柳钢高线HRB400高强度钢筋的研制开发

柳钢高线HRB400高强度钢筋的研制开发
【摘要】本文阐述了柳钢HRB400高强度钢筋开发试制情况，对HRB4000高强度钢筋的技术要求、微合金化+控轧控冷工艺进行研究和探讨，并对试制结果进行研究分析。

【关键词】HRB400高强度钢筋微合金化控轧控冷开发
1.前言
随着国内建筑行业的发展,国内高层、大跨度建筑物不断增多,为确保建筑的安全,在结构设计中对带肋钢筋强度和韧性的要求不断提高, HRB400高强度钢筋作为HRB335钢筋的升级换代产品, 目前正处于国家大力推广应用阶段,市场对HRB400高强度钢筋的需求量将会越来越大。

为适应市场对钢筋强度级别要求的变化，提高经济效益，优化产品结构，柳钢棒线厂决定在高线开发HRB400高强度钢筋，满足市场需求，经过系列试制，获得成功，产品化学成分、力学性能均达到标准要求。

2.HRB400高强度钢筋技术要求
HRB400高强度钢筋要求具有高强度、高韧性及高焊接性能良好等优良的性能。

因此结合我厂的设备情况，根据相关技术资料及用户的使用要求，设计内控成分,在GB1499.2-2007标准基础上加入V微合金强化元素，进行固溶强化、沉淀强化、和细化晶粒，并结合控扎控冷工艺提高力学性能，保证钢筋的朔性和可焊接性能。

2.1化学成分
为保证钢筋强度和朔性的最佳匹配，主要控制C、Mn的含量，一般控制C、Mn含量在中上限，同时考虑采用加入少量V微合金提高产品综合性能，化学成分中的Si、Mn含量和匹配关系对产品性能也至关重要，为使钢能在较高的回火温度下不降低强度，改善钢筋的延时断裂现象，将Si的含量设计偏高。

由于P、S对组织和性能为害较大，P、S含量尽可能少，因此按优质钢的要求，P、S含量设计为小于0.035%。

综合以上各方面因素，化学成分控制范围见表1。

2.2力学性能
考虑到高强度钢筋存在时效问题，轧制后放置一段时间，强度会稍微有所下降，朔性稍微上升，因此在力学性能内控标准上，提高强度指标，预留强度余量，具体力学性能见表2。

2.3 金相组织
HRB400高强度钢筋实质为低碳钢和亚共析钢，要求具有高强韧性及焊接性能良好，金相组织为：为细小珠光体+铁素体组织。

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3.试制方案
3.1 工艺流程
方坯连铸（加V微合金）→方坯加热→高压水除鳞→高线轧制→控轧控冷→斯太尔摩冷却→集卷→P&F空冷→检验→打包入库。

3.2 V微合金化工艺
目前微合金化工艺得到迅猛的发展，它对提高低碳钢强度效果显著，在开发高强度钢筋领域得到广泛的应用。

微合金通过与钢中的C、N、O、S形成多种化合物，从而对性能产生强烈的影响，对微合金钢来说主要是碳化物和氮化物的形成引起晶粒细化和析出强化，晶粒细化可同时提高钢的强度和韧性，微合金化析出可提高钢的强度，但韧性略有下降。

与Ti和Nb相比，V的主要性能在于：
(1) V（C，N）的溶解度大，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V的利用率高，对沉淀强化贡献大，为Ti和Nb所不及。

(2) V（C，N）溶解度有较大差异，这一点与Nb相反，与Ti相近， VN的溶解度比VC约低2个数量级，N促进析出强化作用。

因此在对比分析V、Nb、Ti主要特点后，结合我厂实际情况和V在合金钢中的强化机理，决定选择V 作为微合金强化元素。

3.3控轧控冷工艺设计
3.3.1 加热制度
首先是控制加热温度，为保证V元素充分、均匀熔于钢坯，达到沉淀强化和析出强化作用，要求加热温度温度为1100℃～1180℃，均热段温度为1040℃～1150℃，钢坯加热时间＞75min，保证开轧温度为1020℃～1080℃，钢坯沿长度方向温度均匀，温差不得大于30℃。

3.3.2 控轧控冷制度
(1) 控冷设备：
高线控冷工艺实际主要是利用精轧前水冷+精轧后水冷+斯太尔摩风冷的控制手段进行控冷。

柳钢生产线在精轧前有2个水箱（原来只有1个，由于冷却能力不足，后另增加1个水箱，提高进精轧冷却能力），精轧后4个水箱，风冷线长度91m，分入口段，冷却段，出口段，11台变频风机，风机功率：154000mm3/h。

精轧前水冷目的是控制终轧温度从而控制晶粒度，精轧后水冷目的使轧件轧后快速冷却，有效抑制晶粒长大，减少氧化铁皮的产生，最主要目的是为相变冷却（风冷）做准备，因此风冷前的控冷关键是进精轧温度、吐丝温度。

