方坯直軋工藝對鋼筋組織和性能差異性的影響

鄭琳

摘 要：現(xiàn)如今，軋鋼行業(yè)的技術創(chuàng)新在不斷提速，其發(fā)展的綠色智能化方向愈發(fā)明顯，這其中最為重要的一類生產(chǎn)技術即為直接軋制技術。直軋工藝本身的優(yōu)勢比較明顯，在鑄坯被切斷之后，將會直接送入軋線進行軋制操作，如此一來，有效避免了加熱爐的能源耗費，在降本增效方面作用比較明顯。特別是近些年，這樣的工藝在我國多個地區(qū)得到了比較廣的應用。

關鍵詞：方坯直軋工藝;力學性能;晶粒尺寸;影響研究

一、國內(nèi)連鑄直軋工藝的發(fā)展

鋼鐵生產(chǎn)是耗能的大戶，據(jù)統(tǒng)計，我國鋼鐵行業(yè)的能源年消耗量已經(jīng)超過了3.5億噸標準煤，約占國內(nèi)能源消耗總量的15%以上?！笆濉币?guī)劃約束性指標就是實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排。在整個鋼鐵生產(chǎn)過程中，連鑄坯熱送熱裝技術加熱（補熱）時間短，能耗低，是節(jié)能減排的重點技術之一。連鑄直軋是所有鑄坯熱送熱裝技術中要求鑄坯溫度最高、熱損失最小、節(jié)能最顯著、流程也最緊湊的軋制方式。

到20世紀70年代末，鑄坯熱送熱裝技術才傳入我國。在1978年，攀鋼軌梁廠首先采用直軋工藝，到1980年后半年，共軋制了6.52萬噸鋼材，噸鋼節(jié)能約1.68GJ，效益顯著。1992年8月12～16日，沈陽鋼鐵廠對10爐242支140×140×2600mm鑄坯進行了直接軋制生產(chǎn)試驗，入感應加熱器的溫度高達900℃，直接成才194支（重74t），直軋率80.2%，效果極為顯著。在后來很長一段時間，由于我國絕大多數(shù)軋機與連鑄配合不當，還不能實現(xiàn)直接軋制。僅在唐山、沈陽等極少數(shù)地區(qū)的鋼廠應用，不能發(fā)揮其固有優(yōu)勢。隨著鋼鐵生產(chǎn)過程中，連鑄比的提高和連鑄技術的進一步發(fā)展，熱送熱裝技術已經(jīng)成為軋鋼企業(yè)節(jié)能降耗的重要措施。特別是在一些中小型生產(chǎn)線上，熱送直軋工藝幾乎可以涵蓋所有鋼種，因此提高熱裝比例已經(jīng)成為衡量各個鋼廠節(jié)能降耗水平的主要指標。

二、開軋溫度對軋制力的影響

溫度是對金屬變形抗力影響最為明顯的因素之一，當變形溫度升高時，金屬的變形抗力是呈降低趨勢的，因為隨著變形溫度的提高，熱激活作用增強，金屬原子的熱振動加強，原子的熱振幅增大，降低了滑移阻力，使晶界更加容易滑動，可以有效地促進材料的塑性變形，增加了非晶擴散和晶間的粘性流動能力，使得變形抗力大大降低，同時，在較高的溫度下，材料會發(fā)生動態(tài)回復以及動態(tài)再結(jié)晶行為，弱化了因為塑性變形所引起的加工硬化現(xiàn)象，降低了其變形抗力，最后金屬的組織會隨著變形溫度的改變而改變，其變比規(guī)律也不一樣。不同的變形溫度會促使金屬的組織和結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大的變化，可能會導致塑性不利的晶格朝著塑性良好的方向發(fā)展。

三、方坯直軋工藝對鋼筋組織和性能差異性的影響

（一）方坯直接軋制對鋼筋表面溫度分布的影響

在現(xiàn)場采用方坯直軋工藝生產(chǎn)鋼筋的過程中，由于方坯在到達軋機前時存在較大的頭尾溫差，為了系統(tǒng)研究方坯直軋工藝對鋼筋的微觀組織演變和力學性能的影響，首先以現(xiàn)場實測鑄坯頭部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域的表面溫度為參考對10m方坯進行溫度場模擬，隨后以溫度場模擬結(jié)果為基礎在鑄坯頭部區(qū)域截取322mm長的區(qū)域作為軋制模擬的初始條件，模擬現(xiàn)場生產(chǎn)定尺長度為9m的HRB400鋼筋的過程。開始軋制前方坯表面溫度計算結(jié)果與實測結(jié)果的對比如圖1所示，其中方坯頭部測量點附近引線標示出的兩虛線間位置為軋制模擬計算區(qū)域。

