一、研究的背景与问题
随着钢材产品高质量、绿色发展的战略需求，一方面建筑用钢筋逐步由高强度代替低强度级别钢筋，提高钢筋的档次、质量和稳定性，推动钢铁“减量化”应用，支撑建筑业的转型升级，而且用户对600MPa级钢筋同样要求抗震性能，需求已然高出国家标准的技术要求，因此有必要研究和开发高强度级别热轧带肋钢筋。另一方面，随着提高开采效率及安全生产的需要，在煤矿井下巷道、隧道、边坡和坝体等支护工程，600MPa级以上树脂锚杆专用钢筋也开始得到用户的关注和应用。
2023年试制小批量HRB600钢筋，对于高强度级别钢筋，抗震性能是生产的重点，而抗震性能指标中强屈比不小于1.25是最难以实现的指标，随着强度的增加，强屈比随之下降，部分规格强屈比小于1.25，无法达到抗震性能指标要求。抗震性能合格率仅为70%。
锚杆钢筋由于使用条件与建筑钢筋有很大不同，在强度达到600MPa以上的同时，要求伸长率、冲击等韧性指标，用来满足锚杆在深井巷道的加工和使用，所以提高锚杆钢筋韧性是生产的关键。
基于以上背景，安钢周口钢铁有限责任公司依托先进的高速棒材生产线及多年热轧带肋钢筋产品生产经验，与河南钢铁集团研究院和高强钢筋使用单位进行充分的交流和探讨，对600MPa级及以上钢筋的生产工艺与关键技术进行了深入研究，从产品特性需求着手，开展基础理论研究和现场关键控制集成技术的攻关，开发了低成本窄成分控制和棒材控轧控冷生产技术，成功开发出高强高韧600MPa级高强抗震钢筋和600MPa级高强高韧锚杆钢筋，并成功应用于省内重点建设工程和煤矿企业，满足用户的需求，得到用户的认可。
二、解决问题的思路与技术方案
1、技术思路：
本项目以市场高端需求为导向，聚焦 HRBF600E 高强抗震钢筋与 MG600高强高韧锚杆钢筋两类产品研发，围绕性能瓶颈与使用要求突破技术难题。针对HRBF600E“强屈比≥1.25”的关键指标限制，在化学成分调控空间有限的情况下，通过优化轧制工艺与采用 NbV 复合微合金化体系，调控屈服强度与抗拉强度的匹配度；针对MG600锚杆钢筋的高强度、高韧性及高精度需求，以细晶强化为核心，结合微合金化与控轧控冷工艺，同时优化孔型设计满足尺寸与米重要求。
项目整体遵循“机理分析-靶向攻关-工艺优化”思路，依托钢铁材料强化机制，针对性制定技术方案：HRBF600E重点优化加热、轧制、冷却全流程工艺参数，提升硬相组织比例；MG600 聚焦钢水纯净度提升、晶粒细化及尺寸精度控制，最终实现两类产品性能达标与产业化应用，填补高端钢筋领域技术空白。
2、技术方案
本项目的关键研究内容有：
（1）HRBF600E高强抗震钢筋。①研究加热温度对组织晶粒度的影响，优化加热制度，保证微合金元素完全固溶，并控制相变前奥氏体晶粒尺寸，以削弱细晶强化对屈服强度的贡献；②优化轧钢变形温度，控制轧钢开轧温度、上冷床温度，采用缓慢冷却工艺，促进珠光体转变，提高珠光体比例；③研究轧后冷却制度对不同微合金成分体系组织和性能的影响，控制钢中组织转变，提高相变后硬相组织比例。
（2）MG600高强高韧锚杆钢筋。①为了满足600MPa级及以上强度钢筋的高强度要求，优化成分体系，利用微合金化处理，促进晶内铁素体的形成和细化，使钢筋强度提高的同时，同时保持较好的塑性、韧性。②为保证钢水的纯净度及铸坯内部质量，降低钢种氧含量，并配合控轧控冷工艺，进一步细化组织晶粒，提高锚杆钢筋产品的冲击韧性；③优化孔型设计及生产控制，以满足用户对使用锚杆用热轧钢筋外形尺寸及经济锚杆（即要求控制每米重量）等方面的需要。
三、主要创新性成果
