CN102989763B - 一种四切分高强抗震钢筋的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种四切分高强抗震钢筋的生产方法，属于抗震建筑用钢技术领域。控轧控冷过程为：加热炉低温开轧→预切分前穿水冷却→四线预切分→四线切分→终轧→轧后两级控制冷却。优点在于：实现了Φ12mm、Φ14mm四线切分在满足基圆边部组织为P+F条件下的微合金元素减量化。避免了四线低温切分和水冷过程中出现的弯曲、水冷产生的低温相变组织、四线线差和力学性能差等。
Description
技术领域
本发明属于抗震建筑用钢技术领域。特别涉及一种四切分高强抗震钢筋的生产方法。
背景技术
近年在国家发改委、住建部大力推动下，建筑钢筋进一步高强化。如采用400MPa和500MPa级取代335MPa级至少可分别减少约10％和19％的钢筋用量，全国可减约700万吨和1330万吨。尤其2008年汶川地震以来，住建部大力倡导使用高强抗震钢筋，抗震钢筋要求在满足GB1499.2基础上还应满足Rm/Rel≥1.25，Rel/Rel o≤1.30，Agt≥9％。2009年GB1499.2还进一步补充规定“热轧钢筋系列基圆不得存在影响其使用性能的低温相变组织”。
目前国内外小规格四线切分高强抗震钢筋的生产方法主要有微合金化(MA)工艺、强余热处理工艺和理论上研究的超细晶工艺。
这些生产工艺存在的问题有：
(1)MA工艺是添加微合金V、Nb、Ti或复合使用细化γ晶粒和析出强化实现钢筋的升级换代。随着对400、500MPa级别钢筋需求量的增加，首先需要考虑的是MA技术的资源制约问题，试以0.10％V含量计算6000万吨500MPa级钢筋的用量，需要6万吨纯V，这样天文数字的用量是资源条件所不允许的。
(2)传统轧后强水冷余热处理工艺生产高强建筑钢筋基圆边部组织存在大量贝氏体或马氏体，其主要是通过单一相变强化提高强度，韧塑性和可焊性降低(部分达不到电渣压力焊要求)、应变时效敏感性和低温脆性增大。且传统强水冷余热处理工艺下Rel强度提升大，Rm提高不显著，强屈比降低，导致部分达不到抗震性能。
(3)真正意义上超细晶是通过形变与相变的耦合可获得细小的铁素体和珠光体组织，从而发挥巨大的强韧化效果。理论细晶粒钢筋的初衷是非微合金化，但在实践中受装备条件的限制(要求超低温、大压下)，无法充分发挥形变与相变耦合的作用。且研究结果表明铁素体晶粒尺寸细化至7μm时，Rm/Rel仅为1.26，进一步细化铁素体晶粒提高强度，Rm/Rel将会进步一降低。受制于国内外现有轧机装备水平以及抗震性能指标，难以实现工业化生产。
(4)尽管目前国内已有六线切分，但三线以上小规格高强抗震钢筋均没有实现基于基圆边部组织P+F条件下微合金元素减量化生产，这是因为小规格多线切分控轧控冷工艺面临冷却均匀性、低温切分顺行、上冷床弯曲和金相组织精确控制等难题。
首钢在国内外首次开发了Φ12mm、Φ14mm的400MPa(牌号为HRB400E)、500MPa(牌号为HRB500E)级抗震钢筋四线切分控轧控冷装备及生产工艺，稳定实现了基圆在P+F组织条件下微合金元素减量化生产。该发明自主研发设计了小规格四线切分控轧控冷核心装备，包括冷却器喷嘴结构设计、正反向湍流冷却管结构设计、气截冷却管结构设计、冷却器的布置等。结合制定的低温轧制参数、低温孔型参数、两级控冷工艺参数等，解决了小规格四线控轧控冷冷却均匀性差、上冷床条形易弯曲等难题，开创性的实现了微合金元素减量化生产小规格四线切分高强抗震钢筋的组织、强度、抗震、焊接等性能以及生产效率、综合成本的最佳匹配。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四切分高强抗震钢筋的生产方法。特别针对满足基圆边部组织为P+F的Rel为Φ12mm规格的400MPa和Φ14mm规格的500MPa级四切分抗震钢筋的生产方法。
