工藝合金用量大，控制、軋制技術(shù)難以應(yīng)用。目前，在鋼筋等長(zhǎng)材生產(chǎn)中，由于軋制速度快，大都無(wú)法實(shí)現(xiàn)低溫控軋，主要依靠C、Si、Mn 成分體系設(shè)計(jì)，獲得“鐵素體+珠光體”組織，加入微合金元素V 或Nb，產(chǎn)生析出強(qiáng)化作用，從而提高鋼筋的強(qiáng)度。由于無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義的控軋和控冷，所以加入的（微）合金元素利用率不高，造成一定的浪費(fèi)。

（2）屈服強(qiáng)度500 MPa 及以上的高強(qiáng)鋼產(chǎn)品，抗震性能不穩(wěn)定，強(qiáng)屈比偏低。鐵基材料強(qiáng)度越高，其塑性越差、強(qiáng)屈比越低，微合金化工藝生產(chǎn)中屈服強(qiáng)度500 MPa及以上的高強(qiáng)鋼筋的該現(xiàn)象更加明顯。由于屈服強(qiáng)度500 MPa 及以上的高強(qiáng)鋼筋主要應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、高速鐵路、橋梁、水利設(shè)施、港口、高層建筑等重大基礎(chǔ)設(shè)施工程，因此對(duì)抗震性能的要求尤為嚴(yán)格。

（3）產(chǎn)品時(shí)效性要求高，盤(pán)條鋼筋同圈屈服強(qiáng)度波動(dòng)大。傳統(tǒng)“鐵素體+珠光體”組織的熱軋鋼筋的殘余應(yīng)力大、固溶的溶質(zhì)元素多，經(jīng)過(guò)自然時(shí)效后，屈服強(qiáng)度會(huì)降低20～30 MPa。鋼筋的出廠性能并非鋼筋服役時(shí)的實(shí)際性能，而是存在較大的偏差，由此造成鋼筋使用過(guò)程存在較大的安全隱患。盤(pán)條鋼筋由于吐絲后在斯太爾摩輥道上的盤(pán)條存在搭接點(diǎn)與非搭接點(diǎn)，導(dǎo)致冷卻不均勻，斯太爾摩輥道冷卻強(qiáng)度越大，冷卻不均勻現(xiàn)象越明顯，造成盤(pán)條同圈屈服強(qiáng)度波動(dòng)過(guò)大，波動(dòng)可超過(guò)80 MPa。

1.2 研發(fā)總體思路

以創(chuàng)新鋼筋等長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)低成本、高強(qiáng)抗震鋼筋使用性能穩(wěn)定為出發(fā)點(diǎn)，總體的研發(fā)思路與應(yīng)用框架如圖1所示。為解決長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)中的關(guān)鍵難題，通過(guò)微合金元素協(xié)同作用機(jī)理的創(chuàng)新，提出組織調(diào)控新思路，實(shí)現(xiàn)熱軋鋼筋強(qiáng)屈比等主要抗震性能指標(biāo)的提升。通過(guò)軋制工藝創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)高效軋制新技術(shù)，突破質(zhì)量穩(wěn)定性關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼筋系列產(chǎn)品高性能、低成本、綠色、高效的低碳生產(chǎn)，滿(mǎn)足我國(guó)鋼鐵工業(yè)和建筑行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的需求。

圖1 研發(fā)思路與應(yīng)用框架

2 高質(zhì)量長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)

2.1 棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)

本研究提出基于末端未再結(jié)晶調(diào)控與過(guò)冷奧氏體相變耦合的高載荷軋制—冷卻設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)，解決棒材生產(chǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)低溫控軋的問(wèn)題，產(chǎn)品組織均勻、性能穩(wěn)定，降低了各類(lèi)合金的使用量。

2.1.1 高奧氏體再結(jié)晶溫度鋼種數(shù)理模型與設(shè)計(jì)

