宣鋼Φ36 mm和Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼的開發(fā)生產(chǎn)

田鵬松

（宣化鋼鐵集團有限責(zé)任公司，河北 宣化 075100）

隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，公路、鐵路、高樓等基礎(chǔ)建設(shè)項目不斷增加，Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼的需求量也越來越大。由于大規(guī)格螺紋鋼斷面大、承載能力更強，其更多地應(yīng)用于載荷高或高層建筑方面。熱軋直條螺紋鋼作為宣化鋼鐵集團有限責(zé)任公司（以下簡稱“宣鋼”）產(chǎn)量最大的產(chǎn)品，最大規(guī)格為Φ32 mm，為適應(yīng)市場需求，豐富企業(yè)產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)，提升企業(yè)的市場競爭力，開發(fā)更大規(guī)格、更高強度的螺紋鋼顯得尤為重要。

宣鋼的二棒生產(chǎn)線于2012年3月建成投產(chǎn)，工廠設(shè)計由中冶京誠負責(zé)，加熱爐由中冶南方威仕爐工業(yè)公司總承包，軋線工藝技術(shù)設(shè)計由意大利達涅利公司負責(zé)，全線的設(shè)備設(shè)計則由達涅利中國公司負責(zé)，軋線的工藝設(shè)計、設(shè)備裝備處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，再加上配套的工藝設(shè)施及設(shè)備裝備，該生產(chǎn)線完全具備開發(fā)生產(chǎn)更大規(guī)格、更高強度螺紋鋼的條件。根據(jù)宣鋼統(tǒng)一安排，決定在二棒生產(chǎn)線開發(fā)Φ36 mm、Φ40 mm規(guī)格螺紋鋼。

1 產(chǎn)線介紹

宣鋼二棒生產(chǎn)線加熱爐為常規(guī)步進式加熱爐，燃料采用焦轉(zhuǎn)混合煤氣，通過合理布置燒嘴，使鋼坯受熱更均勻。軋線全線共有18架達涅利短應(yīng)力線軋機，呈平立交替布置。冷床為步進齒條式，齒條采用斜齒條的形式，確保軋件在冷床上的平直度。后區(qū)配備了冷剪，用于實現(xiàn)不同規(guī)格和不同技術(shù)要求的定尺剪切，全線還配備了預(yù)水冷和QTB水箱，用于實現(xiàn)軋件的控軋控冷。二棒生產(chǎn)線的工藝流程如圖1所示。

圖1 二棒生產(chǎn)線工藝流程圖

2 開發(fā)生產(chǎn)

2.1 鋼坯化學(xué)成分設(shè)計

宣鋼二棒生產(chǎn)線使用的鋼坯斷面尺寸為165 mm×165 mm，Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼采用單線軋制，考慮到壓縮比較小、成品斷面尺寸偏大等因素，采用釩微合金化技術(shù)來保證成品鋼材的力學(xué)性能指標。釩加入微合金鋼中會形成VC，屬中間相，在較低的加熱溫度下，其碳化物可以完全溶解到奧氏體中，因此釩的利用率高，對沉淀強化的貢獻大，通過釩的強化機制，可達到提高鋼坯強度、細化晶粒的目的。

合金元素V（釩）具有較強的沉淀強化作用，且細化晶粒的作用也較強，而且能加速γ-α的轉(zhuǎn)變，降低了貝氏體、馬氏體出現(xiàn)的幾率，可形成穩(wěn)定的F+P組織。目前宣鋼螺紋鋼的生產(chǎn)就是采用V微合金化的工藝，已對該工藝的生產(chǎn)控制要點有了相當(dāng)?shù)恼莆?，可以準確地控制V合金元素的添加量，在保證力學(xué)性能指標的同時，最大限度節(jié)約生產(chǎn)成本。由于大規(guī)格螺紋鋼的壓縮量比較小，在進行鋼坯化學(xué)成分設(shè)計時，要充分考慮到化學(xué)成分對鋼筋性能的影響，若成分波動較大，則有可能造成尺寸偏下限的鋼筋性能不合[1]，相較于小規(guī)格螺紋鋼要適當(dāng)提高V、Si、Mn等合金元素的含量。

