鄂钢Φ50mm直条HRB635E高强钢筋的开发与生产工艺优化
2025-03-21 09:26:45
随着现代化建筑技术的不断发展，对结构材料的要求也越来越高。高强钢筋作为建筑结构中不可或缺的重要组成部分，其性能和质量直接影响着建筑物的安全性和耐久性。近年来，随着国家对基础设施建设的持续投入和建筑行业的快速发展，大规格高强钢筋的需求量急剧增加。HRB635E 作为新一代高强钢筋，因其优异的力学性能和良好的焊接性，被广泛应用于各类重大工程中。然而，大规格 HRB635E 钢筋的生产技术难度较大，对坯料设计、加热工艺、轧制技术及后续处理等环节均有严格要求。因此，如何有效解决这些问题，提高大规格高强钢筋的生产质量和效率，成为钢铁企业亟待攻克的技术难题。
1 Φ50mm 直条 HRB635E 高强钢筋的开发意义
鄂城钢铁轧材厂棒三生产线 2019 年 1 月建成投产，全线共有 18 架平立交替布置的连轧机，其中粗轧机组6 架，均为Φ550 轧机；中轧机组 6 架，7#～8#为Φ550轧机，9#～12#为Φ420 轧机；精轧机组 6 架，均为Φ320 轧机。现主要生产Φ12～25mm 螺纹钢，其中Φ12、14mm 螺纹钢四切分轧制、Φ16、18mm 螺纹钢三切分轧制、Φ20～25mm 螺纹钢两切分轧制。年设计能力 85万吨，现已达到 120 万吨。生产钢种为低合金钢：HRB400E、HRB500E 等。
高强钢筋是指屈服强度达到 500MPa 级及以上的热轧带肋钢筋，相比于普通钢筋，它具有更高的强度、综合性能更优的特点，可以承受更大的荷载，提高了混凝土结构的抗震性能和安全性。当前鄂城钢铁钢轧厂直条螺纹钢以 生 产 Φ12-40mmHRB400E 为主 、 并少量生产Φ12-32mmHRB500E、HRB600E。而对于大型高层建筑和大跨度公共建筑，优先采用 500MPa 级及以上高强钢筋，且部分重点桥梁等建筑需要大规格高强钢筋。因此我厂应市场 需求 在棒二 产线 开发Φ50mm大规格直条HRB635E 高强钢筋生产工艺。
随着螺纹钢市场环境进一步恶化，降本增效的压力逐渐增大，因此需合理设计Φ50mmHRB635E 坯料成分、加热温度以及成品孔尺寸等等，使生产出的产品既要满足质量、性能要求，又要做到成本最低。开发 Φ50mm直条 HRB635E 高强钢筋对于满足大型工程需求、推动钢铁行业技术进步、提高资源利用效率、降低能源消耗和污染排放、提升产品附加值以及增强国家基础设施建设能力具有重要意义，是钢铁企业响应市场需求、实现可持续发展的关键举措。
2 产品设计要求
表1 Φ50mmHRB635E 高强钢筋尺寸、重量偏差符合要求。
表1 Φ50mmHRB635E 高强钢筋尺寸、重量偏差表
2.2 Φ50mmHRB635E 高强钢筋性能达标：
屈服强度 ReL≥635MPa，抗拉强度 Rm≥795MPa，最大力总延伸率 Agt/%≥9.0，R°m/R°eL≥1.25，R°eL/ReL≤1.30。
3 工艺设计方案
3.1 成分设计
目前 HRB635E 钢坯的熔炼成分一般依据国标：GBT1499.2-2018《钢筋混凝土用钢 第 2 部分：热轧带肋钢筋》中 HRB600 对应成分进行调控：
现有小规格Φ12-32mmHRB600E 成分如下：
在相同的坯料规格下，随着轧制规格的增大，轧件压缩比减小，钢筋强度越低，因此同样成分的坯料，轧制大规格容易出现性能不合；且本次开发的 HRB635性能要求高于 HRB600E，因此Φ50mmHRB635E 坯料成分需重新设计。
直条高强钢筋通常采用微合金化工艺，利用铌、钒等的加入，形成铌、钒的碳化物、氮化物在钢中的沉淀析出，达到细化晶粒和沉淀析出强化的目的，从而改善钢筋性能。
Nb 是强碳氮化物形成元素，通过固溶于基体中，有细化晶粒和沉淀强化的作用。但是 Nb 的碳氮化物析出温度比 V 的要高，在钢筋轧制过程中的析出强化作用往往不明显，且 Nb 的含量太高，会增加轧件开裂的风险。
V 元素是 600MPa 级高强钢筋中最重要的合金化元素，能够通过析出强化、固溶强化以及细晶强化等强化方式有效提高钢筋强度，并能够充分利用廉价的 N元素，是较经济的微合金方式。