建立熱軋帶肋鋼筋成分體系與奧氏體再結(jié)晶溫度的數(shù)理模型，進(jìn)行相關(guān)原理分析，在熱軋帶肋鋼筋成分體系下實(shí)現(xiàn)合金消耗量少的高奧氏體再結(jié)晶溫度的鋼種設(shè)計(jì)?；跓彳垘Ю咪摻畹某煞煮w系要求，全面分析各元素對(duì)奧氏體再結(jié)晶溫度的影響［7］，通過(guò)高效、精準(zhǔn)地應(yīng)用微合金元素，開(kāi)發(fā)出合金消耗量少的高奧氏體再結(jié)晶溫度的鋼種，為實(shí)現(xiàn)形變誘導(dǎo)高效軋制提供有利的溫度條件。

2.1.2 末端高載荷軋制—冷卻設(shè)計(jì)

面對(duì)高效生產(chǎn)的要求，基于棒材形變誘導(dǎo)狀態(tài)下高效軋制關(guān)鍵的影響因素，利用創(chuàng)新的軋機(jī)布置與冷卻設(shè)計(jì)，使軋線大部分區(qū)域處于再結(jié)晶區(qū)，提高生產(chǎn)效率、降低故障率及電耗；在軋線末端調(diào)控軋件，使軋件在未再結(jié)晶溫度區(qū)間與過(guò)冷奧氏體相變耦合；加載高載荷軋制，實(shí)現(xiàn)較低溫度下的形變誘導(dǎo)高效軋制。與常規(guī)熱軋產(chǎn)品相比，利用棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)抗震鋼筋，由表及里的組織均勻性得到改善（如圖2所示），綜合抗震性能和成品質(zhì)量有所提高。

圖2 新舊技術(shù)生產(chǎn)的HRB400E鋼筋產(chǎn)品組織形貌

2.1.3 使用效果

產(chǎn)量最大的HRB400E鋼筋產(chǎn)品，每噸鋼的V、Nb等稀有合金的用量降低50%以上，合金成本下降55元/t。在生產(chǎn)效率不降低的情況下，產(chǎn)品晶粒細(xì)化，晶粒度達(dá)11 級(jí)及以上。末端未再結(jié)晶控軋與常規(guī)熱軋生產(chǎn)的HRB400E鋼筋成本對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 HRB400E鋼筋成本對(duì)比

2.2 高強(qiáng)高韌長(zhǎng)材制造技術(shù)

高強(qiáng)、高韌長(zhǎng)材制造技術(shù)揭示了含鈮鋼筋物理冶金學(xué)過(guò)程及組織演變規(guī)律，提出基于鈮組織強(qiáng)化和釩析出強(qiáng)化的“鐵素體+珠光體”組織調(diào)控新思路，形成不同規(guī)格熱軋高強(qiáng)抗震鋼筋“成分設(shè)計(jì)+控軋+分級(jí)控冷工藝協(xié)同控制”的全流程控制技術(shù)，解決了500 MPa以上高強(qiáng)鋼筋抗震性能不穩(wěn)定的問(wèn)題，使用該技術(shù)開(kāi)發(fā)的高強(qiáng)屈比、高強(qiáng)抗震鋼筋，合格率提升至99%以上。

