国内棒材生产线生产超细晶棒材的轧制工艺与前景研究

万涛

摘要：简介了超细晶棒材形成的基本原理及主要生产工艺；分析了目前国内棒材生产线的现状与改造的可能性；表明了生产线改造后所取得的初步结果；提出了超细晶棒材生产线的改造方案及实施步骤。

关键词：超细晶棒材；形变和相变耦合；轧制

我国建筑用钢总量占钢铁总消费量的50%左右（2018年占总消费量的54.42%），其中以建筑钢筋为主的房屋建筑用钢占总消费量的32.75%。我国年产上亿吨的螺纹钢，其中70%为低档钢筋。国家在《钢铁产业调整和振兴规划》中，明确提出“400MPa及以上热轧带肋钢筋使用比例达到60%以上”；并将“高强度钢筋和节材”列入技术改造专项，要求“修改相关设计规范，加快淘汰强度335MPa热轧带肋钢筋；对地震多发地区的建筑物、建筑物基础工程、重点工程，强制使用强度400MPa以上钢筋；采用超细晶或微合金化等工艺对建筑钢材产量较大的大中型企业生产线进行改造，促进建筑钢材的升级换代。”极大地激发了各钢企开发细晶钢的热潮，许多企业都在有多段冷却箱的生产线上生产出了细晶钢，因此有必要对国内细晶粒高强度钢筋生产工艺进行进一步探讨。

1.国内棒材生产线及其控制技术

有关统计数据表明，棒材产量在国内钢材生产总量中约占25%以上，且随社会的发展其需求量有增无减。但国内棒材生产线装备却有相当一部分是20世纪70～80年代，有的甚至更早。据了解，目前国内全连轧、半连轧棒材生产线约有70多条，已进行超细晶棒材工业试验和推广应用的不足10条且应用程度差异较大，绝大多数距全流程控温轧制工艺装备有很大差距。既要不失时机地应用超细晶理论指导生产超细晶棒材，又不可能投入大量资金或长时间停产进行改造，是目前存在的最大困难和问题。

1.1基本原理

超细晶形成的基本原理是形变与相变耦合机制，主要控制技术是使奥氏体过冷和获得大的累积变形量，精轧阶段轧制温度控制在Ae3～Ar3，使其产生形变诱导铁素体相变（DIFT），获得细小的铁素体晶粒，轧后的控冷进一步阻止铁素体晶粒长大。其具体的形成机制为：①钢在奥氏体区进行粗、中轧，产生奥氏体动态再结晶，细化奥氏体晶粒，为相变作组织准备。②轧件中轧后冷却，使精轧温度接近临界相变点。由于高速轧制和累积变形增大了相变驱动力，则提高了实际相变点，诱发了铁素体相变（DIFT），这是形核不饱和机制，是不断的生核过程，形核率高，使晶粒细化。③随变形的进行，新生的铁素体内位错密度增加，形成亚结构，产生铁素体动态再结晶（DRX）。这时连续交叉发生DIFT和DRX阻止了铁素体晶粒长大。④轧后的控冷进一步阻止铁素体晶粒长大。

1.2主要工艺流程

采用形相耦合轧制技术生产超细晶钢。生产的棒材钢种主要为普碳钢、优质碳素钢、低合金钢。为使精轧在Ae3～Ar3间控温轧制，粗轧和中轧采用再结晶轧制，这样原粗、中轧机可不进行大的改动且利于顺行；中轧后对轧件实施快速冷却至临界奥氏体温度附近，并留有一段返温时间，使轧件断面温度基本均匀；在精轧中进行未再结晶控轧，精轧后实施控冷，以阻止铁素体晶粒长大（为应对高速轧制所导致的轧件升温，必要时可采用机间冷却均温制度）。为实现Ae3～Ar3间的控温轧制，须在中轧后设置水冷箱来冷却轧件，且留一段返温距离，使轧件断面温度基本均匀；精轧后设置水冷箱实施控冷，以阻止铁素体晶粒长大。其工艺流程为：上料→加热炉加热→粗轧开坯→曲柄连杆式切头飞剪切头→中轧机组→控轧水箱控制冷却→切头剪→精轧机组→控冷水箱控制冷却→倍尺飞剪→输出辊道→冷床→精整处理。

