摘要：以往由于HRB500E盘螺受强屈比、最大力总延伸率等标准值限制，并且盘螺采用高线热轧＋水冷+风冷工艺，开发难度较大，目前唐钢新产线无HRB500E盘螺产品。本文主要介绍河钢唐钢长材事业部高线HRB500E抗震盘螺Φ8和Φ10的开发，通过不断优化成分设计和控轧控冷工艺，确保HRB500E盘螺强屈比、最大力总延伸率等指标符合标准，盘螺通圈性能不断优化。

　　关键词：HRB500E盘螺；强屈比；最大力总延伸率

　　线材是钢铁产品的重要品种之一，广泛应用于建筑和制品工业，目前世界范围内线材年产量占世界钢材总产量的10%左右。随着用户对线材性能需求的不断提升和线材生产工艺的不断改善优化，高强抗震钢筋的应用受到了广大用户的青睐。高强度抗震热轧带肋钢筋不仅具有较高的强度，同时也具有较好的韧性和抗震能力，在提高工程质量减少钢筋的使用量方面作用明显。以往由于HRB500E盘螺受强屈比、最大力总延伸率等标准值限制，并且盘螺采用高线热轧＋水冷+风冷工艺，开发难度较大，目前唐钢新产线无HRB500E盘螺产品。

　　1产品设计与实验

　　1.1工艺流程

　　铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→连铸浇注→加热炉加热→高压水除鳞→粗轧轧制→中轧轧制→预精轧轧制→预水冷段冷却→一精轧机轧制→精轧机组间水冷段冷却→二精轧机轧制→精轧后水冷段冷却→夹送辊→吐丝机吐圈→斯太尔摩风冷线冷却→集卷→打包→称重。

　　1.2生产方案设计

　　金属材料的性能是由化学成分、金相组织、晶体结构决定的，再通过特殊的格式以及方法，合制成对应属性的材料。但是在制作的过程中，由于外力的影响，特别是化学成分，更是会早晨金属材料内部的因子发生反应，起着决定性的作用，同时控轧控冷工艺也对金属相变和晶体结构起到重要作用，可以采用温度转换处理的方式，设定不同的温度环境，转换金属材料定向形态的同时，也改变了对应的晶体状态，形成不同的技术制材。因此HRB500E盘螺的生产设计主要包括钢坯成分设计和控轧控冷工艺设计。

　　1.2.1首次实验轧制

　　2021年5月在高线作业区进行首次实验轧制，本次实验轧制所用钢坯采用V-N合金微合金化工艺冶炼，选取的辅助材料有铝合金、镁合金、铜合金等，在设定两种轧制环境，针对于HRB400E盘螺自身的特征，需要进行初始制作处理。利用压定设备，将HRB400E盘螺内侧的钢筋压平，挑选硬度较强的细钢丝将盘螺与其他关联构建绑扎在一起，架立在分化钢筋之上。成分设计参考HRB400E盘螺的成分设计，拟基于高线10螺-HRB400E生产数据，利用线性拟合得出10螺-HRB400E关键成分含量与屈服强度数据关系如下：屈服强=396+74.6C+19.4MN+41.4Si+298V，根据拟合的关系式对钢坯成分进行设计：C：0.21%~0.24%，Si：0.40%~0.60%，Mn：1.25%~1.40%，V：0.050%~0.065%，P，S：≤0.040%。