本项目聚焦钢铁材料制造与建筑、煤矿支护用高强钢材领域，针对600MPa 级及以上高强度钢筋研发生产中的行业痛点开展技术攻关，成功开发 HRBF600E 高强抗震钢筋、MG600 高强高韧锚杆钢筋两类产品，形成了多维度的创新性成果，实现技术突破与产业化落地的双重成效，核心创新成果可归纳为工艺调控、成分体系、孔型设计、产品性能适配四大技术创新，同时在产业化应用和质量控制体系上形成配套创新成果，具体如下：
1、工艺调控创新：构建全流程闭环工艺体系，攻克强屈比调控核心瓶颈
建立“加热 - 轧制 - 冷却”全流程闭环工艺管控体系，创新差异化加热制度（冷装/热装分区温控），明确钢坯开轧温度1030-1060℃、在炉时长≥120分钟的关键参数，通过提高加热温度、保证在炉时长削弱细晶强化对屈服强度的贡献，为强屈比提升奠定基础。
实现轧制温度与上冷床温度的精准管控（±20℃），确定上冷床温度1030±20℃为最优工艺参数，促进珠光体转变、提高硬相组织比例，解决小规格产品细晶强化过度导致的强屈比不达标问题，使得产品性能合格率提升至99.5%。
以25mm规格为例，采用两种轧制工艺，对应性能折线图见图1。由图可以看出，上冷床温度低于1000℃的，屈服会略高，强屈比就会下降，因此轧制工艺要求上冷床温度应为1030±20℃为宜。
图1 不同轧制温度对钢筋力学性能的影响
优化人工时效工艺，通过释放轧制应力，让屈服强度适度降低、抗拉强度基本保持不变，进一步提升产品强屈比，使HRBF600E强屈比稳定在1.27-1.30。
图2 时效前后强屈比对比情况
2、成分体系创新：设计低成本微合金化成分体系，实现强度与韧性的高效匹配
采用NbV复合微合金化成分体系，利用Nb元素抑制先共析铁素体形核、提高珠光体转变温度，促进贝氏体硬相组织形成，通过相变强化提升抗拉强度，实现屈服强度与抗拉强度的精准匹配，攻克HRBF600E强屈比≥1.25的行业技术难题。
在原HRB600成分基础上，调整化学成分体系，增加Nb元素，并在25mm规格和22mm规格进行试验生产，实际生产结果见表2。试验结果表明，对比不加铌HRB600钢筋，屈服强度水平相当，抗拉强度略有升高，整体强屈比有所提升。
表2 加铌与不加铌HRB600钢筋力学性能对比
为MG600锚杆钢筋设计低C+SiMn固溶强化与VN沉淀强化低成本精准成分体系，充分利用碳元素和钒氮微合金元素的强化作用，结合大压缩比细化晶粒，实现 “高强度+高韧性”双重特性，MG600锚杆钢筋屈服强度达640~675MPa，常温冲击功75~120J，-20℃冲击功平均77J，远超煤矿支护的韧性要求。
研发低成本精准成分冶炼技术，通过优化脱氧、合金化及精炼工艺，大幅提升钢水纯净度，钢中氧含量由130-230ppm降至43-57ppm，夹杂物由A3、C3降至A1.5、C1.0，从源头保障产品强韧性匹配。实际控制见表3~5。
表3 转炉实际终点控制及脱氧合金化控制
表4 LF炉实际操作参数控制
表5 连铸控制情况
3、孔型设计创新：开发高通用性、高精度孔型系统，适配二次加工与尺寸要求
开发φ18~22mm规格共用粗、中轧、预精轧椭圆-圆孔型系统，采用悬臂碳化钨辊环轧机，实现无扭轧制，提升产品表面质量与尺寸精度，产品不圆度控制在≤0.3mm，米重偏差≤0.3%，填补了锚杆钢筋无国家标准下的孔型设计理论与实践空白。
针对锚杆钢筋二次加工（规圆-滚丝）需求，开展定制化孔型设计：基圆采用正公差设计并考虑热胀冷缩因素增加0.5mm，扩张角选30°、槽口宽度增加0.2~0.4mm；横肋设计兼顾锚固力与加工硬化控制，使滚丝加工后的强度损失与加工硬化提升相平衡，避免脆断和加工难度增加，适配煤矿支护的二次加工需求。
4、产品性能适配创新：优化工艺性能，贴合现场实际应用场景
突破国标对钢筋弯曲性能的常规要求，针对建筑工程现场加工弯芯直径远小于国标要求的痛点，优化HRBF600E弯曲性能，产品在30-45mm小弯芯直径下冷弯无明显裂纹，适配工地现场的实际加工需求。
图3冷弯结果
验证并优化HRBF600E 焊接性能，突破国标对 600MPa 级钢筋以机械连接为主的推荐方式，实现焊接连接的技术突破，焊接接头断裂于母材，屈服强度 672MPa、抗拉强度 850MPa，焊接性能达标，拓展了产品的工程应用方式。
图4 焊接试样；图5 拉伸曲线
针对MG600锚杆钢筋的煤矿支护严苛工况，实现晶粒度达到9~10.5级，心部常温冲击功由提升至45~75J，尺寸精度与性均满足深井巷道的加工和使用要求。
5、配套创新成果：形成全流程质量控制体系，实现产业化高效转化
建立产品全流程质量控制体系，开展弯曲性能、焊接性能、时效影响等系列测试，对钢水纯净度、铸坯质量、轧钢工艺、成品尺寸进行全环节管控，形成从冶炼、连铸、轧制到成品的一体化质量保障流程。
创新低拉速高品质铸坯生产技术，通过电磁搅拌、浸入式水口保护浇注、精准控制过热度和拉速等工艺，提升铸坯内部质量，为后续轧钢工艺提供优质坯料，保障产品性能稳定性。
四、应用情况与效果
1、应用范围广泛，精准适配两大领域核心需求
建筑工程领域：HRBF600E高强抗震钢筋（φ12-40mm 规格）成功应用于河南省内重点工程项目，适配建筑抗震、大型基建等场景，以≥600MPa屈服强度、1.27平均强屈比及优良的弯曲、焊接性能，满足高端建筑结构的安全施工需求。
煤矿支护领域：MG600锚杆钢筋（φ20-22mm等核心规格）稳定供应平煤集团、河南煤化工、神火集团等大中型煤炭企业，用于煤矿巷道支护，凭借高强度、高韧性、高精度的特性，适配深井巷道等严苛支护工况。
2、应用规模可观，产业化落地成效突出
截至项目结题，HRBF600E 高强抗震钢筋累计推广49359.204吨，MG600锚杆钢筋截至2024年11月销售2.54 万吨，两类产品合计产业化应用超7.4万吨，实现了600MPa级及以上高端钢筋的规模化量产，填补了国内该类高端钢筋的市场供给缺口。
3、产品质量稳定，核心性能指标达标率高
项目建立全流程质量控制体系，产品整体性能合格率达99.5%：HRBF600E力学性能（屈服、抗拉强度、强屈比）稳定达标，小规格产品经时效处理后强屈比进一步提升，弯曲、焊接性能贴合现场施工实际；MG600锚杆钢筋晶粒度达9~10.5级，钢水纯净度大幅提升，心部常温冲击功达45-75J，强度与韧性匹配优良，尺寸不圆度≤0.3mm，获得用户一致认可，反馈质量稳定可靠。
4、社会效益深远，契合产业升级与国家战略
600MPa 级高强钢筋与 HRB400 相比可节约用钢量44.4%，大幅降低建筑工程耗材与施工成本，推动资源节约型社会建设。突破国内 600MPa 级高端钢筋技术瓶颈，填补国标 HRBF600E抗震牌号空白，增强我国建筑、煤矿支护领域关键材料的自主保障能力，减少外部技术依赖。产品强屈比、韧性等核心指标优异，有效适配建筑抗震和煤矿巷道支护的严苛安全需求，降低工程安全风险，提升工程整体安全保障水平。
信息来源：河南安钢周口钢铁有限责任公司
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