曾圣明，伍從應，王 劼，謝 祥，高長益

(1.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司煉鋼廠，貴州 六盤水 553028； 2.首鋼水城鋼鐵(集團)有限責任公司技術中心，貴州 六盤水 553028)

1 引言

HRBF400E細晶?？拐痄摻钍且环N較傳統(tǒng)鋼材組織更為細化，同時強度和韌性的配合更為合理的鋼材產品。是對傳統(tǒng)建筑鋼鐵材料性能的全面升級，符合社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。為加快水鋼螺紋鋼筋產品的更新?lián)Q代，2001年，水鋼與東北大學著手鋼筋控軋控冷工藝的研究，開發(fā)了高性能鋼筋；2004年至2008年，與重慶大學聯(lián)合進行高強度抗震熱軋帶肋鋼筋的研發(fā)，2008年四川汶川地震第一時間將產品運到災區(qū)，支持其災后建設。2011年水鋼開始著手 HRBF400E高性能細晶?？拐痄摻畹难兄?，結合多年來對鋼材性能強化工藝的研究，通過不斷優(yōu)化成分、工藝的設計，成功開發(fā)出此鋼種，并申辦國家生產許可證。

2 HRBF400E的成分和性能要求

最新頒布的將于2018年11月1日起執(zhí)行的GB/T 1499.2-2018《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》標準規(guī)定的HRBF400E的熔煉化學成分見表1，力學性能見表2。水鋼根據(jù)自身的工藝流程特點和多年生產建筑螺紋鋼筋的經驗，為了使鋼筋的質量和性能滿足標準和用戶使用要求，規(guī)定了內控成分，見表1。

表1 HRBF400E的熔煉化學成分(質量分數(shù)，%)

注：*：GB/T1499.2-2018標準規(guī)定，根據(jù)需要，鋼中還可加入V、Nb、Ti等元素。

**：GB/T1499.2-2018標準規(guī)定，碳當量Ceq值可按如下公式計算：Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15。

表2 GB/T1499.2-2018標準規(guī)定的HRBF400E鋼筋的力學性能

3 生產工藝

3.1 工藝設計思路

傳統(tǒng)螺紋鋼筋工藝生產模式主要采用合金強化來提高鋼材的性能[1]，在提高鋼材強度的同時伴隨一定程度的塑性指標降低。水鋼HRBF400E細晶?？拐痄摻钪饕峭ㄟ^控制鋼的熔煉化學成分，通過控軋控冷技術來控制成品鋼筋的組織形態(tài)和晶粒度，從而達到鋼筋性能指標的優(yōu)化，核心技術是細化晶粒。根據(jù)相關資料可知，晶粒細化一個數(shù)量級，鋼材的強度可提高一倍，同時仍然保持良好的塑性和韌性[2-3]。從而實現(xiàn)了在不增加或盡量減少合金元素的前提下, 依靠細化晶粒使鋼材具有高強度、高韌性和良好的加工性能。

鋼材強度與晶粒尺寸的關系，符合Hall-Petch公式[4-5]：

ReL=R0+k·d-1/2

(1)

式中：ReL為材料屈服強度，R0為位錯在晶粒內滑移時的摩擦阻力(內摩擦力)，k為與晶界對滑移傳播阻礙有關的常數(shù)，d為晶粒的平均直徑。

材料的韌脆轉變溫度與晶粒尺寸的關系符合Petch公式[4]：

βTc=B-lnd-1/2

(2)

式中：Tc為韌脆轉變溫度，β、B 為常數(shù)，d為晶粒的平均直徑。

由此可知，隨著材料晶粒尺寸減小,材料的屈服強度不斷提高,材料的韌脆轉變溫度變得越低，材料的韌性越好。

實現(xiàn)鋼鐵材料的晶粒細化最根本的條件是獲得足夠高的晶核形核率和較低的晶粒長大速度。關鍵在于低溫軋制和低溫快速冷卻,控制較低的精軋溫度, 輔之軋后的控冷, 使奧氏體在軋制的過程中發(fā)生動態(tài)再結晶，利用變形誘導鐵素體相變和鐵素體動態(tài)再結晶的基本原理，控制冷卻速度使奧氏體向鐵素體轉變的相變溫度降低，增大過冷度，增加鐵素體的形核率，促使晶粒細化，從而大幅度地提高鋼材的綜合性能。

