精轧螺纹锚杆钢筋研究与开发

陈红雷

摘要：目前市场份额较大的普通锚杆钢筋生产厂家越来越多，加之受煤炭行业下行影响，锚杆市场竞争日趋激烈，销售压力加大。本研究采用合金化、低温控轧控冷、余热淬火工艺等钢铁材料强化工艺，通过对钢铁材料及生产工艺的原料成份、冶炼工艺、轧制工艺及冷却制度的优化，实现高强度、高韧性精轧螺纹锚杆钢筋的开发。

1.前言

MG500L左旋精轧螺纹锚杆钢筋是一种尺寸要求严、强度要求高、延伸率要求高的专业性产品，需要在实现高强度、高韧性性能的基础上保证较高的尺寸精度，这对生产准备、工艺设计提出了很高的要求。由于其使用成本较低、现场使用方便、不需二次加工、综合性能指标优于国内外同类产品，在国内外市场上有较大的竞争力，市场需求潜力较大，根据市场调研，仅兖矿集团年需求量就在10000吨左右。

2.新产品应用特点及要求

2.1产品特点及生产弊端

左旋精轧螺纹锚杆钢筋广泛用于较深矿井，其屈服强度要求大于540Mpa，抗拉强度要求大于700Mpa，延伸率要求大于20%；产品尺寸精度高，不同于目前高强度锚杆端部轧圆后滚丝，然后使用螺帽连接的使用方式，而是直接采用螺帽连接；螺纹无纵肋，对螺纹的对齐性要求很高。

由于其高强度、高精度、高韧性的特点，生产既要保证产品性能，又要考虑生产材料、生产工艺对尺寸精度的影响，因为强度越高越难控制性能，尤其是延伸率；强度越高越易造成轧辊磨损，从而造成尺寸不合格。

2.2产品标准要求

外形尺寸执行技术协议要求，要求高度方向内径19.5±0.2，宽度方向内径，横肋高，横肋底宽4.0±0.15，螺距8±0.15，横肋侧面与钢筋表面夹角为60°±2°，相对横肋顶端间距a=4±0.1mm，总弯曲度不大于总长度的0.4%。钢材力学性能要求屈服强度不小于540MPa，抗拉强度不小于700MPa,伸长率不小于20%。

3.技术研究思路方案

3.1 生产工艺流程

二炼钢车间转炉冶炼→LF精炼→软吹氩→连铸→双蓄热步进加热炉加热→棒材轧制→倍尺分段→冷床冷却→定尺剪切→成品检验→包装入库

3.2主要工序装备参数

二炼钢车间有60吨转炉一座、60吨LF精炼炉一座、70吨VD真空精炼炉1座，R9m五机五流连铸机一台，二棒车间拥有双蓄热步进式加热炉一座，平立交替布置高刚度短应力线轧机20架，12.5×108m冷床一台，850t冷剪一台（剪后定尺机）。

3.3研究思路

对钢材性能影响较大的生产工艺主要有合金强化工艺、低温控轧控冷工艺、余热淬火工艺，即通过Mn、V等合金元素，使钢材在微观组织上发生固溶强化、析出强化；通过采用低温控轧控冷工艺实现钢材细晶强化；通过余热淬火工艺使轧后的钢材利用余热进行相变强化。本研究综合利用上述工艺的强化机制，通过优化原料成份、轧制工艺和冷却制度，最大限度地发挥各种强化机制的效率，在减少资源消耗、降低生产成本的同时，全面提高产品的综合性能。

3.3.1化学成分

钢铁材料中的各种元素对生产工艺和产品性能的作用及影响效果不同，同一元素含量的变化也会导致其各项作用的效率变化，各元素之间也存在相互促进和相互制约的复杂关系。只有合理配置各种元素的含量和存在形式，才能使其对生产工艺和产品性能的有益作用充分发挥，同时最大程度地控制和减轻其有害作用。

考虑到该产品使用环境特点及产品强度要求高、韧性要求高的特点，围绕节约资源、降低成本的目的，在参照企业生产普通锚杆钢筋的经验及锚杆钢筋备案标准要求基础上进行了化学成分设计。该成分C含量按照0.25%-0.30%范围进行综合考虑，添加了具有细化晶粒作用的V合金元素，并对各元素的含量进行了窄范围设计，表1为化学成分设计方案。

表1  化学成分设计方案

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	V
标准	≤0.30	≤0.80	≤1.60	≤0.040	≤0.040	≤0.30	≤0.30	≤0.15	/
内控	0.26- 0.30	0.40- 0.50	1.45- 1.55	≤0.040	≤0.040	≤0.15	≤0.15	≤0.10	0.049- 0.060

