上個(gè)世紀(jì)90年代初期，摩根10機(jī)架無(wú)扭機(jī)組（NTM）投入使用，提高了精軋速度和棒線材尺寸精度。由于軋件在精軋機(jī)組內(nèi)軋制升溫，不可能得到理想的軋制溫度，需要使用水冷裝置，當(dāng)軋件離開(kāi)無(wú)扭機(jī)組后以合適的溫度進(jìn)入MFB（迷你精軋機(jī)組）機(jī)組或者RSM（定徑機(jī)組）機(jī)組定徑精軋。

使用RSM定徑機(jī)組來(lái)生產(chǎn)特殊鋼和冷鐓鋼等鋼種，不僅僅提高了產(chǎn)量和生產(chǎn)效率，而且對(duì)于材料的冶金組織控制也帶來(lái)極為有利影響。在同一生產(chǎn)線上達(dá)到組織處理的目的，減少了材料的后續(xù)工序，降低了成本。對(duì)于其它的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，通過(guò)改善內(nèi)部的組織來(lái)達(dá)到性能的要求，從而避免使用昂貴的合金帶來(lái)的高成本。為了達(dá)到特定的性能，軋件必須進(jìn)行熱機(jī)軋制，進(jìn)入最終道次的軋件必須以較低的溫度軋制，無(wú)扭精軋機(jī)組和后續(xù)的定徑機(jī)組成功組合充分證明了此工藝的成熟，業(yè)已安裝了70多套這樣的機(jī)組，使用了MFB/RSM機(jī)組，從目前的2線棒材軋機(jī)到新的高速，高生產(chǎn)率單線軋機(jī)，都可以采用這個(gè)技術(shù)。

熱機(jī)軋制工藝已經(jīng)多年成功地運(yùn)用在板材生產(chǎn)上，生產(chǎn)耐海洋侵蝕的鋼構(gòu)、造船用鋼、橋梁用鋼和管線鋼上。需要的產(chǎn)品屬性和性能的重點(diǎn)是強(qiáng)度、沖擊韌性、展性和焊接性能。對(duì)于長(zhǎng)材來(lái)說(shuō)，使用已經(jīng)有一段時(shí)間了，特別是研發(fā)了定徑機(jī)組設(shè)備后，成為長(zhǎng)材軋機(jī)的后續(xù)精軋機(jī)組。然而，市場(chǎng)對(duì)這些產(chǎn)品的需求增長(zhǎng)緩慢。

 棒線材軋機(jī)熱軋總體有三種基本溫度范圍：常規(guī)軋制（CR），正火軋制（NR）和熱機(jī)軋制（TMR）。盡管各種軋機(jī)布置千變?nèi)f化，常規(guī)軋制的溫度都高于950℃，比Ac3的相變溫度要高出許多，這是因?yàn)檐垯C(jī)設(shè)備受到了限制。正火軋制是保證軋件處于穩(wěn)定的奧氏體狀態(tài)區(qū)間，通常高于Ac3相變溫度60℃左右。熱機(jī)軋制是恰恰處于奧氏體和亞奧氏體溫度范圍軋制，也就是靠近Ac3相變溫度。見(jiàn)圖1。 

熱機(jī)軋制導(dǎo)致晶粒細(xì)化。在常規(guī)的高速線棒材軋制中，雖然成品棒線材保持了非常高的細(xì)晶組織，達(dá)到了ASTM標(biāo)準(zhǔn)的13級(jí)，但是當(dāng)線棒材離開(kāi)最后一架軋機(jī)后，達(dá)到水冷裝置之前很短的時(shí)間內(nèi)，細(xì)化的晶粒立刻長(zhǎng)大，對(duì)于大多數(shù)規(guī)格的棒線材來(lái)說(shuō)，只是需要不到0.5秒的時(shí)間，晶粒就迅速增大到8級(jí)。在經(jīng)過(guò)水冷裝置后，雖然表面層得到了淬火，但是內(nèi)部晶粒仍然在高溫下繼續(xù)長(zhǎng)大，棒材表面晶粒細(xì)化，晶粒向內(nèi)逐漸加大。吐絲后在斯太爾莫冷卻線上進(jìn)行空冷或強(qiáng)冷冷卻。在常規(guī)10機(jī)架無(wú)扭精軋機(jī)組軋制后，經(jīng)過(guò)斯太爾莫冷卻線得到的晶粒度一般都在5-10級(jí)。