2.2.1 含鈮高強(qiáng)鋼筋物理冶金

通過(guò)分析鈮在熱軋高強(qiáng)鋼筋中的存在狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)鈮從加熱到軋后的整個(gè)過(guò)程都在發(fā)揮強(qiáng)化作用［8］。在加熱時(shí)，常規(guī)棒材的加熱溫度無(wú)法使鈮完全固溶，未固溶的鈮以較大的析出態(tài)存在，抑制再加熱、熱軋、軋后冷卻全過(guò)程中的奧氏體晶粒長(zhǎng)大；熱軋時(shí)固溶的部分鈮析出，略微提高了軋制變形抗力，部分仍處于固溶態(tài)；軋后的冷卻過(guò)程，相變前固溶于奧氏體中的鈮的淬透性增強(qiáng)，促進(jìn)相變組織強(qiáng)化，并在相變后析出彌散強(qiáng)化，固溶的鈮大部分析出為鈮（C、N），少部分仍為固溶態(tài)。明確鈮在鋼筋中以固溶鈮相變強(qiáng)化和析出強(qiáng)化為主、細(xì)晶為輔的機(jī)制后，發(fā)展鈮在鋼筋中的物理冶金及強(qiáng)化機(jī)制，圍繞鈮的固溶析出行為，開(kāi)發(fā)出適用性廣的鈮微合金化工藝，構(gòu)建鈮微合金化鋼筋設(shè)計(jì)模型。

2.2.2 鈮釩復(fù)合協(xié)同調(diào)控技術(shù)

本文基于鈮的組織強(qiáng)化和釩的析出強(qiáng)化作用，提出鈮釩復(fù)合協(xié)同調(diào)控組織的新思路。針對(duì)不同規(guī)格鋼筋切分軋制的特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)控制，發(fā)明低淬透性成分、軋后分級(jí)、有限控制冷卻工藝，實(shí)現(xiàn)HRB500E 和HRB600E 鋼筋全規(guī)格工業(yè)生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)不同微合金化500 MPa、600 MPa 級(jí)抗震鋼筋強(qiáng)韌化機(jī)制的定量系統(tǒng)研究及大量數(shù)據(jù)分析，得到微合金化高強(qiáng)抗震鋼筋主要成分的組織結(jié)構(gòu)參數(shù)與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的數(shù)學(xué)關(guān)系式，提出“鈮釩復(fù)合+低溫控軋+軋后分級(jí)冷卻”全流程控制技術(shù)，達(dá)到調(diào)控細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和組織強(qiáng)化作用的目的；利用固溶鈮結(jié)合分級(jí)冷卻增加相變強(qiáng)化作用，改善珠光體組織，解決了500 MPa以上高強(qiáng)鋼筋抗震性能差、強(qiáng)屈比不合格的難題。采用該技術(shù)，可開(kāi)發(fā)出10～40 mm 規(guī)格強(qiáng)屈比Rm/ReL大于1.28的HRB500E熱軋帶肋鋼筋。

2.2.3 產(chǎn)品效果

500 MPa 及以上產(chǎn)品的強(qiáng)屈比大于等于1.28，全規(guī)格高強(qiáng)抗震鋼筋合格率提升至99%以上（見(jiàn)表2）。

表2 全規(guī)格HRB500E抗震鋼筋的力學(xué)性能

2.3 低時(shí)效及性能波動(dòng)小的高質(zhì)量長(zhǎng)材生產(chǎn)技術(shù)

本研究提出“合金元素遲滯相變”的成分組織均勻調(diào)控思路，開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量長(zhǎng)材產(chǎn)品集成制造技術(shù)和性能均勻控制技術(shù)，解決了鋼筋時(shí)效性強(qiáng)及性能波動(dòng)大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)鋼筋時(shí)效后屈服強(qiáng)度變化幅度在±10 MPa 以?xún)?nèi)，HRB400E 盤(pán)條螺紋鋼筋同圈屈服強(qiáng)度波動(dòng)控制在20 MPa 以?xún)?nèi)，有效提高了鋼筋使用的安全性。

2.3.1 低時(shí)效高質(zhì)量長(zhǎng)材生產(chǎn)技術(shù)

通過(guò)遲滯鐵素體相變的合金元素分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用，輔以適當(dāng)?shù)能堉乒に嚕{(diào)控鋼筋心部組織，使其產(chǎn)生的組織應(yīng)力與溫度應(yīng)力達(dá)到平衡并相互抵消，最后得到的鋼筋殘余應(yīng)力極低。經(jīng)自然時(shí)效，鋼筋的屈服強(qiáng)度變化幅度很小，提高了使用鋼筋的安全性，實(shí)現(xiàn)鋼筋時(shí)效后屈服強(qiáng)度變化幅度控制在±10 MPa以?xún)?nèi)。

