50mm规格直条螺纹钢开发

万涛

摘要：为丰富我司热轧直条带肋钢筋的产品规格，提高螺纹钢产品的市场竞争力，对φ50mm规格螺纹钢的开发生产过程进行介绍。钢坯采用钒微合金化的冶炼工艺，以保证钢材最终的力学性能指标。在保证孔型共用性的基础上进行了孔型系统设计，产品开发获得了一次性成功，成品几何尺寸、表面质量、力学性能等均符合标准要求。

关键词：50mm规格；螺纹钢；孔型；力学性能

1、引言

500MPa级钢筋应用于高层建筑、地铁、桥梁和重点项目中，如高层、超高层建筑、大型框架结构、大跨度及重荷载下梁、板。500MPa级钢筋具有强度高、延性好、碳含量低、可焊性优良等良好的力学性能，同时可减少钢筋的使用量，节约工程直接成本，减少钢筋的安装量，节约工程物资及人力的投入，能在保证工程质量的同时，满足规范及设计要求，市场需求量越来越大[1]。国标《GB/T 1499.2-2018钢筋混凝土用钢 第2部分热轧带肋钢筋》最大规格可到φ50mm，为适应市场需求，丰富企业产品品种结构，提升企业的市场竞争力，开发更大规格、更高强度的螺纹钢显得尤为重要。

2、轧制生产线简介

本公司轧钢厂二棒生产线轧制工艺流程为：155mm*155mm方坯→双蓄热式加热炉→粗轧机组六架→1#飞剪→中轧机组六架→2#飞剪→精轧机组八架→3#飞剪→冷床→检验→精整→打包→称重挂牌→成品入库。其中粗轧机组为六架短应力轧机，采用的是平辊轧制。中轧机组为六架短应力轧机，精轧机组为八架短应力轧机。

3、开发过程

3.1 成份设计

二棒生产线使用的钢坯断面尺寸为155mm*155mm，φ50mm螺纹钢采用单线轧制，考虑到压缩比较小、成品断面尺寸偏大等因素，采用钒微合金化技术来保证成品钢材的力学性能指标。钒加入微合金钢中会形成VC,VN属中间相，在一定温度下其碳氮化物可以完全溶解到奥氏体中[2]，因此钒的利用率高，对沉淀强化的贡献大，通过钒的强化机制，可达到提高钢材强度、细化晶粒的目的，可形成稳定的F+P组织。借鉴φ40mm规格螺纹钢生产经验数据的基础上，通过回归分析，制定了φ50mm螺纹钢对应的化学成份，具体如表1所示。

表1  化学成份

钢种	规格/mm	C%	Si%	Mn%	P%	S%	V%	Ceq%
HRB500E	50	≤0.25	≤0.70	≤1.50	≤0.045	≤0.045	≤0.120	≤0.55

3.2加热制度

在轧制过程中，均热温度是影响奥氏体晶粒均匀化程度的一个重要因素，主要有两个方面需要考虑：一是均热温度对奥氏体晶粒大小及均匀化有着重要的影响，即均热温度越高，奥氏体晶粒越粗大，不均匀分布；二是均热温度对微合金元素的固溶度影响也较大，需要考虑微合金元素固溶度积与温度的关系来设定均热温度。因此，均热温度需要结合微合金元素的固溶度和奥氏体均匀化来考虑，才能获得均匀分布的奥氏体晶粒，然后进行轧制。另外加热温度低、保温时间短，组织均匀扩散不充分，很容易保留发达的树枝状组织。因此，合理的加热温度和保温时间是消除钢筋树枝状组织的关键因素。

固溶度积公式：

lg（[V][C]）=6.72-9500/T[3]

lg（[V][N]）=3.63-8700/T[4]

式中[V]、[C]、[N]表示的分别为V、C、N元素在奥氏体的固溶质量，T为绝对温度。

根据上述公式和VC、VN理想化学配比（V/C=4.24、V/N=3.64）计算V在奥氏体中的最大溶解度如表2所示。

表2 V在奥氏体中的不同温度溶解度

温度/℃	与VC平衡的[V][C]	与VC平衡的[V]	与VN平衡的[V][N]	与VN平衡的[V]
1100	0.63219	1.63721	0.00197	0.08459
1120	0.79467	1.83559	0.00242	0.09393
1140	0.99247	2.05136	0.00297	0.10399
1160	1.23183	2.28538	0.00362	0.11481
1180	1.51986	2.53854	0.00439	0.12640
1200	1.86456	2.81172	0.00529	0.13880