高强抗震钢筋的冶炼采用转炉初炼→吹氩站精炼→连铸(150mm×150mm)→600℃热装热送→控轧控冷工艺，其关键在于控轧控冷过程中参数的控制。
本发明采取控轧控冷技术，其过程为：加热炉低温开轧→预切分前穿水冷却→四线预切分→四线切分→终轧→轧后两级控制冷却。
控制的具体参数如下：
1、预切分前穿水冷却：为了实现高强钢筋微合金元素减量化，低温精轧及低温切分可显著提高位错密度、提高珠光体比例、诱导晶内铁素体析出等提高材料强度，为此，预切分前穿水冷却在精轧机入口处布置三组冷却器，每组有两个冷却器，该冷却器为正反向湍流冷却器；
2、四线预切分：采用低温精轧的四线切分使金属流变速度降低，Φ12mm HRB400E(400MPa抗震钢筋)采用低温开轧，开轧温度960-980℃；Φ14mm HRB500E(500MPa抗震钢筋)考虑V的充分固溶，采用较低温开轧，开轧温度1000-1020℃；预切分孔型的设计为：切分楔间距为5.57mm，配合切分孔的楔角为72°，两边切分孔半楔角为36°，辊缝为3mm；
3、四线切分：切分孔型的设计为：考虑在装配轧辊时对切分楔的保护，楔间距为1mm；为避免在轧制时切分带过宽，楔角半径为0.8mm，楔角为54°，考虑四线差的控制，切分孔型的边孔半楔角为38°；四线实际线差在50mm以内，增强了低温切分顺行的稳定性；
4、终轧：Φ12mm HRB400E终轧温度820-850℃，Φ14mm HRB500E终轧温度820-860℃；
5、轧后两级控制冷却：考虑避开贝氏体或马氏体相变组织，在终轧之后布置八组可独立调节的冷却器，每组有三个冷却器，该冷却器为单向气截湍流冷却器；Φ12mmHRB400E两级控制冷却为轧后一次冷却将表面冷至690-720℃，轧后二次冷却将表面冷至630-650℃，上冷床回复温度为730-770℃，基圆边部组织为P+F；Φ14mm HRB500E两级控制冷却为轧后一次冷却将表面冷至660-700℃，轧后二次冷却将表面冷至600-620℃，上冷床回复温度为700-730℃。
Φ12mm四线切分400MPa抗震钢筋不添加V、Nb等微合金元素，Φ14mm四线切分500MPa抗震钢筋加入V：0.05-0.06wt％和N：0.010-0.012wt％。
冷却器结构设计：冷却器结构设计的关键参数包括：入射角θ1、出口角θ2、环缝角θ、环缝距离δ、喉口直径d和单截湍流管长度l。
(1)l的确定：当湍流管由扩张段至喉口段速度逐渐增加时，多节湍流管内速度随管径的扩张收缩呈周期性的波动，且几乎不衰减。当湍流管由扩张段至喉口段由于尺寸的缩小，压力逐渐下降时，多节湍流管内压力则随管径的扩张收缩呈周期性的波动，并且不断的衰减。由于湍流管压力衰减快，单位长度内湍流管个数并非越多越好，而是存在一个最佳值，l为l1+l2+l3(l1为单截湍流管收缩段长度，l2为单截湍流管吼口段长度，l3为单截湍流管扩张段长度)，l取值为200mm，l2＝50mm且l1＝l3；
(2)θ1、θ2、θ角度的确定：当入射角θ1较小时，流体在入口处速度分布比较均匀，当θ1增大时，轧件表面的流场速度分量增加，有利于增加入口处的换热系数，然而，如果入射角太大，则会导致部分冷却水回流和管体内压力的快速衰减，减小换热和阻碍生产顺行，数值计算和实践证明θ1＝28°，且θ2＝θ1，环缝角θ为12°。