　　由于长材事业部高线作业区一高线和二高线工艺设备与产线布置完全相同，随机选取一高线生产线进行实验轧制，考虑到8螺直径比10螺小，8螺压缩比比10螺大，所以在轧制过程中，可以采用温度转换的方法，营造不同的温度环境：(1)将螺底与螺顶进行基础压平处理，利用不铌成份的辅助元素，增加盘螺的基底，提升螺元件自身的稳固性。(2)利用连铸钢坯关联盘螺，避免在应用过程中出现中部和角部裂纹较等问题。(3)需要采用全铌替代钒生产hrb400e盘螺底部元件，加工硬化和温降速率对8螺屈服强度的影响程度比10螺大。在设计控轧控冷工艺时，为避免8螺屈服强度超高造成强屈比不合，8螺吐丝温度较10螺高，8螺轧后冷却速度较10螺低，根据同类产品生产经验，8螺吐丝温度设定为≤1050℃，极限上升为温度范围设定在955°~1255°之间，且完成首次冷却后，采用细化的钢丝将盘螺的底部与关联元件在此绑扎处理，提升整体的稳定性。8螺风机和风量调整如下：1#风机：90%，2#风机：85%，3#风机：60%，4#风机：60%，10螺吐丝温度设定为≤1000℃，在不同风机以及风量的影响之下，轧制的效果以及盘螺的外部状态也是不同的，在刚度以及硬度方面产生差异。一般刚度的合理标准应该保持在10螺风机和风量调整如下：1#风机：95%，2#风机：95%，3#风机：90%，4#风机：60%，8螺和10螺首段风冷辊道速度均设定为0.5m/s。

　　Φ8螺和Φ10螺两种不同规格成品钢材均实验轧制1支，每支成品钢材在去除工艺异常部分后均取一圈试样进行性能检验，通过性能检验，发现HRB500E-8螺通圈屈服强度最小值是481MPa，最大值是532MPa，通圈屈服强度性能波动范围是51MPa，HRB500E-10螺通圈屈服强度最小值是499MPa，最大值是560MPa，通圈性能波动范围是61MPa。根据国家新修订的《GBT 1499.2-2018钢筋混凝土用钢第2部分热轧带肋钢筋》中规定：HRB500E钢筋实测抗拉强度不小于630MPa，实测屈服强度不小于500MPa，实测抗拉强度与实测屈服强度的比值(强屈比)不小于1.25，最大力总延伸率Agt不小于9.0。因此，试验轧制的8螺和10螺均存在屈服强度低于国家标准的情况并且通圈屈服强度差异性均较大；最大力总延伸率检验结果与屈服强度情况相似，同样是通圈最大力总延伸率波动较大并且存在最大力总延伸率存在低于国家标准的情况。综合实验数据进行分析，成品屈服强度普遍偏低，最大力总延伸率存在低于国家标准的情况，下一步需优化钢坯成分设计和轧制工艺，改善盘螺屈服强度和最大力总延伸率。

　　1.2.2二次实验轧制

　　针对首次实验轧制时成品钢材屈服强度普遍偏低的情况，进行二次实验轧制时对钢坯成分进行优化，与首次轧制不同的是，二次轧制主要针对于盘螺的侧向区域，利用专业的设备，将两侧的关联端口绑扎在一起，营造更加稳定、安全的关联结构。采取了“提V、Mn”的思路。研究表明，V元素在钢中形成稳定的碳氮化钒化合物，化合物会对盘螺的制作产生分化影响，在标定的范围之内，依据需求分解钢材的内部结构，调整整体的刚度以及坚硬度。所产生的化合物会在钢中呈弥散强化，起到钉扎奥氏体晶界，阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碳氮化钒化合物在冷却后使得钢材的晶粒尺寸变小，且外貌也会随之发生相应的变化，在特定的温度环境之下，结合盘螺的制作需求，进行多方向轧制。需要注意的是，与单向轧制不同的是，多方向轧制的实际作用面积会更加广泛一些，针对于轧制的目标及方向，调整相应的轧制环节，确保盘螺的承压能力。在盘螺制作过程中，进行温度转换，起到细化晶粒，提高钢材强度的作用，钢的强度指标和韧性指标都得到改善。Mn元素能与Fe无限固溶，在提高盘螺强度的同时，对塑性的影响较小，Si元素能够提高盘螺强度，但是不利于改善盘螺塑性。可以根据盘螺的应用区域，对盘螺的塑性进行调整，先进行分类，在标定的范围之内，计算出各个元素的质量及数值，明确金属元素的中占比，更改整体的结构。将Mn的质量分数由1.40%提高至1.50%，此时调整制作温度，保持温度在280°~320°之间即可。V的质量分数由原来的0.060%提至0.078%，Si的质量分数保持不变。同时挑选一炉采用单独“提V”工艺(V的质量分数由原来的0.060%提至0.078%)的钢坯进行对比。