C 溶解于基体中，通过固溶强化能够显著提高钢筋强度，还能够与强碳化物形成元素结合形成碳化物，起到细晶强化和析出强化的作用。但另一方面，C 显著提高钢筋淬透性，含量过高会使组织中出现贝氏体或马氏体，降低钢筋的塑性，恶化钢筋的焊接性能。为保证良好的综合性能，600MPa 级高强钢筋的 C 含量可设计在 0.22%-0.28%范围内。
Si 能够通过固溶强化提高强度，有利于提高钢筋的弹性极限和屈服强度，也是重要的脱氧剂；Si 还能够促进 VC 的析出，强化 V 的析出效果。600MPa 级高强钢筋的 Si 含量可设计在 0.40%-0.80%范围内。
Mn 能够显著提高钢筋的抗拉强度，但同时也会提高淬透性，当 Mn 含量超过 1.5%时，易使钢筋出现异常组织，对延伸性和可焊性都是不利的。Mn 含量还会影响到氮化钒的析出，Mn 含量越高，析出的 VN 含量就越少，因此，合适的 Mn 含量控制范围为 1.30%-1.60%。P、S 都是有害元素，P、S 含量较高时，会降低钢筋的塑形和韧性，轧制过程中易产生裂纹，对焊接和冷弯性能也是有害的，设计成分时应根据实际生产条件尽可能降低 P 和 S 的上限值。
目前 HRB600E 钢坯中 C、Mn 成分已接近上限，因此Φ50mmHRB635E 熔炼 成 分 选 择 在 现 有 轧 制 Φ12-32mmHRB600E 钢坯成分基础上进行 V、Si 成分控制优化；另外，结合 HRB635E 实际生产中轧件头、尾出现开裂的情况频繁，对 P、S 的成分控制亦进行了优化。最终确定Φ50mmHRB635E 用钢坯按以下成分进行控制：
表 2 HRB635E 钢坯的熔炼成分表
表 3 Φ50mmHRB635E 用钢坯成分表
3.2 钢坯加热工艺设计
加热温度较长或加热温度过高会造成粗大的原始奥氏体晶粒，温度太低或加热时间太短会影响相变以及合金元素扩散的均匀性从而影响钢筋性能。因此合理设计加热工艺非常重要。查阅相关资料得知，因HRB635 合金元素的含量较高，钢坯均热段温度至少要达到 1150℃，V 的碳化物、氮化物方可充分溶解。结合实际性能情况，先后将加热段温度、均热段温度上下限均提升 10℃、15℃，加热时间由 80min 延长至100min，以提高合金元素扩散的均匀性，改善钢筋性能。
另外，针对钢坯头、中、尾部温差大（60℃左右），导致钢材同条性能差异大的问题，进行了以下改进：（1）将预热段供热负荷降低，预热段温度由原来的≤1050℃优化为≤950℃，从而使加热段和均热段供热负荷提高，煤气量得到提升，燃烧火焰长度加长；（2）降低热值增加流量以及切除加热段、均热段烧嘴的方法，增加加热段、均热段燃烧火焰长度，最终实现钢坯头、中、尾部温差控制在 30℃以内。
优化后的Φ50mmHRB635E 加热温度制度如下：
表 4 优化后的Φ50mmHRB635E 加热温度制度
3.3 控冷工艺
考虑到Φ50mmHRB635 为国家重点工程用钢，为了防止钢筋生锈和确保钢筋的质量，选择轧件出 14#架后自然空冷，不采取控冷工艺。
3.4 轧制工艺设计
3.4.1 孔型系统选择
椭-圆孔型系统可在延伸孔型中轧出成品圆钢，因此椭-圆孔型系统常用于轧制圆钢。实际生产中，除 K1和 K2 孔外，相同规格的圆钢和螺纹钢都是共用一套孔型的，因此螺纹钢延伸孔型系统设计系统与圆钢相同，精轧孔型系统选择椭-圆孔型系统；前面的道次考虑来料坯型较大，而箱形孔型系统具有轧槽浅、轧辊强度高、可采取的变形量较大的特点，适用于大型和中型断面的延伸孔型，因此前两个道次选择箱形孔型系统。
3.4.2 压下量设计
用压下系数确定轧制道次：轧制道次=lg 总延伸系数/lg 平均延伸系数总延伸系数=坯料断面积/成品断面积=（160*160）/（3.14*25*25）=13.04；椭-圆孔型系统平均延伸系数一般选取 1.3，则轧制道次=9.8，也就是需要 10 道次完成。1#、2#用于 240mm2 方、200mm2方坯料开坯，目前在用 160mm2 方坯坯料，因此 1#、2#空过。轧制Φ50mm 螺纹，成品长约 120m，考虑到 12#距离冷床 200 米左右，沿线辊道较长，如果选择 11#、12#出成品，存在轧件在轧线走不动的风险；而 12#距离 13#约有 60 米长，因此选择 13#、14#出成品。综上，连轧工艺确定为：1#轧机（平轧机）空过，2#轧机（立轧机）空过，3#-10#轧机（平、立轧机交替），11#/12#空过，13#轧机（平轧机）为成品前道次，14#轧机（立轧机）即成品道次。