1. 引言
钢铁行业作为资源密集型产业，近年来面临着绿色转型、低碳发展的挑战，而作为建筑结构用量最大的热轧带肋钢筋也开始向强度更高、塑性更好、性能更稳定的方向发展。我国科研院所及部分钢铁企业近年来在推广400 MPa与500 MPa级别热轧带肋钢筋的同时，已经对600 MPa及以上级别高强钢筋进行了大量研究，并取得了显著成效。600 MPa及以上高强钢筋具有强度高、节省钢材用量、施工方便等优越性，是一种更节约、更高效的新型建筑材料，相比目前国内使用的400 MPa与500 MPa级钢筋，可分别节约钢筋用量39%和15%，节能减排效果显著。在建筑工程领域中推广使用600 MPa及以上高强钢筋，可解决建筑结构中“肥梁胖柱”的问题，增加建筑使用面积，提高建筑使用功能[1]。目前马钢、韶钢、昆钢、陕钢、沙钢、永钢等相关钢铁企业均已成功研发出630 MPa、635 MPa以及650 MPa级别热轧带肋钢筋，并应用于道路交通中大跨度混凝土结构、国家重点工程、公共设施、军事与人防工程等重要领域[2]。
宝武集团鄂城钢铁有限公司(以下简称鄂钢)高线产线2000年投产，主要产品牌号为HRB400E、HRB500E，规格为Ф6 mm~Ф12 mm，具备Ф6 mm~Ф16 mm规格HRB400E、HRB500E、HRB600以及630MPa热轧带肋盘条钢筋的生产能力且大量应用于市场建筑结构，获得用户好评。在建筑钢筋市场下行的情况下，为了进一步降低盘条钢筋成本、稳定圆钢产品质量、提升产能，鄂钢于2023年年初进行了高线产线热机轧制技术改造，对加热炉、预精轧机组、精轧机组、水冷装置、风冷线等关键设备进行了提升改造。2023年4月份开始研究热机轧制工艺下盘条钢筋的合金优化工作，并先后成功开发Ф6 mm~Ф12 mm规格HRB400E、HRB500E牌号热轧带肋盘条钢筋，产品尺寸、力学性能、金相组织均符合国家标准。
为了继续保持公司原有Ф6 mm~Ф10 mm规格630 MPa热轧带肋盘条钢筋的市场占比，进一步提升高强度建筑用钢筋市场竞争力，结合高线产线现有的设备装置、工艺技术和操作水平，在HRB500E工艺基础上，用原高线采用的NbV复合钢坯和VN微合金化钢坯对Ф8 mm规格630 MPa高强度盘条钢筋进行了试制开发，并采用拉伸试验机、金相显微镜等设备对同圈钢筋的头部、中部、尾部力学性能、显微组织等进行了检验分析，为后期的稳定化生产提供了工艺参考。
2. 实验材料与方法
2.1. 实验用坯料
实验用钢坯为尺寸160 mm × 160 mm × 9000 mm的连铸钢坯，化学成分考虑采用高线改造前使用的NbV复合和VN微合金化两种成分。
由于630 MPa以上级别超高强度盘条钢筋市场需求量相对较少，考虑到钢坯混浇以及原产线下控轧控冷能力，2023年高线改造以前盘条钢筋采用与直条钢筋相同的NbV复合成分。高线热机轧制改造后，新建了加热炉且增加了轧制道次与水冷回复次数，提升了加热能力与控冷能力，有利于合金元素的固溶、析出以及晶粒细化。通过研究C、Si、Mn、V、N等元素对钢筋性能的作用机理以及分析热机轧制改造后HRB500E盘条钢筋工艺、力学性能，最终设计了VN微合金化成分。具体实验用钢坯成分见表1所示。
Table 1. Chemical composition of steel billet
表1. 钢坯化学成分
钢种 |
化学成分(质量分数)/% |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
V |
Nb |
Ceq |
NbV复合 |
0.22~0.28 |
0.50~0.80 |
1.40~1.60 |
≤0.045 |
≤0.045 |
0.120~0.160 |
0.010~0.025 |
0.50~0.58 |
VN微合金化 |
0.22~0.28 |
0.50~0.80 |
1.40~1.60 |
≤0.045 |
≤0.045 |
≤0.120 |
/ |
0.50~0.58 |
2.2. 工艺流程
HRB600高强度盘条钢筋生产工艺流程如下：高炉铁水→转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→钢坯检验→钢坯加热炉加热→高线轧制(控轧控冷)→风冷→集卷→检验入库。
2.2.1. 转炉冶炼