(3)d的确定：喉口直径d会显著影响换热系数，在水压1MPa、流量100m3/h条件下，对比分析了d分别为15mm、22mm、30mm对流换热系数，差距较大，15mm的入口表面换热系数最大值为1.6×104W/(m2℃)、25mm为1.2×104W/(m2℃)、30mm为1.1×104W/(m2℃)，可见在一定范围内，随喉口直径的减小，入口处换热效果增强，然而同时考虑轧件冷却弯头等因素，设计Φ12mm成品钢筋使用的冷却器d为18mm，Φ14mm成品钢筋使用的冷却器d为21mm。
(4)环缝距离δ调节范围的确定：调节环缝距离δ可以实现流量与压力的微调，模拟计算了在特定压力和流量下环缝调节的开度，主要目的是防止冷却器返水，从而提高冷却均匀性和保证生产顺行，通过Fluent软件模拟了在预置水压1MPa、流量80m3/h条件下环缝水平调节分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm的冷却器出口速度矢量图，结果显示环缝水平调节为5mm、10mm、15mm不发生返水，20mm、25mm发生返水。所以δ＜20mm。
本发明的优点在于：国内外首次实现了Φ12mm、Φ14mm四线切分在满足基圆边部组织为P+F条件下的微合金元素减量化。避免了四线低温切分和水冷过程中出现的弯曲、水冷产生的低温相变组织、四线线差和力学性能差等。该技术发明是在低成本、高效率条件下生产出来的高质量产品(与MA工艺质量水平相当)，经济效益显著，吨钢综合成本比MA工艺降低约55元/吨。
附图说明
图1为冷却器结构参数示意图。其中，入射角θ1、出口角θ2、环缝角θ、环缝距离δ、喉口直径d，单截湍流管长度l。
图2为Φ12mm四线切分预切分孔型参数值示意图。
图3为Φ12mm四线切分切分孔型参数值示意图。
具体实施方式
实施例1：
Φ12mm HRB400E四线切分采用的钢坯化学成分为C：0.22wt％，Mn：1.40wt％，Si：0.53wt％，P：0.032wt％，S：0.021wt％，Ceq：0.46wt％。
1、预切分前穿水冷却：为了实现高强钢筋微合金元素减量化，低温精轧及低温切分可显著提高位错密度、提高珠光体比例、诱导晶内铁素体析出等提高材料强度，为此，预切分前穿水冷却在精轧机入口处布置三组冷却器，每组有两个冷却器，该冷却器为正反向湍流冷却器；
2、四线预切分：采用低温精轧的四线切分使金属流变速度降低，Φ12mm HRB400E(400MPa抗震钢筋)采用低温开轧，开轧温度970℃；预切分孔型的设计为：切分楔间距为5.57mm，配合切分孔的楔角为72°，两边切分孔半楔角为36°，辊缝为3mm；
3、四线切分：切分孔型的设计为：考虑在装配轧辊时对切分楔的保护，楔间距为1mm；为避免在轧制时切分带过宽，楔角半径为0.8mm，楔角为54°，考虑四线差的控制，切分孔型的边孔半楔角为38°；四线实际线差在40mm以内，增强了低温切分顺行的稳定性；
4、终轧：Φ12mm HRB400E终轧温度为820℃；
5、轧后两级控制冷却：考虑避开贝氏体或马氏体相变组织，在终轧之后布置八组可独立调节的冷却器，每组有三个冷却器，该冷却器为单向气截湍流冷却器；Φ12mmHRB400E两级控制冷却为轧后一次冷却将表面冷至700℃，轧后二次冷却将表面冷至640℃，上冷床回复温度为750℃，基圆边部组织为P+F；