综合考虑，确定φ50mm规格钢坯均热段温度控制在1120-1180℃，坯料出炉温度要均匀，保证钢坯沿长度方向温差不大于30℃。在炉时间不小于120分钟。

3.3孔型设计

在考虑孔型共用性的基础上进行孔型系统设计，粗轧为平辊设计,7-10架采用现有孔型，11-12架重新设计孔型。这样既可以节约轧辊、导卫等工艺备件的投入，又可以使料型稳定，保证开发生产的顺利进行。

3.3.1成品孔型设计

3.3.1.1基圆。

为使底圆在钢筋中的相对面积增加，提高钢筋性能的工程能力指数，基圆直径d按下式确定[5]:

d=(do+△/3)*1.011

式中do-公称尺寸,mm

△-允许偏差，mm

3.3.1.2 横肋与纵肋

在设计钢筋的横肋时

，主要确定横肋的高度h、横肋斜角α、横肋与轴线夹角β(见图1)。

（1）横肋高度：既要考虑孔型的寿命，也要考虑到铣槽加工、轧辊消耗、钢筋重量偏差和横肋的充满度等因素。因此横肋高度取为:

h=标准尺寸+(0.1~0.3 mm)

（2）斜角α的确定:钢筋在冷弯过程中，受弯曲力矩的作用产生弯曲应力，使弯曲钢筋受弯曲部位的外表面拉力大大增加，这种拉应力的存在，使得横肋根部的塑性、韧性远小于基圆部分的塑性、韧性,其抗断裂能力大为降低，冷弯容易产生开裂现象。因此需适当减小α角值到50°（标准≥45°），随着α角的减小，正压力值亦减小，弯曲应力值降低；剪应力也减小，故应力集中得到缓和，能有效减少冷弯开裂现象[6]。

（3）夹角β的确定：同一规格钢筋，前滑值随基圆的增大而增大，随着横肋与轴线的夹角β的减小，前滑对横肋处金属的擦伤影响也减小。因此需适当减小β角值到50°（标准≥45°）。

图1 横肋斜角α、横肋与轴线夹角β

终上所述，成品孔型如图2所示。

图2 成品孔型

3.3.2成品前K2孔型设计

成品前K2采用平椭圆孔型，可强制金属横向流动，以增加成品孔螺纹钢横肋宽展，保证横肋饱满、尺寸合格。此外，平椭圆孔型也可增加椭圆轧件在孔型中的稳定性，减少轧件头部对成品孔型的冲击，尽可能减少轧制中的工艺废品。具体如图3所示。

图3 成品前孔型

4、项目实施效果

在上述工作都准备好之后，根据计划安排，在二棒生产线生产了φ50mm大规格螺纹钢，并获得一次性成功。工艺指标受控，生产过程稳定，检测各项力学性能指标(包括屈服强度、抗拉强度、强屈比、屈服特征比等)、表面质量、成品几何尺寸均符合标准要求。HRB500E钢种屈服强度在530-550 MPa，抗拉强度为690-710MPa。这也证明了钢坯的化学成份设计合理，利用钒微合金化的生产工艺可以满足大规格螺纹钢的力学性能指标要求。

5、结论

通过采用钒微合金化的生产工艺，良好的孔型系统设计，二棒生产线成功开发了φ50mm大规格螺纹钢，检测各项数据均符合标准要求，丰富了我司产品品种结构，进一步提升了企业市场竞争力。

6、参考文献

[1]裴智，张维汇，王润晓，等.HRB500钢筋的发展与设计施工要点[J].施工技术，2007，36(4):13-16.

[2]刘建,王华昆.钒氮微合金化高强度钢的研究及应用[J].上海金属, 2006.8(2):56-60.

[3]NARITA K. Physical chemistry of the groups IVa (Ti, Zr),Va (V, Nb, Ta) and the rare earthelements in steel[J]. 1975(1):10-14.

[4]TAYLORK A.Solubility products for titanium, vanadium, and niobium-carbide in ferrite[J].Scripta Metallurgical Et Materialia, 1994.32(1):7-12.

[5]李学文.螺纹钢成品孔型月牙肋的设计方法[J].山西冶金，2007(2)：51-52.

[6]赵根社，吴则国，麻成成.通过孔型改进解决大规格钢筋冷弯裂纹问题[J].现代冶金，2017(5)：52-54.