将合格的提水与废钢一起在130 t氧气转炉中进行顶底复合吹炼，终点控制要求质量分数为：W(C) ≥ 0.06%，W(P) ≤ 0.03%。出钢过程使用硅铁、硅锰合金、钒合金进行脱氧合金化，全程使用底吹氩工艺，促进钢水成分、温度的均匀和非金属夹杂物的上浮排除。
2.2.2. LF炉精炼
精炼过程进行成分微调，对钢水温度进行控制，精炼终点钢水成分达到成分目标控制要求，温度控制在1565~1580℃，精炼时间30 min以上，以保证钢水连铸稳定性。
2.2.3. 连铸
浇铸在7机7流连铸机上进行，钢坯断面为160 mm × 160 mm方坯，全程保护浇铸，中包过热度20~40℃，拉速为2.7~3.5 m/min。
2.2.4. 加热工艺
因为铌的碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度相对较低，需要通过较高的加热温度来保证溶解，而钒在奥氏体中有相当高的溶解度，且即使温度低至1050℃也可以溶解。为了保证两种成分的钢坯都能形成碳氮化物，所以加热温度设计时要比HRB500E高，一般控制在1100~1200℃，加热时间也较HRB500E长30 min以上，确保钢坯开轧温度在1020℃以上。综上所述制定的加热制度见表2所示。
Table 2. Heating system of steel billets
表2. 钢坯加热制度
钢种 |
加热温度/˚C |
加热时间/min |
开轧温度/˚C |
NbV复合 |
1150~1200 |
≥90 |
≥1050 |
VN微合金化 |
1100~1200 |
≥90 |
≥1020 |
2.2.5. 控轧控冷工艺
因热轧带肋钢筋的微观组织要求为铁素体F加珠光体P，小规格盘条钢筋在生产过程中因尺寸小，冷却速率相对较快，如果控冷温度过低，微观组织中容易出现贝氏体或马氏体，虽然可以提高强度，但会影响拉伸曲线的屈服平台以及塑性，因此入精轧温度、入减径机温度、吐丝温度等过程参数相对HRB400E盘条要高，可以参照HRB500E轧制要点设定控制在880℃以上[3]。综上所述制定的控轧控冷制度见表3所示。
Table 3. Controlled rolling and colling system
表3. 控轧控冷制度
钢种 |
进精轧温度/˚C |
进减径机温度/˚C |
吐丝温度/˚C |
NbV复合 |
880~940 |
860~920 |
880~920 |
VN微合金化 |
880~940 |
860~920 |
880~920 |
2.2.6. 风冷工艺
经过吐丝以后的盘卷在斯太尔摩风冷线上进行风冷，因盘卷平铺在风冷线上必然存在搭接点就会导致同一线圈的冷却速率不同，辊道速度的快慢会影响线圈与线圈之间的距离，风机的开启大小则会影响微观组织的相变，因此风冷工艺至关重要。本次试制，两种成分的钢筋均采用同样的控冷工艺，开第一组风机，按照中间风机开口度小，两边风机开口度大来控制，确保控冷效果相同。
3. 实验结果与讨论
3.1. 力学性能
3.1.1. NbV复合
根据制定的炼钢工艺、轧钢工艺进行Ф8 mm规630 MPa高强盘条钢筋试制，得到了NbV复合成分钢筋。为了检验钢筋性能稳定性，从同一卷钢筋的头部、中部、尾部各取一整圈试样，将每整圈试样剪切成8段并矫直以后按照GB/T 28900-2022《钢筋混凝土用钢材试样方法》进行力学性能试验，数据见表4所示，其中屈服强度最低、最高的拉伸曲线见图1所示。
最低(头部) 最高(尾部)
Figure 1. Tensile curves of NbV composite wire rod steel
图1. NbV复合盘条钢筋的拉伸曲线
Table 4. Mechanical properties of NbV composite wire rod steel
表4. NbV复合盘条钢筋的力学性能
钢种 |
部位 |
下屈服强度ReL/MPa |
抗拉强度Rm/MPa |
强屈比 |
最小 |
最大 |
平均 |
最小 |
最大 |
平均 |
最小 |
最大 |
平均 |
NbV复合 |
头 |
654 |
724 |
691 |
828 |
872 |
853 |
1.204 |
1.277 |
1.236 |
中 |
682 |
725 |
703 |
838 |
867 |
857 |
1.196 |
1.252 |
1.219 |
尾 |
702 |
736 |
723 |
869 |
896 |
887 |
1.217 |
1.238 |
1.227 |
