李 探,劉學森
(天津鋼鐵集團有限公司,天津300301)
HRB400E作為建筑用鋼,已經(jīng)廣泛應用到建筑、橋梁、港口、水電等重大基礎設施的建設中。國家和社會對該鋼筋的質(zhì)量非常關注,同時節(jié)能環(huán)保政策逐漸嚴格,給鋼鐵行業(yè)提出更高要求,在保證質(zhì)量的前提下減少鋼材用量已成為行業(yè)趨勢[1-4]。通常鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)HRB400E盤螺,是在HRB400基礎成分上添加釩等微量合金生產(chǎn),隨著釩等合金價格的上漲,造成HRB400E盤螺生產(chǎn)成本提高,企業(yè)的經(jīng)濟效益下降[5-7]。鑒于市場和成本的壓力,公司準備采用不加釩等微量合金的成分設計思路,通過制定合理的化學成分、優(yōu)化軋制和風冷工藝、調(diào)整產(chǎn)品的組織,生產(chǎn)出性能滿足GB/T1499.2-2018要求HRB400E盤螺,不僅可以降低生產(chǎn)成本、增加效益,還可以擴大市場占有率。
不加釩的HRB400E盤螺是在摩根5代高速線材軋機試制,軋制工藝流程為:150×150 mm2方坯→雙蓄熱式加熱爐→高壓水除鱗→卡斷剪→粗軋機組6架→1#飛剪→中軋機組6架→2#飛剪→預精軋機組4架→3#飛剪→精軋前水箱→精軋機組10架→4組精軋后水箱→吐絲機→斯泰爾摩風冷線→集卷→P/F空冷線→精整→檢驗→打包→稱重掛牌→成品入庫。摩根5代高速線材軋機設備水平完全可以滿足HRB400E熱軋帶肋抗震鋼筋的生產(chǎn)需要。但在試生產(chǎn)初期出現(xiàn)鋼筋的屈服強度低,通條性不穩(wěn)定的問題。
一般HRB400E熱軋帶肋抗震鋼筋的生產(chǎn)方法是在HRB400的基礎上加釩、鈮等微量合金,但隨著釩、鈮等合金合金價格的上漲,HRB400E生產(chǎn)成本增加,利潤空間被嚴重擠壓,此次優(yōu)化成分不做比較。
另外碳結(jié)鋼中含碳量在低于0.8%以下時,增加碳含量有利于盤螺強度的提高,提高鋼中錳含量也可以提高鋼材的強度性能,但通過成本對比發(fā)現(xiàn),提高鋼中錳含量的成本要高于增加碳含量一個數(shù)量級,因此此次優(yōu)化成分重點是圍繞HRB400基礎成分,適當增加碳含量、降低錳含量來開展研制工作。
控冷、控軋的目的是通過相變強化機理提高盤螺的機械性能。通過優(yōu)化加熱、軋制和冷卻工藝,調(diào)整產(chǎn)品的組織形態(tài),改善產(chǎn)品的機械性能,生產(chǎn)出性能滿足客戶要求和國家標準的產(chǎn)品。
控冷是在熱軋盤螺冷卻相變過程中,通過調(diào)整斯太爾摩風機冷卻工藝參數(shù)來控制各冷卻段的冷卻速率,以獲得晶粒細小的珠光體組織。晶粒細小的珠光體組織具有良好的強度和韌性,因此可以采用提高細小高珠光體含量的方式提升盤螺性能。根據(jù)CCT曲線[8]顯示奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變過快,會產(chǎn)生貝氏體組織,而貝氏體組織會造成盤螺冷彎斷裂以及無明顯屈服現(xiàn)象[9-10],因此,相變后期采用緩慢冷卻方式減少貝氏體產(chǎn)生。HRB400E的CCT曲線見圖1。
圖1HRB400E的CCT曲線
控軋是通過控制HRB400E盤螺開軋溫度,精軋溫度,軋制變形速率、軋制速度,終軋溫度來獲得細小晶粒的強化效果。
從降低成本的角度,此次化學成分設計是在原有成分的基礎上增加了碳含量,為了保證碳當量(Ceq)的穩(wěn)定,適當?shù)慕档土隋i含量。Φ10 mm盤螺化學成分優(yōu)化設計對比見表1。
表1 Φ10 mm盤螺化學成分對比/%