2.3.2 盤(pán)條螺紋鋼強(qiáng)度均勻控制技術(shù)

為控制同圈強(qiáng)度波動(dòng)，從成分設(shè)計(jì)及軋鋼工藝上減少影響強(qiáng)度的不穩(wěn)定因素，增加穩(wěn)定因素的影響程度，使斯太爾摩輥道冷卻更均勻，減少斯太爾摩輥道對(duì)強(qiáng)度的不利影響。通過(guò)控制軋制及控制冷卻提高強(qiáng)度，優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，降低鋼種成分對(duì)斯太爾摩輥道冷卻不均勻的敏感度。盤(pán)條螺紋鋼強(qiáng)度均勻控制技術(shù)可將HRB400E 盤(pán)條螺紋鋼筋同圈屈服強(qiáng)度波動(dòng)控制在20 MPa以?xún)?nèi)，其技術(shù)要點(diǎn)如下。

（1）合理的成分：控制強(qiáng)淬透性元素，這些元素含量較高時(shí)均會(huì)提高鋼的淬透性，造成冷卻不均勻，影響鋼筋同圈組織的穩(wěn)定性，影響性能穩(wěn)定，因此應(yīng)控制在較低水平。強(qiáng)淬透性元素?fù)p失的強(qiáng)度通過(guò)C、Si元素、控軋和控冷工藝及少量微合金元素彌補(bǔ)。

（2）軋機(jī)布置為多段分級(jí)控冷：6 架粗軋機(jī)+6 架中軋機(jī)+6 架預(yù)精軋機(jī)+控冷裝置+回復(fù)段+8 架精軋機(jī)+控冷裝置+回復(fù)段+2架剪徑機(jī)組+控冷裝置。

（3）軋制工藝：在精軋機(jī)組及剪徑機(jī)組前使用控冷裝置，將進(jìn)精軋溫度及進(jìn)剪徑溫度控制在較低值，實(shí)現(xiàn)奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制和軋制；在剪徑機(jī)組后使用控冷裝置，控制較低的吐絲溫度，低吐絲溫度（規(guī)格越小溫度越高）與高吐絲溫度相比，盤(pán)條在低溫區(qū)傳熱效率低，溫降速度慢，可降低斯太爾摩輥道風(fēng)冷時(shí)的不均勻性。

（4）軋制速度：保證一定軋制速度，穩(wěn)定且較高的變形率有利于晶粒細(xì)化。

（5）斯太爾摩輥道：斯太爾摩設(shè)置分段式階梯輥道，使軋件在中間運(yùn)行，以防跑偏，影響后續(xù)集卷；在跌落過(guò)程中，纏繞重疊的線圈得以分離，并且保溫罩全部打開(kāi)，使線圈冷卻更均勻。

3 與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)技術(shù)比較

（1）與國(guó)際主流鋼筋相比，本項(xiàng)目生產(chǎn)的鋼筋的抗震性能、焊接性能高于國(guó)外的同類(lèi)產(chǎn)品。我國(guó)制定的熱軋帶肋鋼筋標(biāo)準(zhǔn)比國(guó)外歐美國(guó)家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格，因此按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的熱軋高強(qiáng)抗震鋼筋品質(zhì)更高。例如，美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中混凝土熱軋帶肋鋼筋允許的碳含量不超過(guò)0.4%，對(duì)應(yīng)的組織和焊接性能比較差；英國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)中建筑鋼筋主體級(jí)別為460，允許采用強(qiáng)穿水工藝（“淬火+自回火”）生產(chǎn)，綜合性能比“鐵素體+珠光體”組織類(lèi)型低；德國(guó)廣泛采用500 MPa 級(jí)別鋼筋，其生產(chǎn)工藝為普通C-Mn 鋼通過(guò)強(qiáng)穿水工藝。