汇总 |
654 |
736 |
704 |
828 |
896 |
864 |
1.196 |
1.277 |
1.227 |
技术要求 |
≥630 |
≥790 |
/ |
从表4、图1可以看出：
1) 头部、中部、尾部三圈累计24个数据的屈服强度、抗拉强度全部满足技术要求，且富余充足，符合用户要求，但是波动较大，下屈服强度ReL最小值654 MPa，最大值736 MPa，抗拉强度ReL最小值828 MPa，最大值896 MPa，屈服强度波动达到82 MPa，抗拉强度波动68 MPa。
2) 从检验部位来看，头部性能最低，下屈服强度均值691 MPa，中部次之，下屈服强度均值703 MPa，尾部最高，下屈服强度均值723 MPa，头部、中部屈服强度均值相差在15 MPa以内，尾部均值较头部高30 MPa以上。
3) 从强屈比结果来看，该成分工艺下强屈比最小值1.196，最大值1.277，均值1.227，不能满足抗震能力要求的≥1.25。
4) 从拉伸曲线来看，下屈服强度ReL最小值654 MPa的头部拉伸曲线平台不明显，下屈服强度ReL最大值736 MPa的尾部拉伸曲线平台相对明显。
3.1.2. VN微合金化
根据制定的炼钢工艺、轧钢工艺进行Ф8 mm规630 MPa高强盘条钢筋试制，得到了VN微合金化成分钢筋。为了检验钢筋性能稳定性，与NbV复合成分钢筋相同，从同一卷钢筋的头部、中部、尾部各取一整圈试样，将每整圈试样剪切成8段并矫直以后按照GB/T 28900-2022《钢筋混凝土用钢材试样方法》进行力学性能试验，数据如表5所示，其中下屈服强度最低、最高的拉伸曲线如图2所示。
最低(中部) 最高(尾部)
Figure 2. Tensile curves of VN microalloyed wire rod steel
图2. VN复合盘条钢筋的拉伸曲线
Table 5. Mechanical properties of VN microalloyed wire rod steel
表5. VN微合金化盘条钢筋的力学性能
钢种 |
部位 |
下屈服强度ReL/MPa |
抗拉强度Rm/MPa |
强屈比 |
最小 |
最大 |
平均 |
最小 |
最大 |
平均 |
最小 |
最大 |
平均 |
VN微合金化 |
头 |
684 |
715 |
699 |
868 |
895 |
878 |
1.239 |
1.269 |
1.257 |
中 |
680 |
698 |
692 |
839 |
871 |
861 |
1.225 |
1.259 |
1.244 |
尾 |
705 |
721 |
713 |
874 |
888 |
879 |
1.221 |
1.245 |
1.234 |
汇总 |
680 |
721 |
701 |
839 |
895 |
873 |
1.221 |
1.269 |
1.245 |
技术要求 |
≥630 |
≥790 |
/ |
从表5可以看出：
1) 头部、中部、尾部三圈累计24个数据的屈服强度、抗拉强度全部满足技术要求，且富余充足，相对NbV复合成分钢筋来说性能波动小一些，下屈服强度ReL最小值680 MPa，最大值721 MPa，抗拉强度ReL最小值839 MPa，最大值895 MPa，屈服强度波动达到41 MPa，抗拉强度波动56 MPa。
2) 从检验部位来看，中部性能最低，头部次之，尾部最高。屈服强度方面中部均值较头部均值低7 MPa，较尾部均值低21 MPa；抗拉强度方面头部均值和尾部均值相差不大，中部均值较尾部低18 MPa。
3) 从强屈比结果来看，该成分工艺下强屈比最小值1.221，最大值1.269，均值1.245，虽然仍不能满足≥1.25的抗震能力要求，但均值较NbV复合成分的强屈比均值高0.018。
4) 从拉伸曲线来看，VN微合金化成分工艺的下屈服强度ReL最小值和最大值的拉伸曲线平台相对NbV复合成分的平台明显。
3.2. 金相组织
根据力学性能检验结果，从两种成分方案中分别选取下屈服强度最低、最高的合计四支钢筋试样进行金相组织检验。金相组织按照国家标准GB/T 1499.2《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》中的宏观金相、微观组织实验方法，用据切机将钢筋剪切成圆柱形试样并研磨抛光，使用4%硝酸酒精溶液侵蚀5s，得到NbV复合成分和VN微合金化成分钢筋的表面和芯部的微观组织见图3、图4所示。