　　对轧制工艺进行优化。研究表明，钢的抗拉强度主要由钢坯的化学成分决定，控轧控冷工艺对钢的抗拉强度影响较小，但是控轧控冷工艺对钢的屈服强度影响较大，考虑到钢坯成分提高后，结合轧后冷却工艺的共同作用，会明显提高盘螺的屈服强度，从而对成品钢材强屈比产生影响。因此，在提高钢坯成分的同时要配合调整轧后冷却工艺，通过降低风机风量，提高辊道速度，营造出一种动态的轧制环境，结合环境变化情况及温度的调整，测试盘螺自身性能的变动，将Φ8螺和Φ10螺两种盘螺分开轧制，适当降低盘螺的冷却速率，控制晶粒细化程度和组织转变过程，避免盘螺屈服强度提高较大，确保成品钢材强屈比符合国家标准。第二次实验轧制时的8螺和10螺的辊道速度均提高到0.7m/s，同时适当降低风机风量，8螺风机和风量调整如下：1#风机：50%，2#风机：50%，3#风机：50%，4#风机：50%，5#风机：50%，10螺风机和风量调整如下：1#风机：60%，2#风机：60%，3#风机：60%，4#风机：60%，5#风机：30%。通过以上工艺优化，达到降低盘螺冷却速度的目的。

　　单独“提V”工艺和采用“提V、Mn”工艺的Φ8和Φ10的钢坯按照第二次优化的控轧控冷工艺分别试验轧制1支，每支成品钢材在去除工艺异常部分后均取一圈试样进行性能检验，通过性能检验发现，采用单独“提V”工艺的钢坯轧制的钢材试样屈服强度在510Mpa~540Mpa之间，屈服强度全部符合标准但是性能整体偏低，采用“提V、Mn”钢坯轧制的钢材试样屈服强度均大于600Mpa，整体的硬度变化比为1.33，此时，盘螺的坚硬程度与屈服强度整体呈现出正比的关系。在此比例下进行轧制，可以最大程度提升盘螺的应用能力，且性能整体偏高，但是部分盘螺仍然存在内部结构的差值，所以在实际应用之前需要进行二次测定，在后期仍需继续优化钢坯成分。

　　本次采用两种不同成分铸坯试验轧制的盘螺强屈比均符合国家标准，但是采用“提V、Mn”工艺的8螺强屈比在1.25~1.28范围内，强屈比水平整体偏低，采用单独“提V”工艺优化后的盘螺较采用“提V、Mn”工艺优化后的盘螺强屈比控制水平好，强屈比在1.28~1.37范围内。同时HRB500E盘螺最大力总延伸率改善效果不理想，通圈最大力总延伸率最小值是8.13%，最大值是14.36%，盘螺通圈最大力总延伸率性能波动仍然较大并且存在最大力总延伸率不合格的情况，经分析讨论，最大力总延伸率低的试样的抗拉强度也低，这种性能波动与螺纹盘条吐丝后在斯太尔摩线风冷线上同圈冷却不均匀相对应，因此通圈最大力总延伸率性能波动大的原因判断是盘螺轧后通圈冷却不均匀造成的。

　　1.2.3三次实验轧制

　　针对最大力总延伸率波动仍然较大并且存在最大力总延伸率不合格的情况进行原因分析。经过对最大力总延伸率不合试样进行分析，发现95%最大力总延伸率不合试样均是线圈搭接点处的试样，研究表明，最大力总伸长率Agt与抗拉强度呈线性增加关系，搭接点处的冷却速率慢，晶粒粗大，而使抗拉强度低，试样在搭接点处断裂，但临近搭接点处的其他强度高的部位塑性延伸变形小，是导致最大力总伸长率Agt低的主要原因。