（2）與國(guó)內(nèi)Nb、V 微合金化工藝HRB400E 鋼筋相比，本項(xiàng)目產(chǎn)品的微合金用量減少50%以上，生產(chǎn)效率相當(dāng)，鋼筋晶粒細(xì)化，晶粒度達(dá)11 級(jí)及以上，組織均勻、性能穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了綠色高效制造。

（3）與其他工藝生產(chǎn)的HRB500E、HRB600E 鋼筋相比，本項(xiàng)目產(chǎn)品抗震性能更優(yōu)。采用其他工藝生產(chǎn)的HRB500E、HRB600E 鋼筋存在強(qiáng)屈比性能不合格的問(wèn)題，特別是小規(guī)格的鋼筋，合格率更低。采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝生產(chǎn)的HRB500E、HRB600E的鋼筋強(qiáng)屈比合格率在99%以上。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目根據(jù)我國(guó)高質(zhì)量長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，針對(duì)低溫控軋難、高強(qiáng)鋼產(chǎn)品抗震性能不穩(wěn)定、強(qiáng)度波動(dòng)大且時(shí)效性要求高等行業(yè)難題，開(kāi)展物理冶金和共性關(guān)鍵技術(shù)系統(tǒng)研發(fā)，解決了相關(guān)行業(yè)難題。技術(shù)總結(jié)如下。

（1）棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)?；诎舨哪┒宋丛俳Y(jié)晶調(diào)控與過(guò)冷奧氏體相變耦合的高載荷軋制—冷卻設(shè)計(jì)，研發(fā)棒材形變誘導(dǎo)高效軋制新技術(shù)，解決棒材生產(chǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)低溫控軋的問(wèn)題，產(chǎn)品晶粒細(xì)化，晶粒度達(dá)11 級(jí)及以上，組織均勻、性能穩(wěn)定，HRB400E 產(chǎn)品的V、Nb 等稀有合金用量降低50%以上。

（2）高強(qiáng)高韌長(zhǎng)材制造技術(shù)。揭示了含鈮鋼筋物理冶金學(xué)過(guò)程及組織演變規(guī)律，提出基于釩析出強(qiáng)化和鈮組織強(qiáng)化的“鐵素體+珠光體”組織調(diào)控新思路，形成不同規(guī)格熱軋高強(qiáng)抗震鋼筋“成分設(shè)計(jì)+控軋+分級(jí)控冷工藝協(xié)同控制”的全流程控制技術(shù)，解決了500 MPa以上高強(qiáng)鋼筋抗震性能不穩(wěn)定的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)屈比、高強(qiáng)抗震鋼筋，使全規(guī)格的高強(qiáng)抗震鋼筋合格率提升至99%以上。

（3）低時(shí)效及性能波動(dòng)小的高質(zhì)量長(zhǎng)材生產(chǎn)方法。本項(xiàng)目首次提出“合金元素遲滯相變”的成分組織均勻調(diào)控思路，研發(fā)出高質(zhì)量長(zhǎng)材產(chǎn)品集成制造技術(shù)和性能均勻控制技術(shù)，解決了鋼筋時(shí)效及性能波動(dòng)大的問(wèn)題，鋼筋時(shí)效后屈服強(qiáng)度變化幅度控制在±10 MPa 以?xún)?nèi)，HRB400E 盤(pán)條螺紋鋼筋同圈屈服強(qiáng)度波動(dòng)控制在20 MPa以?xún)?nèi)。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)高速棒材生產(chǎn)線的發(fā)展日新月異，高質(zhì)量長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)在高速棒材上的應(yīng)用有待進(jìn)一步研發(fā)。未來(lái)將利用柳鋼防城港基地新上高速棒材生產(chǎn)線的優(yōu)勢(shì)，全面、系統(tǒng)地研究高質(zhì)量長(zhǎng)材綠色制造技術(shù)在高速棒材生產(chǎn)線的應(yīng)用。