冷却器结构设计为：入射角θ1为28°、出口角θ2为28°、环缝角θ为12°、环缝距离δ为10mm、喉口直径d为18mm、单截湍流管长度l为200mm。
实施例2：
Φ14mm HRB500E四线切分采用的钢坯化学成分为C：0.22wt％，Mn：1.40wt％，Si：0.53wt％，P：0.032wt％，S：0.021wt％，V：0.052wt％，N：0.011wt％，Ceq：0.46wt％。
1、预切分前穿水冷却：为了实现高强钢筋微合金元素减量化，低温精轧及低温切分可显著提高位错密度、提高珠光体比例、诱导晶内铁素体析出等提高材料强度，为此，预切分前穿水冷却在精轧机入口处布置三组冷却器，每组有两个冷却器，该冷却器为正反向湍流冷却器；
2、四线预切分：采用低温精轧的四线切分使金属流变速度降低，Φ14mm HRB500E(500MPa抗震钢筋)考虑V的充分固溶，采用较低温开轧，开轧温度1000℃；预切分孔型的设计为：切分楔间距为5.57mm，配合切分孔的楔角为72°，两边切分孔半楔角为36°，辊缝为3mm；
3、四线切分：切分孔型的设计为：考虑在装配轧辊时对切分楔的保护，楔间距为1mm；为避免在轧制时切分带过宽，楔角半径为0.8mm，楔角为54°，考虑四线差的控制，K3孔的边孔半楔角设计为38°；四线实际线差在40mm以内，增强了低温切分顺行的稳定性；
4、终轧：Φ14mm HRB500E终轧温度为830℃；
5、轧后两级控制冷却：考虑避开贝氏体或马氏体相变组织，在终轧之后布置八组可独立调节的冷却器，每组有三个冷却器，该冷却器为单向气截湍流冷却器；Φ14mmHRB500E两级控制冷却为轧后一次冷却将表面冷至680℃，轧后二次冷却将表面冷至610℃，上冷床回复温度为720℃，轧材基圆边部组织为F+P，横肋和纵肋存在少量的B。
冷却器结构设计为：入射角θ1为28°、出口角θ2为28°、环缝角θ为12°、环缝距离δ为15mm、喉口直径d为21mm、单截湍流管长度l为200mm。
Claims (1)
1.一种四切分高强抗震钢筋的生产方法，采取控轧控冷工艺，其特征在于，工艺步骤中控制的技术参数如下：
1)预切分前穿水冷却：在精轧机入口处布置三组冷却器，每组有两个冷却器，该冷却器为正反向湍流冷却器；
2)四线预切分：Φ12mm HRB400E钢筋开轧温度960-980℃；Φ14mm HRB500E钢筋开轧温度1000-1020℃；预切分孔型的设计为：切分楔间距为5.57mm，配合切分孔的楔角为72°，两边切分孔半楔角为36°，辊缝为3mm；
3)四线切分：切分孔型的设计为：在装配轧辊时对切分楔保护，楔间距为1mm；为避免在轧制时切分带过宽，楔角半径为0.8mm，楔角为54°，考虑四线差的控制，切分孔型的边孔半楔角为38°；四线实际线差在50mm以内；
4)终轧：Φ12mm HRB400E终轧温度820-850℃，Φ14mm HRB500E终轧温度820-860℃；
5)轧后两级控制冷却：在终轧之后布置八组可独立调节的冷却器，每组有三个冷却器，该冷却器为单向气截湍流冷却器；Φ12mm HRB400E两级控制冷却为轧后一次冷却将表面冷至690-720℃，轧后二次冷却将表面冷至630-650℃，上冷床回复温度为730-770℃，基圆边部组织为P+F；Φ14mm HRB500E两级控制冷却为轧后一次冷却将表面冷至660-700℃，轧后二次冷却将表面冷至600-620℃，上冷床回复温度为700-730℃。
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