試驗采用原料為150×150 mm2方坯軋制成Φ10 mm盤螺。方坯加熱至奧氏體溫度區(qū)域,消除鑄態(tài)組織和偏析并使碳化物溶解和奧氏體均勻化,同時要避免加熱溫度過高與加熱時間過長使奧氏體晶粒粗大。出鋼溫度選擇在980℃~1 050℃,加熱工藝見表2。
表2 加熱工藝參數(shù) /℃
根據(jù)控制軋制的機理,粗中軋選擇再結(jié)晶區(qū)域軋制,目的是消除塑性變形過程中產(chǎn)生的加工硬化,細化奧氏體晶粒,使化學成分更加均勻。由于高速線材軋制已經(jīng)有較高的變形速率,通過控制進精軋溫度在910±20℃,避免奧氏體在再結(jié)晶區(qū)域軋制形成變形奧氏體晶粒,以便后續(xù)獲得細小的鐵素體晶粒。
針對盤螺存在性能不穩(wěn)定的問題,進行軋制輥速的研究。采用在同一風機風量工藝下,不同的軋制輥道速度進行對比研究。不同輥速下力學性能見表5。
通過性能對比發(fā)現(xiàn),0.60 m/s輥道速度慢,盤螺間距小,冷卻時間長,屈服強度提高,伸長率和最大力下總伸長率下降明顯,散差較大。0.70 m/s輥道速度快,盤螺間距大,冷卻時間短,屈服強度下降,伸長和最大力下總伸長率有所上升。使用0.65 m/s輥道速度,屈服強度提高明顯,伸長率和最大力下總伸長率數(shù)值較好,散差較小。因此Φ10.0 mm盤螺選擇0.65 m/s輥道速度,軋后冷卻速度平均6.75℃/s的冷卻工藝比較理想。
選取同一爐號150×150 mm2HRB400E方坯做工藝對比,采用工藝1與工藝2進行不同工藝的試制生產(chǎn)。針對Φ10.0 mm盤螺屈服強度低的問題,采用同一輥道速度,不同風機風量進行工藝對比見表3。
表3 控冷工藝參數(shù)表
對比工藝各取10個試樣,采用平均值的方法進行對比,力學性能對比見表4。
表4 HRB400E力學性能對比
表5 不同輥速下力學性能
從力學性能上看,工藝2的屈服強度(Rp0.2)與抗拉強度(Rm)要高于工藝1,工藝2比工藝1伸長率(A)與最大力下總伸長率(Agt)略低,但符合國家標準。因此選擇工藝2作為風機風量工藝。
工藝性能穩(wěn)定后,取同一爐號不同支盤螺10圈。同圈搭接點與非搭接點取樣,進行性能檢測,見表6。
表6 力學性能
搭接點與非搭接點平均屈服強度差小于10 Mpa,平均抗拉強度差小于15 Mpa,伸長率與最大力下總伸長率達到國家標準要求,試驗結(jié)果滿足穩(wěn)定盤螺力學性能的目的。
選取原工藝與優(yōu)化工藝金相組織進行對比,原工藝與優(yōu)化后工藝組織金相對比見圖2。
圖2 組織金相對比
從圖2對比中可以看出(b)中組織為均勻的鐵素體和珠光體,珠光體含量要高于(a),珠光體含量從40%提升至55%。未產(chǎn)生貝氏體組織。
盤螺在放置一段時間后,力學性能會產(chǎn)生一定變化,出現(xiàn)時效現(xiàn)象。為保證自然時效后性能合格,滿足后續(xù)的使用需求,通過選取同支盤螺的熱檢與7天時效拉伸試樣進行對比試驗。時效性能結(jié)果對比見表7。
表7 盤螺時效前后性能對比
通過對比7天時效后的屈服強度下降13 Mpa,抗拉強度下降不明顯,性能合格,滿足使用要求。為保證時效后產(chǎn)品合格,熱檢時屈服強度保留30~40 Mpa的余量。
本文通過相變理論對冷卻工藝進行研究,找到了風機風量與輥道速度對盤螺的影響規(guī)律。試驗對比不同風機風量工藝,隨著風量的增大,盤螺的屈服強度提高。對比不同輥道速度,找到合適的輥道速度和冷卻時間,保證最大力下總伸長率合格。通過對盤螺通條性與時效性檢測,得出性能完全滿足國標要求。HRB400E盤螺選擇0.65 m/s輥道速度,軋后冷卻速度控制在6.75℃/s左右,能夠控制珠光體提升至55%,避免貝氏體產(chǎn)生。通過降低化學成分中錳的含量,降低了噸鋼成本,提高了產(chǎn)品的競爭力。