以HRB400E牌號為例，在借鑒Φ32 mm螺紋鋼經(jīng)驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過回歸分析，制定Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼對應(yīng)的化學(xué)成分，具體如表示1所示。

表1 Φ36 mm、Φ40 mm-HRB400E螺紋鋼化學(xué)成分控制標準 %

2.2 孔型設(shè)計

2.2.1 延伸系數(shù)分配

三棒生產(chǎn)線坯料斷面尺寸為165 mm×165 mm，根據(jù)Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼的斷面面積可以得出總延伸系數(shù)，再結(jié)合軋制道次數(shù)，算出平均延伸系數(shù)，在此基礎(chǔ)上對各道次的延伸系數(shù)進行分配，具體分配情況如表2所示。

表2 Φ36 mm、Φ40 mm螺紋鋼的延伸系數(shù)表

在分配各道次的延伸系數(shù)時要考慮到以下因素：軋制開始時，軋件溫度高，變形抗力低，但此時軋件氧化鐵皮厚，摩擦系數(shù)低，應(yīng)主要考慮咬入條件；之后軋件斷面逐漸減小，變形系數(shù)相對提高，此時可使變形系數(shù)不斷增加并達到最大值；隨著變形抗力增加，電機能力和軋輥強度成為限制變形系數(shù)的主要因素，應(yīng)適當(dāng)降低變形系數(shù)；在最后幾道中，為減小孔型磨損、保證成品斷面形狀和尺寸的正確性，應(yīng)采用較小的變形系數(shù)。

2.2.2 孔型系統(tǒng)設(shè)計

在考慮孔型共用性的基礎(chǔ)上進行孔型系統(tǒng)設(shè)計，粗中軋孔型和現(xiàn)有產(chǎn)品保持一致，需設(shè)計精軋孔型系統(tǒng)，這樣既可以節(jié)約軋輥、導(dǎo)衛(wèi)等工藝件的投入，又可以使料型穩(wěn)定，保證開發(fā)生產(chǎn)的順利進行。粗中軋采取箱-橢圓-圓孔型系統(tǒng)，運用箱型孔型系統(tǒng)和大壓下技術(shù)，保證變形的均勻性，增加鋼坯的變形量，有利于將鋼坯內(nèi)部因加熱產(chǎn)生的粗大柱狀晶破碎，細化晶粒，提高鋼材的組織性能。中軋采用橢圓-圓孔型系統(tǒng)，使斷面形狀過渡緩和、變形均勻，能較好地防止金屬產(chǎn)生局部附加應(yīng)力；件斷面上無尖銳棱角，斷面溫度分布均勻，可避免軋件表面產(chǎn)生裂紋、折疊等缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量；軋件頭部形狀較好、方便咬入；軋件冷卻和變形均勻[2]。精軋孔型為“橢圓-圓-平橢圓-螺”孔型系統(tǒng)[3]。

結(jié)合宣鋼Φ25 mm～Φ28 mm螺紋鋼的孔型系統(tǒng)，成品前孔K2采用平橢圓孔型，可強制金屬橫向流動，以增加成品孔螺紋鋼橫肋寬展，保證橫肋飽滿、尺寸合格。此外，平橢圓孔型也可增加橢圓軋件在孔型中的穩(wěn)定性，減少軋件頭部對成品孔型的沖擊，盡可能減少軋制中的工藝廢品。

2.2.2.1 成品孔（K1）孔型

Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼主要應(yīng)用于大型工程、重點工程，因此，在進行成品孔型系統(tǒng)的設(shè)計時，按照小負差進行設(shè)計，基圓直徑及橫肋高度按照中上限設(shè)計尺寸，基圓采用雙圓弧過渡，圖2為螺紋鋼成品孔（K1）孔型示意圖，圖3為螺紋鋼橫斜斜角示意圖。

圖2 螺紋鋼成品孔（K1）孔型示意圖

圖3 螺紋鋼橫肋斜角示意圖

圖中：R2為螺紋鋼孔型基圓半徑，mm；R1為螺紋鋼孔型過渡圓弧半徑，mm；h為橫肋高度，mm；c為橫肋末端間隙，mm，軋輥加工時橫肋打通至輥環(huán)，即輥縫高度。