在無(wú)扭機(jī)組軋制期間再結(jié)晶機(jī)理是動(dòng)態(tài)的，即迅速地動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，不需要孕育期，最后當(dāng)溫度下降時(shí)發(fā)生靜態(tài)的晶粒長(zhǎng)大。當(dāng)變形發(fā)生時(shí)候，形核和長(zhǎng)大同時(shí)發(fā)生，在金屬內(nèi)部發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，Sellers和Whiteman在文章中已經(jīng)描述。為了保持動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，一定的條件必須滿足，在鐵素體材料中，應(yīng)變必須超過(guò)0.12（也就是15％的縮減率）。在高速線材軋機(jī)中，在無(wú)扭精軋機(jī)組由于應(yīng)變的積累很容易達(dá)到和超過(guò)這個(gè)數(shù)值，即在道次之間沒(méi)有足夠的時(shí)間回復(fù)。這由Neishi,et al所描述的那樣，假如低于臨界應(yīng)變到一定的程度，比如0.06-0.1，將導(dǎo)致混晶的產(chǎn)生，通常說(shuō)的就是畸形晶粒長(zhǎng)大。然而，摩根公司，現(xiàn)在是屬于西門(mén)子公司，他們意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題，為了避免這個(gè)現(xiàn)象，他們?cè)谠O(shè)計(jì)中將RSM機(jī)架之間的距離非?？拷瑑蓚€(gè)道次之間的時(shí)間非常短，即小于0.05秒，這樣應(yīng)變就能夠積累保持，超過(guò)了臨界的0.12應(yīng)變的要求。自從1993年引入了RSM機(jī)組后，在這類軋機(jī)中就沒(méi)有發(fā)生畸變晶粒的記錄。

在RSM軋制期間，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程在整個(gè)截面上均勻發(fā)生，最大的影響因素就是冷卻速率。隨著棒材規(guī)格增大，中芯溫度高，大顆粒晶粒繼續(xù)長(zhǎng)大。假如在NTM機(jī)組以850℃軋制，在RSM機(jī)組以800℃軋制情況下，吐絲機(jī)前就不需要水冷，可以直接進(jìn)入到斯太爾莫冷卻上。這種工藝造就的棒材從表面到芯部晶粒尺寸基本一致，而且溫度低，晶粒尺寸小，產(chǎn)品的性能均勻，展性好，就是抗張極限稍微低一點(diǎn)。然而，由于熱機(jī)軋制的結(jié)果導(dǎo)致了芯部晶粒尺寸要小得多。在過(guò)共析鋼中，如軸承鋼，導(dǎo)致了最小的晶界碳化鐵分布，這經(jīng)常導(dǎo)致碳的中芯偏析。

作為動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的效果，TMR細(xì)化了最終產(chǎn)品的晶粒，在結(jié)合在線穿水冷卻和斯太爾莫控制冷卻，對(duì)產(chǎn)品的最終性能產(chǎn)生了重要的影響。對(duì)于中低碳鋼產(chǎn)品，隨后的球化處理非常有利。由于強(qiáng)烈地細(xì)化晶粒，隨后的相變到硬度大的組織，如貝氏體和馬氏體也受到相轉(zhuǎn)變的起始時(shí)間和溫度的影響。這樣熱機(jī)軋制能夠?qū)﹄S后的冷加工有利，對(duì)減少回火時(shí)間也是有作用的。