2.国内棒材生产线改造的可能性

目前，生产细晶高强度钢筋的最大问题是，原装备及工艺不适用于生产细晶高强度钢筋。所以能克服装备及工艺布置问题的生产线，实现细晶高强度钢筋生产还是有可能的。主要措施有对主机列（轧机、减速机和电机）进行能力核算，能力不够的进行局部改造；在工艺布置中调整出安装控轧控冷装备的位置。济钢按照超细晶棒材的要求全面改造生产线，第一步轧后控冷改造完成后加入的铌铁量仅为国标的1/2～1/4。宣钢棒材生产线随后也按照这个思路改造，目标第一步至少减少铌合金用量1/2～3/4。山东石横特钢集团通过全线加热温度、轧制温度、冷却温度的优化和精确控制，挖掘细晶强化的潜力，开发出符合国际标准要求的高强度、低成本、资源节约型高速线材HRBF500E抗震钢筋。安阳钢铁集团公司积极推行控制轧制、控制冷却新工艺，利用超细晶粒的强化作用生产出低合金Ⅲ级螺纹钢筋。在国家大剧院、奥运鸟巢体育场、T3航站楼、央视新大楼等地基建筑中采用了首钢的细晶钢筋。

3.典型生产工艺

3.1棒材连轧超快速冷却技术

连续热轧加轧后超快速冷却技术生产超细晶棒材，实际是在棒材成品孔的出口处设置超快速冷却器来超快速冷却成品轧件。其工艺路线及生产原理见图1。其实际使用效果须深入分析，关键在于最后钢筋的韧性是否受到严重影响。

图1棒材超细晶钢的生产原理

3.2低温轧制对组织性能的影响

低温轧制对轧件的组织性能有很大影响，为了验证其影响程度，在Gleeble一3500热模拟试验机上做了模拟试验。试样的钢种即为上述20MnSi。先将试样分别加热到1000，900，800℃，保温10min，然后将高温试样进行压缩（压缩量都为50%）后空冷。

将压缩过的试样沿轧制方向取样，经研磨抛光后，用硝酸酒精溶液浸蚀试样表面，在金相显微镜下观察试样的显微组织结构。不同温度下压缩后试样的显微组织（放大500倍）结构。

1000℃压缩后冷却的铁素

体和珠光体均较粗大，晶粒度达到了7级左右，尤其是珠光体更为粗大，这说明在发生相变前奥氏体晶粒也较为粗大；900℃压缩后冷却的晶粒尺寸较为细化，晶粒度为8级；而800℃压缩冷却后的晶粒更为细化，晶粒度只有9级左右，且铁素体分布不均匀。

对于HRB335螺纹钢，轧制的孔型系统较为固定，即变形量大小固定，因此只有通过降低终轧温度以达到细化晶粒的目的。较低轧制温度有利于变形奥氏体为随后的铁素体转变提供更多的形核地点，从而获得尺寸更细小的组织。

3.3改造基本思路

低温轧制有以下优点：阻止晶粒的长大、魏氏组织的发展；提高钢材性能，降低冶炼成本；通过适当降低开轧温度，使轧材晶粒得到细化，从而提高钢材的性能；在保持钢材性能不变时可以减少合金成分，降低冶炼成本；减少表面起泡现象，使钢材性能及表面质量大幅度提高；降低加热温度，提高加热炉的加热能力；降低烧损，提高成材率。因为低温轧制具有这些优点，所以一般在要求范围内尽量降低开轧温度，细化晶粒。

按照惯例低温轧制开轧温度在900~1050℃时，粗轧主电机功率应达600~700kW左右，可根据粗轧机列主电机及机械设备的能力控制适当的开轧温度。现在一般都可以做到1050℃开轧，达不到时应该改造。

随着中轧轧制速度的提高、扭矩和轧制力的增大，轧件在一定条件下开始大幅度温升。随着温升的增加，晶粒的长大加快，钢材表面氧化加快，不利于细化晶粒。所以中轧也将成为一个温度控制的重点，因此中轧后必须加配冷却段将温度降到1000℃左右。精轧机组因为6架连轧，速度大幅提高，温升也加快，中间无控温设施，所以精轧6架中间也是晶粒快速长大的温床。

可以压缩飞剪到冷床的距离，增加K3、K5后距离，分别加1~2个高压水嘴，使轧制过程轧件的温度可控，最终将轧件温度控制在设备允许的范围内，必要时可配切头剪。同时在中、精轧轧机出口导卫上增加反向水嘴3~6套，实施机架间冷却，适当平衡轧制过程轧件的温度。

结论

在基本不影响生产的前提下，逐步实现超细晶螺纹钢生产线改造是可行的。第一步改造已取得的成果，为全面实现超细晶螺纹钢生产做了必要的准备。通过第一步改造，采用轧后控冷实现相变强化，可用20MnSi钢生产HRB400级钢筋（ReL≥400MPa），且至少可减少铌合金用量1/2～3/4。全部改造完成后按超细晶工艺生产，通过细晶和相变强化，可用20MnSi钢生产HRB500级钢筋。

参考文献：

[1]孟安民.安钢超细晶粒低合金三级螺纹钢筋面世［N］.中国冶金报，2004-09-04（1）

[2]翁宇庆.超细晶钢———钢的组织细化理论与控制技术[M].北京：冶金工业出版社，2003.

[3]李贵阳.20MnSiNbHRB400钢筋生产实践[J].钢铁，2006，41（5）：53-56.