根据成品尺寸要求，按变形总量分配各道次压下量：3#、4#采用箱形孔，通过大压下量来实现轧制变形，5#-14#为椭或圆孔型，要采用小压下量来控制宽展，保证轧制稳定、轧件尺寸满足要求。3#为第一道次，需考虑咬入顺畅问题，咬入角α一般不大于 26 度，根据△h=D（1-cosα）公式（△h为压下量，D 为轧辊工作辊径）可计算出最大压下量，一般压下量设定为 45～50mm；参考孔型设计书籍，宽展系数（=△b/△h，△b 为宽度变形量）约 0.25～0.55，箱形孔取值 0.27 可计算出 3#轧件展宽量；椭圆孔一般取值 0.4-0.5，圆孔取值一般 0.3-0.4，结合各道次宽展系数可计算出各道次轧件尺寸，具体如表 5：
表 5 计算出各道次轧件尺寸表
3.4.3 孔型设计：
孔型设计中孔型的选择非常重要，尤其是成品孔，尺寸设计不当，会导致尺寸不符合要求以及负差轧不出来，即实际重量大于理论重量，造成成本上升。初始设计中由于内径 d、横筋与钢筋表面的夹角α以及横筋高度设计偏大，出现尺寸富余量较足，负差值偏小。下面重点介绍优化后的成品孔设计相关内容：成品孔内径 d：螺纹钢圆形槽底的磨损大于其他各处，并考虑负偏差轧制，因此设时选用选用部分负偏差乘以冷缩系数 1.012～1.013，即成品孔内径 d=[d0-（0～1.0）△-]×（1.005～1.015）（△-为内径允许最大负偏差，d0 为成品内径的公称直径），HRB635E 热膨胀系数取值1.013，内径 d 由原来的 48.5 优化为 48.3mm。Φ40～70mm 圆钢成品辊缝一般取值 3～4mm，Φ50mm 规格螺纹辊缝 s 参考圆钢的设计，并考虑长时间轧制孔型磨损后便于轧件调整，按最大值 4mm 取值。成品孔内径开口宽度 Bk：按成品孔内径及辊缝画图后，测量值为48.13mm。横筋高 h：为使横筋高度不超出最大正偏差，而当 K2 来料不能将此横筋充满，以及孔型内径磨损后，亦不致小于负偏差值，同时为便于轧制时脱槽，减少冲出口卫板缠辊故障，铣槽深度一般较标准中的公称尺寸大 0.4mm。结合实际轧制情况，横筋高度由原来的3.6 优化为 3.0mm。横筋顶部宽度 b：顶部宽度值不能选择的太小，如采用负偏差设计，则轧制时金属很难充满横筋，以及轧件在成品孔脱槽难易程度，横筋宽度按公称尺寸或比公称尺寸大 0.3-0.5mm 控制。结合实际轧制情况，b 由原来的 2.5 减小至 2.3mm。横筋间距 L：为延长轧辊使用寿命，在选择间距 L 值时，应选用一定程度的正偏差以增加重车次数、节约辊耗。按公称尺寸大 0.3-0.4mm 设计、并计算横筋铣槽数量。为了使轧件容易脱槽，横筋与轴线夹角β按 65°设计。为了增大负差，横筋和钢筋表面夹角α由原来的 55°改为 47.5°。
按照以上工艺设计原理，成品孔具体如下图：
图 1 成品孔具体设计图
3.5 开发成果
实施例 1 钢坯成分验收，162mm×162mmHRB635E钢坯包括以下重量百分比的元素：C 0.27%、Si 0.67%、Mn 1.55%、V 0.169%、P 0.022%、S 0.027%、Nb 0.016，碳当量 Ceq 0.57%。
实施例 2 本实施例与实施例 1 基本相同，区别之处在于本实施例中钢坯包括以下重量百分比的元素：C 0.27%、Si 0.69%、Mn 1.56%、V 0.168%、P 0.031%、S 0.033%、Nb 0.015，碳当量 Ceq 0.57%。结果见表 6：
表 6 HRB635E 高强钢筋开发与实施例总结表
通过合理的成分、加热工艺以及孔型设计等等，成品外形尺寸合格；按设计成分轧制的钢筋力学性能全面达标。实现成功开发Φ50mmHRB635E 高强钢筋，并具备批量生产的能力。
4 结语
鄂城钢铁钢轧厂积极开展新产品开发工作，新产品开发的影响因素众多，任何一个因素设计不合理会导致成本上升、性能不合或者成品尺寸不合等等问题，新产品成本太高使得利润降低、无开发的意义；性能、尺寸等不合预示着开发失败。钢轧厂通过认真分析新产品开发的关键点，并不断优化生产工艺，实现了Φ50mmHRB635E 高强钢筋成功开发，促进了鄂钢产品结构的优化调整，并实现低成本高质量生产，增强了产品竞争力。