由圖1可知，方坯在現(xiàn)場開軋前的頭部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域的表面溫度實測值分別為949、1025和1037℃，鑄坯頭尾溫差為88℃;而在相同位置處的計算值分別為941、1011和1026℃;通過對比可知，方坯在開始軋制前的初始溫度與實測結(jié)果符合較好。另外，對于長度為322mm的計算區(qū)，在開始軋制前其頭部區(qū)域和尾部區(qū)域的表面溫度分別為941和972℃。

（二）方坯直接軋制對鋼筋晶粒尺寸的影響

室溫下軋制鋼筋頭部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域的鐵素體晶粒尺寸。在鋼筋軸向方向上，鋼筋頭部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域的鐵素體晶粒尺寸平均值分別為7.4、7.9和8.5μm，通過對比可知鋼筋頭部區(qū)域與尾部區(qū)域的晶粒尺寸相差最大，差值為1.1μm。在鋼筋徑向方向上，鋼筋中心部位晶粒尺寸最大，邊部晶粒尺寸最小，其中鋼筋頭部區(qū)域的邊部與中心部位晶粒尺寸相差最小，差值為0.21μm;鋼筋尾部區(qū)域的邊部與中心部位晶粒尺寸相差最大，差值為0.25μm。

為了進一步驗證模擬結(jié)果，從現(xiàn)場采用方坯直軋工藝生產(chǎn)出的鋼筋上剪取試樣，采用4%硝酸酒精溶劑腐蝕，得到鋼筋內(nèi)部的金相照片，其鋼筋頭部區(qū)域、中部區(qū)域和尾部區(qū)域鋼筋的中心部位的晶粒尺寸測量值分別為7.3、7.7和8.7μm。而鋼筋不同區(qū)域的中心部位晶粒尺寸模擬值分別為7.5、8.0和8.6μm。通過對比可知，鋼筋晶粒尺寸的模擬結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。

（三）方坯直接軋制對鋼筋力學性能的影響

直軋鑄坯開軋溫度對產(chǎn)品屈服強度、抗拉強度影響很大。各點均為同組樣品拉伸平均值。隨著粗軋前溫度的增加，產(chǎn)品屈服強度與抗拉強度降低。直軋鑄坯軋前溫度明顯低于傳統(tǒng)再加熱鑄坯溫度，因此，在軋機允許的范圍內(nèi)，可采用較低的粗軋溫度（不小于900℃），來提高產(chǎn)品性能。

方坯開軋溫度降低，奧氏體晶粒組織細小，通過直接軋制工藝，其最終產(chǎn)品晶粒也越細小，同時其產(chǎn)品組織中鐵素體占比例下降，珠光體比例上升，導致產(chǎn)品屈服和抗拉強度升高。直接軋制開軋溫度對產(chǎn)品斷后延伸率的影響，可以看出降低開軋溫度使產(chǎn)品強度升高的同時，產(chǎn)品的塑性變化不大，沒有降低。雖然產(chǎn)品的顯微組織中珠光體比例隨開軋溫度的降低而上升，但同時產(chǎn)品的晶粒尺寸也更加細小，因此塑性沒有降低。

四、結(jié)語

在我國鋼鐵工業(yè)急劇快速的發(fā)展過程中，資源、能源的限制突顯。鋼鐵材料的潛力急待挖掘，升級換代已經(jīng)迫在眉睫。軋制工藝是影響材料全生命周期的行為，對社會和環(huán)境產(chǎn)生重要影響。未來軋制技術將朝綠色化方向發(fā)展，研發(fā)重點是高精度成形、高性能成性、減量化成分設計、減排放清潔工藝等創(chuàng)新性研究。要解決一批前沿、戰(zhàn)略問題和關鍵、共性問題，以推進我國軋制技術的發(fā)展。

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