在許多現(xiàn)存的棒線材軋機(jī)中，由于老舊設(shè)備的限制，精軋機(jī)組要求終軋溫度不能低于900℃，在重載的10機(jī)架NTM機(jī)組內(nèi)，允許軋制溫度低于850℃，但是在軋制小規(guī)格產(chǎn)品中，由于軋速高，造成至少有100℃的溫升，因此作為T(mén)MR工藝來(lái)說(shuō)是不能適應(yīng)。使用RST軋制的概念，將精軋機(jī)架的數(shù)量減少（比如從10架降到8架），添加具有高剛度的RSM機(jī)組和合適的水冷設(shè)備，在無(wú)扭精軋機(jī)組和RST機(jī)組之間要有適當(dāng)?shù)木鶆驕囟鹊木嚯x，整個(gè)軋制是在低溫條件下進(jìn)行，這就能夠達(dá)到TMR工藝的要求。

圖2是配備有NTM機(jī)組的TMR高速線材軋機(jī)的基本布置圖。 

混凝土鋼筋在長(zhǎng)材中占有非常大的比例，例如，在中國(guó)此產(chǎn)品的比例達(dá)到了鋼鐵總量約20％。在發(fā)展中國(guó)家，由于各種基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，對(duì)長(zhǎng)材產(chǎn)品的需求是連續(xù)不斷增長(zhǎng)的，就是在發(fā)達(dá)國(guó)家，也是需要更換過(guò)時(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施。強(qiáng)大的需求促進(jìn)了對(duì)此類鋼材產(chǎn)品的研究。

不同的國(guó)家其鋼筋標(biāo)準(zhǔn)各不相同，在許多國(guó)家，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的屈服強(qiáng)度僅僅為335Mpa，或者是400Mpa，然而有些國(guó)家是500Mpa，或者更高。使用高強(qiáng)度鋼筋是經(jīng)濟(jì)上面的原因，和低強(qiáng)度的鋼筋相比，可以顯著的節(jié)約鋼材重量。

（1）冷軋變形――冷軋變形和形成橫肋，或者冷拔熱軋帶肋鋼筋。

（2）使用鈦、鈮和釩微合金化元素強(qiáng)化。

（3）淬火和回火改變組織，在棒材表面層形成回火馬氏體組織，芯部形成細(xì)小晶粒組織。

（4）熱機(jī)軋制創(chuàng)造整個(gè)截面細(xì)小晶粒結(jié)構(gòu)。

冷軋變形――在室溫條件下冷軋變形形成橫肋鋼筋，這是一個(gè)最為古老的冷加工強(qiáng)化方式。借助于冷軋或者冷拔，強(qiáng)度增加，但是增加量有限，而且有其它缺點(diǎn)。

盤(pán)卷線材冷軋是典型的方式，形成橫肋和足夠的斷面縮減率造成加工硬化，冷加工后的產(chǎn)品可以再次卷取，也可以切割成為長(zhǎng)材用于焊接鋼筋網(wǎng)，或者其它鋼筋形式。

通過(guò)拉拔延伸將盤(pán)卷的普碳鋼棒線材達(dá)到用戶需要的規(guī)格范圍內(nèi)。

冷加工變形提高強(qiáng)度方式世界各地應(yīng)用廣泛，但是尤其局限性和缺點(diǎn)。從性能上面講，金屬的展性大幅度下降，限制了使用戶的選用。此外，這類產(chǎn)品和其它高強(qiáng)度鋼筋材料相比，防火性能差。這種方式生產(chǎn)的最重要的一個(gè)缺點(diǎn)是由于拉拔速度較低，生產(chǎn)效率不高，而且必須離開(kāi)熱軋生產(chǎn)線再次開(kāi)卷拉拔處理。

通過(guò)微合金化來(lái)控制材料的機(jī)械性能和冶金特性，這種方式都非常熟悉了，而且在不斷研究和發(fā)展之中。使用釩或者鈮組合，并且加入較高的錳元素，使其得到寬廣的物理特性。微合金化在最終的鋼筋棒材上創(chuàng)造了細(xì)晶組織，滿足了所需要的機(jī)械性能。

在加熱爐內(nèi)需要適當(dāng)?shù)臅r(shí)間和溫度，保證微合金元素能夠溶解在奧氏體內(nèi)，這個(gè)方式強(qiáng)化鋼筋主要的缺點(diǎn)就是合金成本價(jià)格高。