采用GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》、GB/T6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》标准中的对比法进行分析，NbV复合成分和VN微合金化成分钢筋的微观组织与晶粒度情况见表6所示。
Figure 3. Microstructure of steel bar surface 100×
图3. 钢筋表面微观组织100×
Figure 4. Microstructure of rebar core 500×
图4. 钢筋芯部微观组织500×
Table 6. Microstructure and Ferritic grain size of NbV composite and VN microalloyed wire rod steel
表6. NbV复合和VN微合金化盘条钢筋的微观组织与铁素体晶粒度
钢种 |
取样部位 |
表面组织 |
芯部组织 |
芯部铁素体晶粒度 |
NbV复合 |
头部 |
F + P |
F + P |
11.0 |
尾部 |
F + P |
F + P |
11.0 |
VN微合金化 |
中部 |
F + P |
F + P |
11.0 |
尾部 |
F + P |
F + P |
11.0 |
从上述微观组织图、表可知，两种成分工艺方案下，钢筋的头部、中部、尾部的金相组织是均匀且细小的铁素体加珠光体组织，钢筋未出现贝氏体和回火马氏体组织，铁素体晶粒度达到11.0级，达到钢筋国家标准要求。
4. 实际应用效果
实验结果表明，热机轧制工艺下，采用NbV复合成分和VN微合金化成分可以生产Ф8 mm规格630 MPa级别高强度非抗震级别盘条钢筋。
(1) 从屈服强度抗拉强度富余量来看，VN微合金化成分钢筋下屈服强度最小值比NbV复合成分要高26 MPa，抗拉强度最小值高11 MPa。
(2) 从屈服强度抗拉强度稳定性来看，VN微合金化成分钢筋下屈服强度头中尾整体波动比NbV复合成分要小41 MPa，抗拉强度波动小12 MPa。
(3) 从拉伸曲线来看，VN微合金化成分钢筋的拉伸曲线平台比NbV复合成分的平台明显，有利于下屈服强度的读取。
(4) 从钢坯成本来测算，VN微合金化成分钢坯与NbV复合成分钢坯相比，没有添加Nb合金且V合金元素低，因此VN微合金化成分钢坯可以节约生产成本。
按照上述实验方法，采用VN微合金化成分工艺小批量试制了Ф8 mm规格的630 MPa高强度非抗震盘条钢筋，生产的钢筋力学性能如表7所示，未出现因力学性能不合导致的不合格品，且产品金相组织正常，未出现贝氏体及回火马氏体组织。
Table 7. Mechanical properties of Ф8 mm 630 MPa wire rod steel
表7. 小批量试制Ф8 mm规格630 MPa盘条钢筋的力学性能
钢种 |
规格/mm |
产量/t |
ReL均值/MPa |
Rm均值/MPa |
力学性能合格率/% |
VN微合金化 |
8 |
140 |
706 |
877 |
100 |
5. 结论
(1) 当前热机轧制工艺下，由于增加了水冷段与回复段道次，通过合适的加热制度和控轧控冷制度，在取消Nb元素并适当降低V元素的情况下，可以充分发挥VN化物的弥散析出强化以及不断降温回复过程阻止晶粒长大的晶粒细化作用，从而达到Ф8 mm规格630 MPa盘条钢筋屈服强度、抗拉强度满足技术要求，且富余量达到30 MPa以上。
(2) 当前热机轧制工艺下，采用VN微合金化成分钢坯替代原NbV复合成分钢坯，通过制定相对较高的进精轧温度、进减径机温度、吐丝温度以及合适的斯太尔摩风冷工艺，生产的Ф8 mm规格630 MPa非抗震盘条钢筋显微组织均为铁素体加珠光体，且晶粒组织均匀细小，钢筋内部质量较好。
(3) 当前热机轧制工艺下，采用VN微合金化成分钢坯替代原NbV复合成分钢坯，头部、中部、尾部屈服强度、抗拉强度波动变小，但是中部性能与头尾相比偏低，后期需要进一步优化斯太尔摩风冷线风冷工艺，适当提高中部钢筋的冷却速度。
(4) 当前热机轧制工艺下，采用VN微合金化成分钢坯替代原NbV复合成分钢坯，抗震能力指标强屈比稍微提升，但是仍然达不到用户个性化的抗震性能要求。后期如需满足强屈比 ≥ 1.25的要求，还需要进一步优化工艺提高抗拉强度。