水鋼開發(fā)的HRBF400E細晶粒鋼筋是通過合理控制鋼中碳、硅、錳等化學成分，采用中軋后預穿水工藝，降低精軋溫度，實現(xiàn)控制軋制及精軋后控制冷卻工藝，控制鋼材高溫奧氏體組織以及控制相變過程，最終控制鋼材的組織類型、形態(tài)和分布，控制晶粒長大，可以在避免塑性降低的前提下提高強度。金相組織控制目標：晶粒度不粗于9級[6]；鋼筋橫截面上基圓外圍出現(xiàn)不連續(xù)、局部回火組織；鋼筋橫截面上，離試樣邊緣2 mm處布氏硬度與中心布氏硬度之差不大于40 HB。

3.2 工藝實施

1)工藝流程

鐵水+廢鋼→100 t頂?shù)讖痛缔D爐冶煉→擋渣出鋼→脫氧合金化→鋼包吹Ar→連鑄(方坯斷面160 mm×160 mm，全保護澆注)→控制軋制→控制冷卻→剪切→打捆→入庫。

2)過程關鍵參數(shù)控制

(1)煉鋼工序

冶煉終點，出鋼鋼水[C]=0.08%-0.12%、[P]≤0.025%。出鋼時間不小于2.5 min(這是出鋼口狀況良好的標準)，出鋼過程采用雙擋渣出鋼工藝，嚴禁出鋼口下渣。

(2)鋼包軟吹Ar時間不少于5.5 min，渣面微微涌動而不裸露鋼液面，吹開黑渣面直徑不大于500 mm，以達到均勻成分、均勻溫度、鋼中夾雜物上浮到渣中的目的，從而提高鋼的質量。

(3)連鑄工序

中間包鋼水溫度為1520～1545 ℃(連鑄開澆第1包鋼水可提高20℃ ，第2～3包鋼水可提高10 ℃)，正常連澆時控制鋼水過熱度不大于30 ℃。采用全保護澆注，中間包使用Al-C質水口，穩(wěn)定鑄坯拉速為2.5～3.0 m/min。

(4)軋鋼工序

嚴格控制加熱溫度，開軋溫度不大于1080 ℃，進精軋機組溫度不大于(850±10)℃，軋后上冷床溫度為 680～720 ℃。為保證控軋工藝的穩(wěn)定及性能合格，軋制速度必須控制在一定范圍。優(yōu)化各架軋機的料型控制，嚴格控制各架軋機的堆拉鋼系數(shù)，執(zhí)行更為嚴格換輥換槽制度，采用滾動導衛(wèi)替代滑動導衛(wèi)等措施，保證產品通條尺寸穩(wěn)定及表面質量合格。

4 產品質量

4.1 力學性能

1)拉伸及冷彎性能

各種規(guī)格的HRBF400E鋼筋的拉伸及冷彎性能見表3。將表3中數(shù)據(jù)與GB/T 1499.2-2018標準要求的表2中數(shù)值比較可知性能合格。

2)顯微硬度

對試樣橫截面進行顯微硬度測試，邊部硬度測量位置要求在距離螺紋鋼外表2 mm處，中心硬度測量位置要求在螺紋鋼橫截面中心點處，結果見表4。

表3 φ12～28 mm HRB400E鋼筋的拉伸及冷彎性能

表4 φ12～28 mm HRB400E鋼筋橫截面的顯微硬度(HB)

4.2 金相組織

φ25 mm 鋼筋橫截面形貌見圖1，穿水層厚度為0.71～1.16 mm；穿水層組織為回火索氏體，見圖2；1/2半徑處組織為鐵素體+珠光體，珠光體約占49%，晶粒度為10級，見圖3。由此可知，鋼筋的組織正常。

圖1 φ25 mm HRBF400E鋼筋橫截面形貌

圖2 φ25 mm HRBF400E鋼筋穿水層組織

圖3 φ25 mm HRBF400E鋼筋1/2半徑處組織

5 結論