HRB400E抗震钢筋控轧控冷工艺生产实践

李 璟 何晓波

（安阳钢铁股份有限公司）

0 前言

2018年11月1日正式实施的新国标有以下几点要求：（1）取消了HRB335牌号；（2）增加了HRB600牌号；（3）增加了金相组织检验的规定；（4）增加了宏观金相、截面维氏硬度、微观组织及检验方法等。因此，余热淬火钢筋已经无法满足新国标的要求。

而控轧控冷工艺与余热淬火工艺有本质的区别，钢筋的控轧控冷工艺主要是利用“细晶强化”机理[1]，由于这种工艺是钢筋的整体强化，所以没有穿水冷却那种明显的内外温度、组织、性能不均，也减少了穿水冷却遇到的时效问题和焊接问题。与低温轧制相比，轧机负荷没有增加，不用改造设备，现场很容易实现。由此可见，采用控制轧制和控制冷却技术可取得明显的经济和社会效益，提高企业的竞争力。

1 试验生产

在热轧态HRB400E钢筋原有成分体系下，分别采用单独控冷、控轧+控冷工艺来研究不同工艺对钢筋力学性能和金相组织的影响。制定合理的轧制工艺，进一步优化成分体系，在保证钢筋性能的同时，达到降低合金成本的目的。

1.1 单独控冷试验生产

试验规格为18 mm，牌号为HRB400E，其化学成分及力学性能见表1。本次试验采用热轧+控冷的工艺进行试验，通过采用不同水压水量控制钢筋上冷床的温度，对应不同工艺得到不同的钢筋性能见表2，屈服强度对比趋势如图1所示。

表1 HRB400E控冷试验化学成分

试验结果表明：（1）对比热轧态力学性能，采用单独控冷工艺的钢筋强度随着上冷床温度的降低而升高，Agt相应降低。（2）采用较强穿水冷却工艺（投用2段冷却水箱，上冷床温度为720～760 ℃），钢筋的强度有大幅度提高，屈服强度提高约50 MPa，抗拉强度提高了16～20 MPa；采用较弱穿水冷却工艺（投用1段冷却水箱，上冷床温度为871 ℃），屈服强度提高10了 MPa，抗拉强度相差不大。（3）采用单独控冷工艺比采用热轧工艺生产的钢筋的屈服强度提高了50～70 MPa，抗拉强度提高了12～55 MPa，采用穿水冷却工艺的钢筋的屈服强度比抗拉强度提高的幅度更大，从而造成了钢筋强屈比的下降，穿水后钢筋的强屈比平均为1.25。

表2 HRB400E控冷工艺钢筋力学性能

图1 不同上冷床温度下钢筋强度对比

观察不同上冷床温度下钢筋的金相组织（如图2～6所示），上冷床温度为720～740 ℃，钢筋横断面均出现了闭合的过冷组织——回火马氏体，由于基体组织的变化带来强度的提高；随着上冷床温度的提高，冷却速率降低，过冷组织在钢筋横断面的边界变得不明显；当上冷床温度为760 ℃时，钢筋边部为回火马氏体和珠光体的混合组织，使得钢筋强度提高的幅度下降。上冷床温度为871 ℃时，钢筋横断面没有异常组织，全部为铁素体+珠光体，晶粒度为8.5级；金相组织与热轧态相差不大。

图2 不同上冷床温度低倍宏观组织

图3 上冷床温度为710 ℃金相组织

图4 上冷床温度为760 ℃金相组织

图5 上冷床温度为871 ℃金相组织

图6 热轧态金相组织

1.2 控轧+控冷试验生产

前期的试验结果表明：采用单独控冷工艺，上冷床温度低于相变温度，钢筋表面生成回火马氏体组织[2]，钢筋强度提高幅度大，但是不符合新国标要求；上冷床温度高于相变温度，不会出现回火马氏体组织，但是钢筋强度提高非常有限。因此，必须采用控制轧制配合轧后控冷工艺，控制轧制的目的是适量降低精轧入口温度，使得钢筋在变形过程中累积更多的畸变能，为后续的相变提供更多的形核点[3]，从而细化组织晶粒；轧后控冷的目的是控制轧后冷却速率，阻止相变后铁素体晶粒的长大[4]，细化晶粒，提高钢筋强度。

试验规格为18 mm，牌号为HRB400E，其化学成分和力学性能见表3。本次试验采用控轧+控冷的工艺进行试验，通过采用不同水压水量控制钢筋精轧入口温度及上冷床温度，对应不同工艺钢筋力学性能见表4，屈服强度对比趋势如图7所示。

图7 不同上冷床温度下钢筋强度对比

表3 HRB400E控轧+控冷试验化学成分

表4 HRB400E控轧+控冷试验力学性能

试验结果表明：和热轧态的力学性能相比，采用控轧控冷工艺生产的HRB400E钢筋的屈服强度提高了约21～39 MPa，抗拉强度提高了17～31 MPa，Agt与强屈比略有降低。力学性能均能满足新国标的技术要求。

观察不同工艺下钢筋的金相组织（如图8～9所示），热轧态与控轧控冷工艺钢筋的横断面均没有异常组织，全部为铁素体+珠光体。采用控轧控冷工艺生产的钢筋的晶粒度为9～9.5级，比热轧态工艺下钢筋的晶粒度提高了0.5～1级，并且组织更加均匀，消除了高温轧制时出现的魏氏组织。

图8 热轧态工艺钢筋金相组织

图9 控轧+控冷工艺钢筋金相组织

2 批量生产的实物水平

根据试验结果，采用控轧控冷工艺能提高钢筋的强度，约30 MPa，结合现场轧机装备情况，在原有HRB400E钢筋成分体系基础上，降低了Mn、V合金的加入量，具体生产工艺及产品质量见表5、表6。

表5 HRB400E不同工艺下轧制制度 ℃

表6 HRB400E不同工艺下成分体系及力学性能

从表6可以看出，采用控轧控冷工艺，各规格钢筋的平均屈服强度为445～458 MPa，平均强屈比为1.34，性能富余量适中。对比热轧态HRB400E钢筋的成分体系，钒合金平均降低了0.005%，Mn合金降低了0.07%。采用控轧控冷工艺同样能够保证钢筋的力学性能满足国标要求，并且可以降低钢筋合金加入量，大大降低合金成本。

对钢筋进行金相观察，其金相组织为铁素体+珠光体（如图10所示），未发现回火马氏体、魏氏组织等异常组织，晶粒度为9～9.5级，完全满足新国标的技术要求。

3 结论

（1）采用单独轧后控冷工艺，上冷床温度过低，钢筋会产生回火马氏体，不符合新国标的技术要求；上冷床温度过高则对钢筋强度的提高贡献不大，无法达到降低合金成本的目的。

（2）采用控轧+控冷工艺，控制钢筋精轧入口温度为（1 000±20）℃，并将钢筋上冷床温度控制在（900±20）℃，此工艺条件下的钢筋强度富余量适中，金相组织为铁素体+珠光体，完全满足新国标的技术要求。

图10 控轧+控冷工艺钢筋金相组织

（3）与热轧态工艺HRB400E钢筋成分体系相比，采用控轧控冷工艺，钒合金平均降低了0.005%，Mn合金降低了0.07%，具有非常可观的经济效益。