斯太尔摩风冷主要是通过控制冷却速度，完成相变组织的转变，得到所需金相组织。

(2) 控冷工艺设计的基本思路：
细晶强化：通过晶粒细化，相变强化，析出强化相结合的方法来达到提高强韧化的目的，晶粒细化（包括变形细化和相变细化）是唯一能够同时提高强度和韧性的方法。

(3) 控冷关键温度参数设计
①开轧温度设计：采取低温轧制细化晶粒，开轧温度1000℃～1060℃，通过在奥氏体在结晶区反复轧制使奥氏体晶粒不断破碎和再结晶，从而细化奥氏体晶粒。

②进精轧温度设计
HRB400属于亚共析钢，为得到细小珠光体+铁素体组织，终轧温度要略高于AR3相变点，终轧温度在980℃左右。

同时为使加入的V元素达到沉淀强化和析出强化作用，也要求终轧温度＜1000℃。

因此为更好的充分细化奥氏体晶粒和控制终轧温度，为更好的细化晶粒，进精轧温度控制在830℃～880℃（在精轧机最大负荷范围内），同时投入精轧机架水冷（水冷导卫冷却）和加大辊环冷却水压力，目的在于降低在精轧中轧制时产生的温升，促使晶粒细化。

③吐丝温度设计
轧制时，特别是小规格容易出现吐丝吐断和水箱堆钢故障，规格越小，越敏感，工艺难以顺行，为减322
少穿水堵钢，采取大幅度降速或减少精轧后水箱压力和流量方法，造成整体产量低下，穿水吐丝温度控制困难，因此结合实际设备条件，确保工艺顺行，精轧后水箱采取轻穿水，目的减少氧化铁皮，吐丝温度＜1000℃。

由于钢是低温轧制，奥氏体原始晶粒已比较细小，吐丝温度的提高对晶粒粗化程度影响很小。

④斯太尔摩风冷设计： HRB400属于低合金钢，淬透性较高，坯料中加入V微合金元素使“C”曲线往右下方偏移，根据资料，知道“C”曲线位置与冷却速度有很大关系，冷却速度越低，则“C”曲线向右下移动距离越小，所以通过细化奥氏体晶粒和选择合理的冷却速度，避开马氏体和贝氏体转变区，获得大量的细小珠光体+铁素体理想组织。

4.试制情况与结果分析
4.1 试制过程
首先进行了模拟试轧和样品试制，初步掌握了HRB400高强度钢筋的化学成分、轧制工艺、产品的力学性能和金相组织，并根据试验结果制定了相应的内控化学成分范围，优化工艺参数。

之后，进行小批量试制，发给用户进行试用，收集质量信息，进行用户走访，采取相应的质量改进措施，2009年后开始批量试制。

2009年共生产HRB400高强度钢筋48451.825 多吨，规格为φ6mm、φ8mm、φ10 mm和φ12mm，市场对产品质量反映良好，经济指标见表3。

4.2试制结果
4.2.1 化学成分及力学性能情况
通过对2009年试制的HRB400高强度钢筋化学成分及力学性能进行统计分析，结果见表4、表5。

4.2.2 金相检验情况
图1、图2为HRB400高强度钢筋金相检验结果
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图1 晶粒度11.5级（200倍焦）
图2 组织珠光体+铁素体（200倍焦）
4.3 结果分析
4.3.1 化学成分控制均在要求范围内，C、Si、Mn成分均值控制在中上限，P含量均值控制在≤0.027%，S 含量均值控制在≤0.025%，均达到内控目标的要求。

4.3.2 产品的力学性能符合国标要求，个别批号屈服强度偏低，复样后合格。

抗拉性能和断后伸长率率均值分别为？MPa和？，具有足够的富余量，力学性能指标达到预期目标。

但屈服强度波动范围较大，抗拉强度偏高，对产品性能的稳定性造成影响。

4.3.3 从金相组织上看晶粒度、组织结构均满足协议要求，部分试样肋部和表面出现回火马氏体和贝氏体，芯部为珠光体+铁素体。

4.3.4 根据用户反馈情况，产品性能全部标准的要求。

5.结论
5.1根据试制结果，柳钢采用微合金化+控轧控冷工艺进行试轧HRB400高强度钢筋已基本取得成功，各项技术指标均能达到控制要求，已具备批量生产的能力。

5.2 坯料中各元素化学成分控制较好，达到内控标准要求。

5.3采用的加V微合金化和控制冷却工艺，获得较好的综合力学性能。

5.4 力学性能波动较大，控制水平还不是很理想，因此减少力学性能波动，提高性能稳定性将是今后质量改进的重点。

6.下一步改进措施
6.1根据性能结果，调整成分，减少合金消耗，降低生产成本。

6.2加热时，严格控制加热温度和钢坯加热时间，保证V元素充分熔解。

6.3严格控制进精轧温度和终轧温度，保证加入的V元素达到沉淀强化和析出强化作用。

6.4优化控冷工艺参数，收窄温度波动范围，提高钢坯加热均匀性和通条冷却效果的均匀性。

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