其中，通過比照圓鋼成品孔型設(shè)計，可得到半徑R2的計算方法：

式中：d為過渡圓弧直徑；1.007～1.020為熱膨脹系數(shù)，根據(jù)終軋溫度和鋼種而定；螺紋鋼采用負差軋制，這里選用Δ_即公稱尺寸的下限。

橫肋的高度既要考慮孔型的壽命，也要考慮到銑槽加工、軋輥消耗、鋼筋重量偏差和橫肋的充滿度等因素，因此選取規(guī)則為[4]：h=標準尺寸+（0.1～0.3）。

α為橫肋斜角，標準要求不得小于45°，而且大規(guī)格螺紋鋼在冷彎過程中易產(chǎn)生微小裂紋，橫肋斜角α與應(yīng)力集中程度關(guān)系密切，隨著角α的減小，作用在橫肋側(cè)面的正壓力值亦減小，彎曲應(yīng)力值降低，相應(yīng)剪應(yīng)力也減小，應(yīng)力集中趨勢得到緩和[5]，一般選取50°～55°。

2.2.2.2 成品前（K2）孔型

金屬在成品孔內(nèi)要充滿凹槽，以形成周期性變化的橫肋，因此，成品前孔（K2）是保證成品孔型充滿的關(guān)鍵。平橢圓雙半徑孔型能夠保證成品孔型內(nèi)鋼材充滿良好，且軋槽磨損均勻、調(diào)整方便，與成品孔進口滾動導(dǎo)衛(wèi)配合使用，使其優(yōu)點更加突出。設(shè)計K2孔型時要考慮K1孔型的延伸系數(shù)，K1的延伸系數(shù)以控制在1.25～1.30為佳[6]。圖4為螺紋鋼成品前孔（K2）孔型示意圖，孔型高度、寬度均由前后道次的圓形孔或箱形孔決定，槽口寬度需驗算軋件寬展量[7]。

圖4 螺紋鋼成品前孔（K2）孔型示意圖

2.3 開發(fā)生產(chǎn)

在上述工作都準備好之后，根據(jù)計劃安排，在二棒生產(chǎn)線相繼開發(fā)了Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼，并獲得一次性成功，工藝指標受控，生產(chǎn)過程穩(wěn)定，檢測各項力學(xué)性能指標（包括屈服強度、抗拉強度、強屈比、彎曲度）、表面質(zhì)量、成品幾何尺寸均符合標準要求，屈服強度平均在440～460 MPa，抗拉強度為605～630 MPa，這也證明了鋼坯的化學(xué)成分設(shè)計合理，利用V微合金化的冶煉工藝可以滿足大規(guī)格螺紋鋼的力學(xué)性能指標要求。表3為牌號HRB400E-Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼的成品幾何尺寸和力學(xué)性能抽測表。

表3 HRB400E-Φ36 mm、Φ40 mm螺紋鋼成品尺寸和力學(xué)性能抽測表

考慮到Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼主要應(yīng)用于重點工程，且需求量相對較小，因此在設(shè)計孔型及組織生產(chǎn)時，負偏差按照1.0%～2.5%控制。負偏差控制的要點：孔型設(shè)計中各部尺寸按照中上限設(shè)計；調(diào)整料型時要保證來料的尺寸滿足要求[8]。Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼穩(wěn)定生產(chǎn)以后，將成品架次應(yīng)用于高速鋼軋輥，高速鋼表現(xiàn)出很好的耐磨性和淬透性[9]，軋輥耐磨性大大提高，成品架次軋輥單槽過鋼量也相應(yīng)提高。

3 結(jié)論

宣鋼的二棒生產(chǎn)線成功開發(fā)了Φ36mm、Φ40mm大規(guī)格螺紋鋼，產(chǎn)品開發(fā)一次性成功，檢測各項力學(xué)性能指標（包括屈服強度、抗拉強度、強屈比、彎曲度）、表面質(zhì)量、成品幾何尺寸均符合標準要求，并將成品架次應(yīng)用于高速鋼軋輥，軋輥耐磨性大大提高。Φ36 mm、Φ40 mm大規(guī)格螺紋鋼的成功開發(fā)，豐富了產(chǎn)品品種結(jié)構(gòu)，提升了企業(yè)市場競爭力。