使用淬火和回火來(lái)提高鋼筋強(qiáng)度是使用最為廣泛的方法。利用棒材軋后的高溫進(jìn)行控制冷卻，獲得需要的微觀結(jié)構(gòu)組織，直接在軋制線上生產(chǎn)需要的機(jī)械性能鋼筋。

控制冷卻的主要原理是將棒材表面層迅速降低到馬氏體相變點(diǎn)以下，同時(shí)將芯部的溫度減小到接近臨界的溫度。晶粒長(zhǎng)大的速度在800℃以上呈指數(shù)迅速上升，而在650℃左右?guī)缀鮾鼋Y(jié)不動(dòng)。為了晶粒凍結(jié)不使其動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，棒材在水冷裝置內(nèi)迅速冷卻，軋件在水冷裝置內(nèi)的冷媒中迅速通過(guò)，芯部保持的熱能向外發(fā)散。由于棒材表面和中芯的巨大溫度差，表面迅速得到再次加熱回火，而芯部的溫度低于平衡溫度。因此設(shè)計(jì)就要求芯部的溫度低于亞臨界溫度，所以表面組織不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶。

回火允許鋼筋表面層提高韌性和芯部保持強(qiáng)韌。從金相照片來(lái)看，外層具有明顯的回火馬氏體帶，芯部的組織是鐵素體、變異珠光體、貝氏體、一些間隙布置的碳化物和殘余奧氏體。變異珠光體組成由粗大層狀碳化物球和在珠光體領(lǐng)域內(nèi)球化的碳化物組成，整個(gè)組織結(jié)構(gòu)是非常細(xì)小的。鐵素體細(xì)小的天然屬性造就了棒材非常高的屈服強(qiáng)度。

芯部細(xì)晶和表層自回火馬氏體的組合組織產(chǎn)生了較高的屈服強(qiáng)度，從各種形式的淬火工藝來(lái)看造成的強(qiáng)度貢獻(xiàn)值見(jiàn)圖3所示。很明顯，晶粒細(xì)化的貢獻(xiàn)最為顯著。

低溫軋制和微合金化具有相同的細(xì)晶組織效果，細(xì)化晶粒不僅使得強(qiáng)度增加，而且改善了韌性。正如上述的解釋，低溫軋制可由軋制線現(xiàn)有的穿水冷卻設(shè)備實(shí)現(xiàn)，采用合適的軋制設(shè)備和精細(xì)的孔型設(shè)計(jì)，防止在最后的機(jī)架軋制中出現(xiàn)回溫過(guò)渡的現(xiàn)象。

熱機(jī)軋制鋼筋在現(xiàn)有減徑定徑機(jī)組或者是精軋機(jī)組上實(shí)現(xiàn)，所不同的是縱橫肋是在最后一架軋機(jī)上得到。

在過(guò)去的20年間，建設(shè)了許多新的軋機(jī)，有些軋機(jī)設(shè)計(jì)成可以執(zhí)行低溫軋制工藝，這些軋機(jī)的設(shè)計(jì)和布置使用熱機(jī)軋制的方式來(lái)生產(chǎn)彈簧鋼、軸承鋼和冷鐓鋼等高質(zhì)量的鋼種，然而這些軋機(jī)主要還是用于生產(chǎn)高強(qiáng)度的螺紋鋼筋。

中國(guó)的長(zhǎng)材鋼廠需求一直強(qiáng)勁，現(xiàn)在的產(chǎn)品始終是低強(qiáng)度等級(jí)，比如HRB400，規(guī)格比如Φ6.0mm、Φ8.0mm和Φ10.0mm盤(pán)元，標(biāo)準(zhǔn)為GB1499，鋼種為20MnSi。進(jìn)入精軋機(jī)組的溫度約為800℃，強(qiáng)度強(qiáng)度大于420Mpa，延伸率為22-35％，強(qiáng)屈比為1.35-1.45。圖4表示了微觀組織，按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，晶粒度范圍為10-12級(jí)。