3.3.2冶炼工艺

炼钢生产时要严格控制钢坯化学成分及铸坯表面质量和内部裂纹，特别注意非金属夹杂物含量，生产非正常、低液面炉次精整采取落地检验（生产允许）加强质量检查的措施。

为避免组织、成分偏析，精炼过程要进行充足的氩气搅拌，连铸过程严格按照结晶器冷却水曲线控制冷却。

3.3.3 轧制工艺

轧制过程不仅是加工成型过程，也是通过物理冶金提高产品综合性能的过程，通过控制轧制和控制冷却来调整奥氏体形态，能有效地控制和细化微观组织，提高钢铁材料的强度，改善材料的低温韧性。控制轧制的目的是得到细化的奥氏体晶粒；控制冷却的目的是通过控制奥氏体晶粒长大来得到较细的微观组织。根据轧制工艺特点，进行孔型、温度制度、变形制度的设计。

3.3.3.1孔型设计

综合考虑该品种工艺特点，结合精轧螺纹PSB500

Φ20产品要求，孔型系统在精轧螺纹孔型系统基础上进行设计，即主要针对K1、K2轧机的孔型设计（见图1）。

3.3.3.2温度制度

加热钢坯的目的不仅是奥氏体化、降低轧制变形抗力、提高塑性，而且要实现合金元素充分析出，使组织成份均匀。本研究所用钢种的加热合理钢温为940-1000℃，在此加热温度下，其奥氏体在较短时间内实现了均匀化，奥氏体晶粒也未粗化，氧化烧损少，且轧制变形抗力提高幅度不大，生产效率高。

棒线连轧生产的粗中轧部分，轧制温度较高（950～1000℃）、应变速率较小（0.5～30 S-1）、道次间隔时间较长（0.8～20S），此时的轧制物理冶金机制主要为奥氏体动态回复、动态再结晶、亚动态再结晶和静态再结晶；特别是由于粗轧机组与中轧机组之间、中轧机组与精轧机组之间设有飞剪和较长的导槽，使得形变奥氏体有充足的时间完成亚动态再结晶和静态再结晶。在精轧机组轧制过程中，随着轧制温度的下降（850～950℃）应变速率的提高（60～1800S-1）以及道次间隔时间的缩短，虽然有大量形变能转为热能，使轧件温度上升，但其轧制物理冶金机制仍以奥氏体动态未再结晶为主，动静再结晶减少，特别是最后2～3道次、产生显著的加工硬化现象，位错激剧增殖，形变奥氏体内产生亚晶，从而有利于奥氏体晶粒的充分细化和轧后产品综合性能的进一步提高。

在轧后冷却阶段，必须控制好冷却速度，这是因为经过轧制强烈变形后的奥氏体晶粒，存在大量的位错和亚晶组织。由于轧后钢温较高、变形晶粒内的畸变能很大，轧后奥氏体晶粒中的位错将发生迅速攀移、聚集（亚晶组织）、位错偶对消等现象，使位错密度迅速下降；同时，动态再结晶晶粒不必任何孕育期继续长大发生亚动态再结晶，都将使变形后的奥氏体晶粒细化效能下降、强化效果降低。

考虑精轧机布置特点、轧机、控轧控冷装置参数，规定开轧温度940-980℃，3#飞剪入口930-960℃，冷床入口温度750-770℃，控轧采用两组φ50mm穿水管，第3组采用φ75均温导槽，控冷第一组采用φ40老型穿水管，第二组采用φ40新型穿水管，第三组采用φ40均温导槽，其它采用旁通辊道或均温导槽。参数初步设定：45HZ：

控轧：1段30％，0.58；2段28％，0.58。

控冷：1段60％，1.50；2段11％，0.10。

3.3.3.3其他要求

生产时必须确保粗轧前高压水除鳞机状态良好，要求钢坯表面氧化铁皮除净率达到95%以上。生产前先入一支6m调试废坯调整轧机料型、张力、成品尺寸。

参考精轧螺纹导卫系统，根据料型变化，调整K1、K2导卫，确保轧件夹持稳定。

生产过程成品工按照10min～15min频次取样检查钢材尺寸，及时通知相关岗位调整料型或更换成品轧机，确保尺寸合格。

4. 试生产情况分析

3月安排试生产，试生产批量为509.477吨。产品开发一次成功，经济技术指标基本完成计划要求，但由于产品精度要求高，生产调试时间长，生产节奏较慢，影响电耗较高。

表2  经济技术指标

成材率%	合格率%	定尺率%	电耗KWh/t	燃料Kg/t
94.59	100.00	100.00	124.38	38.83

4.3 验证实验和应用结果。

从钢材中随机抽取样品检验（性能见表3），并送兖矿化验，化验结果完全满足其使用要求。

表3 试生产部分批次性能检测情况

批号	屈服强度	抗拉强度	断后伸长率
E15011538	603	744	21
	606	746	20
E15011537	602	740	21
	602	742	20
E15011536	604	740	21
	599	735	21
E15011535	608	750	20
	601	739	21.5
E15011534	609	745	20.5
	604	744	20

6. 结论

该产品与正常锚杆产品比较，强度要求高、尺寸要求严。在设计上采用了合金强化工艺、低温控轧控冷工艺、余热淬火工艺，通过V合金元素、控轧控冷细化晶粒特点提高锚杆钢筋强度和韧性。

采用耐磨性较好的珠光体Ⅱ轧辊，通过对轧制工艺、单槽过钢量的控制，实现尺寸的精确、稳定控制。

1