　　长材事业部高线生产线采用斯太尔摩冷却法控制盘螺轧后相变过程，相变过程中冷却速度和终冷温度的控制主要是风机的开启台数、风量和辊道速度三者共同决定。盘螺散落到辊道后，盘螺之间有搭接点，由于圈层厚度不同，螺纹盘条搭接处温度较未搭接处高，搭接点处的冷却速率慢导致该处的晶粒及组织有所改变，试样在拉伸的过程中断裂在搭接点处，使得搭接点处抗拉强度低，是最大力总伸长率Agt不合格的主要原因。

　　根据最大力总延伸率不合的原因分析再次优化轧后冷却工艺，继续降低盘螺冷却速度，减少风机使用数量，提高轧后风冷辊道速度，将8螺首段辊道速度由0.7m/s提高到0.9m/s，8螺风机和风量调整如下：1#风机：60%，2#风机：60%，3#风机：50%，4#风机：50%，10螺首段辊道速度由0.7m/s提高到1.0m/s，10螺风机风量调整如下：1#风机：60%，2#风机：60%，3#风机：70%，4#风机：70%，以上工艺执行后，盘螺线圈圈距增大，圈层厚度减小，从而降低搭接点处抗拉强度与其他部位的差异。

　　同时根据第二次实验轧制屈服强度数据优化钢坯成分，以“提V、Mn”钢坯成分为基准降低Mn、Si含量，硅在铁素体中主要起固溶强化作用，但在一定程度会降低钢的韧性，硅含量过高时，钢的冷脆转变温度和时效敏感性提高，冷加工性能劣化。锰含量对抗拉强度的作用较小，但随着锰含量的增加，延伸率直线下降。因此将Mn的质量分数由1.50%降至1.32%，Si的质量分数由0.50%降至0.35%。

　　根据调整后的轧制工艺再次进行Φ8螺和Φ10螺试验轧制，HRB500E-8螺屈服强度最大值549.2Mpa，最小值533.1Mpa，通圈屈服强度波动约16Mpa，最大力总延伸率均大于11%，强屈比在1.26~1.30范围内；HRB500E-10屈服强度最大值551.1Mpa，最小值533.8Mpa，通圈屈服强度波动约17Mpa，最大力总延伸率均大于10%，强屈比在1.29~1.33范围内。Φ8螺和Φ10螺成品钢材试样屈服强度、强屈比、最大力总延伸率均符合国家标准并且盘螺通圈性能波动较小。

　　2结论

　　通过试验研究，找到控制盘螺强屈比和最大力总延伸率的途径，得出以下结论：

　　(1)适当提高抗拉强度或降低屈服强度，可以有效提高钢材强屈比，在改善盘螺强屈比时要合理控制合金强化和相变强化的关系。

　　(2)在使用钒氮微合金化工艺时，抗拉强度主要取决于钢坯合金成分的固溶强化效果，做好钢坯成分的优化工作至关重要。

　　(3)不同的冷却速度可以影响钢材的晶粒尺寸和组织结构，合理控制轧件的轧后冷却速度可以有效的控制轧件的屈服强度。

　　(4)盘螺由于其特殊的生产模式，盘条吐丝后在斯太尔摩线风冷线上同圈冷却不均匀造成通圈性能波动较大，增大圈距，减少圈层厚度可以有效的改善盘螺通圈性能波动大的问题。

　　3结语

　　高强度钢筋对提高建筑物安全性和耐久性具有关键作用。通过多次优化Φ8和Φ10 HRB500E盘螺钢坯成分和轧制工艺，成功开发了HRB500E盘螺，产品屈服强度、强屈比、最大力总延伸率等性能均达到国家标准并且通圈性能表波动较小，达到预期目标，丰富了公司的产品结构，实现为公司创效增收的目的。