圖5表示了類似于20MnSi鋼種的TTT曲線，碳含量0.20％，硅含量0.50％，錳含量為1.15。Ac3溫度約為875℃，所以軋制細(xì)晶鋼筋就落在這個(gè)溫度附近。在典型的8-10架無(wú)扭精軋機(jī)組是不可能達(dá)到的，采用穿水冷卻控冷方式來(lái)生產(chǎn)Φ8.0mm，就是回火馬氏體高強(qiáng)帶肋鋼筋（HYQST），使用8機(jī)架精軋機(jī)組生產(chǎn)的鋼筋晶粒度就落在8-9級(jí)。和帶有兩架定徑機(jī)組采用熱機(jī)軋制的產(chǎn)品晶粒尺寸相比要粗大。

熱機(jī)軋制另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是棒線材全長(zhǎng)上高倍組織的均勻性。圖6顯示了20MnSi鋼種Φ10mm鋼筋的光學(xué)顯微組織，此試樣來(lái)自于中國(guó)另一家高速線材軋機(jī)廠家，其具有無(wú)扭精軋機(jī)組和RSM機(jī)組，軋件進(jìn)入最后的RSM機(jī)組的溫度約為800℃。

中國(guó)的另一家按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB1499來(lái)生產(chǎn)細(xì)晶鋼，不用微合金化手段，軋機(jī)類似于前述的布置形式，產(chǎn)品規(guī)格為Φ6mm，Φ8mm，Φ10mm和Φ12mm，產(chǎn)能為每小時(shí)120噸，熱機(jī)軋制目的是節(jié)約合金，降低成本。圖7表明細(xì)晶的微觀結(jié)構(gòu)，晶粒度達(dá)到了10級(jí)，而且在整個(gè)全長(zhǎng)上都是均勻一致的。

為了生產(chǎn)細(xì)晶鋼筋，軋機(jī)的布置必須按照工藝要求來(lái)設(shè)置。需要適當(dāng)?shù)乃溲b置和到達(dá)最終道次精軋機(jī)組的均勻化距離。這種溫度制度見(jiàn)圖8。此圖從預(yù)精軋開(kāi)始一直到吐絲機(jī)，軋件離開(kāi)無(wú)扭精軋機(jī)組后，需要冷卻進(jìn)入到最終的軋機(jī)軋制，在這個(gè)例子中，無(wú)扭精軋機(jī)組8架，兩架RST機(jī)組，該機(jī)組將于2013年建成，該用戶已經(jīng)有一套這樣布置的軋機(jī)，但是希望再建設(shè)第二套軋機(jī)生產(chǎn)線來(lái)生產(chǎn)細(xì)晶高強(qiáng)度鋼筋，在成品道次軋制后的棒材芯部溫度要求低于850℃，軋制后馬上進(jìn)入水冷裝置，保持細(xì)晶結(jié)構(gòu)。

不僅僅是中國(guó)生產(chǎn)這類鋼材，歐洲也是趨向于生產(chǎn)細(xì)晶鋼產(chǎn)品。德國(guó)一家鋼筋廠商計(jì)劃在2013年改造，將其微合金化棒材的生產(chǎn)方式改為熱機(jī)軋制工藝。在現(xiàn)有的工廠內(nèi)需要增添水冷系統(tǒng)，均勻化組織需要的一定的距離，需要重載的軋機(jī)機(jī)組。所有的鋼筋生產(chǎn)控制溫度，保證進(jìn)入到最終軋機(jī)的溫度低于800℃，最終的棒材芯部溫度低于870℃。

通過(guò)熱機(jī)軋制生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼筋已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)均勻一致的組織，優(yōu)良的細(xì)晶結(jié)構(gòu)。此工藝要求配置有適當(dāng)?shù)拇┧鋮s設(shè)備，從而控制軋件的冷卻，最終的軋機(jī)必須具有較高的負(fù)荷能力，以達(dá)到低溫軋制的要求，加上軋機(jī)的布置要求具有適當(dāng)?shù)睦鋮s距離和均勻化溫度需要的空間。這樣這套生產(chǎn)線即可以熱機(jī)軋制生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼筋，也可以按照微合金化路線和淬火回火工藝生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼筋。