CN103484789B - 一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒及其加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒及其加工方法，其化学成分重量百分比为：C：0.3-0.5%，Si：0.3-1.8%，Mn：0.6-1.5%，Nb：0.02-0.2%，V：0.01-0.1%，Ni：0.01-0.2%、Cr:0.1-0.5%、Mo：0.01-0.1%、B：0.001-0.005%，Fe：余量，其中碳当量Ceq小于0.8%。采用在线连续超高压淬火控制工艺技术，可使产品的强度大于1860MPa，甚至超过2000MPa以上。本发明采用的在线连续回火保温控温技术，可使钢棒延伸率大于7%以上，并保持了少量极细铁素体+回火屈氏体组织状态，具有较好的延性和抗滞后断裂的特性。

Description

一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒及其加工方法

技术领域

本发明涉及一种混凝土用钢棒及其加工方法，具体的说是一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒及其加工方法。

背景技术

目前，国内外生产的预应力混凝土管桩领域大多采用1420MPa级预应力混凝土用钢棒（简称PC钢棒），所用的原材料大多为30MnSi、35MnSi等，预应混凝土用钢棒的生产加工工艺为放线—剥壳除锈—定型刻槽—校直—感应加热—淬火—回火—冷却—传动—剪切分线—收线，尽管PC钢棒具有韧性强、松弛低、良好的可焊性、镦锻性等优点，但是现有的强度级别较低，不能满足预应力混凝土管桩的使用，特别是直径在Φ1000mm长度在50米以上的预应力混凝土管桩的应用。众所周知，预应力体系中的钢材张拉力是依靠预应力钢材的70-80%拉力来保持的，通过其张拉力压缩高强混凝土来提高构件的极限承载力和控制裂缝开展，所以，采用1420级预应力混凝土用钢棒在大直径超长度管桩内应用，其直径和配筋密度大幅度增加，造成一根该类型管桩的用钢量在1.3吨左右，建造成本、运输成本、人力成本大幅增加，无法满足现有节约型社会发展的需求。与此同时，当PC钢棒的强度超过1570MPa级以上时，其延伸率均小于7%以下，滞后断裂的敏感性呈现线性增加的风险，由于滞后断裂的发生时间的不确定，可能是几天、几个月甚至是几年，这对预应力混凝土用钢棒产业而言将造成不可估量的质量隐患和巨大的经济损失。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒及其加工方法，替代现有1420MPa级预应力混凝土用钢棒，具有强度高、延性好、抗滞后断裂性强、节省钢材、低松弛、易焊接、镦锻性能好等优点，并可以使碳化物充分溶解，均匀扩散，避免了碳化物在晶间的析出造成晶间腐蚀和点蚀超标。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.3-0.5%，Si：0.3-1.8%，Mn：0.6-1.5%，Nb：0.02-0.2%，V：0.01-0.1%，Ni：0.01-0.2%、Cr:0.1-0.5%、Mo：0.01-0.1%、B：0.001-0.005%，Fe：余量，其中碳当量Ceq小于0.8%。

上述高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，按以下步骤进行：

㈠按重量百分比化学成分在钢厂冶炼并轧成带有或没有螺纹的钢棒；

㈡将轧好的钢棒送入感应加热炉加热到850-950℃；

㈢将感应加热完成的钢棒不经过保温直接用高压喷射水或淬火液进行淬火处理，淬火冷却速度200-250℃/s，淬火冷却时间5-30秒，使钢棒温度冷却到Ms点以下10-30℃；

㈣将淬火后的钢棒经过回火加热炉加热到390-500℃，保温10-60秒；

㈤将回火后的钢棒冷却到室温。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.45-0.5%，Si：1.5-1.8%，Mn：1.2-1.5%，Nb：0.1-0.2%，V：0.08-0.1%，Ni：0.15-0.2%、Cr:0.3-0.5%、Mo：0.08-0.1%、B：0.004-0.005%，Al：0.017-0.0019%，S：0.005-0.007%，Ti：0.005-0.007%，镧系稀土：0.1-0.3%，Fe：余量，其中碳当量Ceq小于0.6%；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：15-20%，铈：22-26%，镨：20-25%，钕：15-20%，镝：10-15%，其余镧系元素：2-6%，以上镧系稀土各组分之和为100%。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.45%，Si：1.8%，Mn：1.2%，Nb：0.1%，V：0.1%，Ni：0.15%、Cr:0.3%、Mo：0.08%、B：0.004%，Al：0.017%，S：0.005%，Ti：0.005%，镧系稀土：0.1%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：16%，铈：26%，镨：20%，钕：20%，镝：15%，其余镧系元素：3%。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.48%，Si：1.5%，Mn：1.4%，Nb：0.15%，V：0.08%，Ni：0.2%、Cr:0.4%、Mo：0.1%、B：0.005%，Al：0.0019%，S：0.007%，Ti：0.007%，镧系稀土：0.3%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20%，铈：25%，镨：25%，钕：15%，镝：13%，其余镧系元素：2%。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.5%，Si：1.6%，Mn：1.5%，Nb：0.2%，V：0.09%，Ni：0.18%、Cr:0.5%、Mo：0.09%、B：0.0045%，Al：0.018%，S：0.006%，Ti：0.006%，镧系稀土：0.2%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：19%，铈：22%，镨：24%，钕：19%，镝：10%，其余镧系元素：6%。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，步骤㈢中，将感应加热完成的钢棒不经过保温，使钢棒表面温度来不及释放，奥氏体进入铁素体转变过程缩短，形成少量晶粒度极细的铁素体，晶粒细化的铁素体不仅可提高韧性还能提高强度。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，所述步骤㈤中，采用水冷与空冷结合，先采用水冷以1-2℃/s的冷却速率将钢棒水冷至320-350℃，然后空冷至250-280℃，再采用水冷以3-5℃/s的冷却速率将钢棒水冷至210-230℃，最后空冷至室温。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，步骤㈢中，高压喷射水或淬火液沿环绕在钢棒四个等份纵向方向喷出，压力大于等于8Mpa；步骤㈣中，保温在感应线圈或保温区间箱内进行。

前述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，钢棒在前牵引传动系统的牵动下依次经过加热、淬火和回火，再由后牵引传动系统牵出冷却，前后牵引传动系统的频率差为0.5-1.5Hz。

本发明的技术效果为：

由于现有技术中，采用直接淬火回火处理生产的PC钢棒强度较低（1420MPa级），而本发明采用的在线连续超高压控制淬火工艺技术和连续回火保温控温技术，可使产品强度大于1860MPa，延伸率大于7%以上，保证了产品的质量要求及提高了钢棒的抗滞后断裂的性能，应用到预应力混凝土管桩内可减少钢棒用量30%以上，大大节约了钢棒耗用量，减少管桩的建造成本。

本发明应用的超高压控制淬火工艺技术，即将感应加热完成的钢棒经过8MPa以上的沿环绕在钢棒体四个等份纵向方向的高压喷射水或淬火液进行淬火处理，淬火冷却速度大于200℃/s，精确控制到使其冷却到Ms（成份计算值）点以下10-30℃，其作用为：将奥氏体晶粒经过超高压淬火后得到细化的马氏体和少量的极细铁素体，马氏体板条的分布较均匀，断口呈现出较均匀的韧窝分布和较少的微裂纹，提高钢棒的强度。

本发明应用的连续回火保温控温技术，即将上述淬火处理的钢棒经过回火到390-500℃之间，然后在感应线圈或设置的保温区间箱内连续控制保温10-60s时间，其中感应线圈保温是方式一，主要利用钢棒余温经过感应低频分段连续加热；保温区间箱内保温是方式二，主要利用可控制恒定温度的保温箱内的加热体供热，确保在保温10-60s时间内精确控制温度的起伏变化量小于10℃；其作用为：将回火屈氏体保持维稳态，残留奥氏体分布呈厚的“薄片状”，使残留奥氏体具有高的形变协调能力、阻止裂纹扩展的能力和高的TRIP效应，从而使钢棒呈现出优良的塑性和抗滞后断裂的特性。

本发明回火后采用水冷与空冷结合，依次为：水冷-空冷-水冷-空冷，这样，通过回火后的冷却控制，可以使碳化物充分溶解，均匀扩散，避免了碳化物在晶间的析出造成晶间腐蚀和点蚀超标，保证了材料的铁素体含量小于0.6%，还可以使材料固溶充分，避免了热处理方式加热不均，固溶不均带来的腐蚀速率超标和硬度超标，从而带来了另一个技术指标的揽，获得了意想不到的技术效果。

本发明钢前后牵引传动系统的频率差为0.5～1.5HZ，设定频率差使得产品在一定的张力条件下淬火回火，具有强度大于1860MPa、延伸率大于7%以上，抗滞后断裂性强、低松弛的优点。

总之，本发明采用的在线连续超高压淬火控制工艺技术，可使产品的强度大于1860MPa，甚至超过2000MPa以上，应用到管桩内可替代1420MPa级预应力混凝土钢棒，可节约30%以上的钢棒成本，具有强度高、节约钢材的优点；本发明采用的在线连续回火扣温控温技术，可使钢棒延伸率大于7%以上，并保持了极细化回火屈氏体和少量铁素体组织状态，，具有较好的延性和抗滞后断裂的特性，并具有低松弛的优点。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.45%，Si：1.8%，Mn：1.2%，Nb：0.1%，V：0.1%，Ni：0.15%、Cr:0.3%、Mo：0.08%、B：0.004%，Al：0.017%，S：0.005%，Ti：0.005%，镧系稀土：0.1%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：16%，铈：26%，镨：20%，钕：20%，镝：15%，其余镧系元素：3%。

本实施例的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，按以下步骤进行：

㈠按重量百分比化学成分在钢厂冶炼并轧成带有或没有螺纹的钢棒；

㈡将轧好的钢棒在前牵引传动系统的牵动下送入感应加热炉加热到850℃；

㈢将感应加热完成的钢棒在前牵引传动系统的牵动下用高压喷射水或淬火液进行淬火处理，高压喷射水或淬火液沿环绕在钢棒四个等份纵向方向喷出，压强大于等于8MPa，淬火冷却速度200℃/s，淬火冷却时间5秒，使钢棒温度冷却到Ms点以下10℃，

㈣将淬火后的钢棒在前牵引传动系统的牵动下经过回火加热炉加热到390℃，保温10秒，保温在感应线圈或保温区间箱内进行；

㈤将回火后的钢棒由后牵引传动系统牵出冷却至室温，前后牵引传动系统的频率差为0.5HZ，冷却采用水冷与空冷结合，先采用水冷以1℃/s的冷却速率将钢棒水冷至320℃，然后空冷至250℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率将钢棒水冷至210℃，最后空冷至室温。

实施例2

本实施例是一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.48%，Si：1.5%，Mn：1.4%，Nb：0.15%，V：0.08%，Ni：0.2%、Cr:0.4%、Mo：0.1%、B：0.005%，Al：0.0019%，S：0.007%，Ti：0.007%，镧系稀土：0.3%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：20%，铈：25%，镨：25%，钕：15%，镝：13%，其余镧系元素：2%。

本实施例的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，按以下步骤进行：

㈠按重量百分比化学成分在钢厂冶炼并轧成带有或没有螺纹的钢棒；

㈡将轧好的钢棒在前牵引传动系统的牵动下送入感应加热炉加热到900℃；

㈢将感应加热完成的钢棒在前牵引传动系统的牵动下用高压喷射水或淬火液进行淬火处理，高压喷射水或淬火液沿环绕在钢棒四个等份纵向方向喷出，压强大于等于8MPa，淬火冷却速度230℃/s，淬火冷却时间20秒，使钢棒温度冷却到Ms点以下20℃，

㈣将淬火后的钢棒在前牵引传动系统的牵动下经过回火加热炉加热到420℃，保温30秒，保温在感应线圈或保温区间箱内进行；

㈤将回火后的钢棒由后牵引传动系统牵出冷却至室温，前后牵引传动系统的频率差为1.0HZ，冷却采用水冷与空冷结合，先采用水冷以2℃/s的冷却速率将钢棒水冷至335℃，然后空冷至270℃，再采用水冷以4℃/s的冷却速率将钢棒水冷至220℃，最后空冷至室温。

实施例3

本实施例是一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒，其化学成分重量百分比为：C：0.5%，Si：1.6%，Mn：1.5%，Nb：0.2%，V：0.09%，Ni：0.18%、Cr:0.5%、Mo：0.09%、B：0.0045%，Al：0.018%，S：0.006%，Ti：0.006%，镧系稀土：0.2%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：19%，铈：22%，镨：24%，钕：19%，镝：10%，其余镧系元素：6%。

本实施例的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，按以下步骤进行：

㈠按重量百分比化学成分在钢厂冶炼并轧成带有或没有螺纹的钢棒；

㈡将轧好的钢棒在前牵引传动系统的牵动下送入感应加热炉加热到950℃；

㈢将感应加热完成的钢棒在前牵引传动系统的牵动下用高压喷射水或淬火液进行淬火处理，高压喷射水或淬火液沿环绕在钢棒四个等份纵向方向喷出，压强大于等于8MPa，淬火冷却速度250℃/s，淬火冷却时间30秒，使钢棒温度冷却到Ms点以下30℃，

㈣将淬火后的钢棒在前牵引传动系统的牵动下经过回火加热炉加热到500℃，保温60秒，保温在感应线圈或保温区间箱内进行；

㈤将回火后的钢棒由后牵引传动系统牵出冷却至室温，前后牵引传动系统的频率差为1.5HZ，冷却采用水冷与空冷结合，先采用水冷以2℃/s的冷却速率将钢棒水冷至350℃，然后空冷至280℃，再采用水冷以5℃/s的冷却速率将钢棒水冷至230℃，最后空冷至室温。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，该高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的化学成分重量百分比为C：0.45%，Si：1.8%，Mn：1.2%，Nb：0.1%，V：0.1%，Ni：0.15%、Cr:0.3%、Mo：0.08%、B：0.004%，Al：0.017%，S：0.005%，Ti：0.005%，镧系稀土：0.1%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：16%，铈：26%，镨：20%，钕：20%，镝：15%，其余镧系元素：3%；其特征在于：该加工方法按以下步骤进行：

㈠按重量百分比化学成分在钢厂冶炼并轧成带有或没有螺纹的钢棒；

㈡将轧好的钢棒送入感应加热炉加热到850-950℃；

㈢将感应加热完成的钢棒不经过保温直接用高压喷射水或淬火液进行淬火处理，淬火冷却速度200-250℃/s，淬火冷却时间5-30秒，使钢棒温度冷却到Ms点以下10-30℃；

㈣将淬火后的钢棒经过回火加热炉加热到390-500℃，保温10-60秒；

㈤将回火后的钢棒冷却到室温；

所述步骤㈤中，采用水冷与空冷结合，先采用水冷以1-2℃/s的冷却速率将钢棒水冷至320-350℃，然后空冷至250-280℃，再采用水冷以3-5℃/s的冷却速率将钢棒水冷至210-230℃，最后空冷至室温。

2.如权利要求1所述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，其特征在于：所述步骤㈢中，将感应加热完成的钢棒不经过保温，使钢棒表面温度来不及释放，奥氏体进入铁素体转变过程缩短，形成少量晶粒度极细的铁素体。

3.如权利要求1所述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，其特征在于：所述步骤㈢中，高压喷射水或淬火液沿环绕在钢棒四个等份纵向方向喷出，压力大于等于8MPa；所述步骤㈣中，保温在感应线圈或保温区间箱内进行。

4.如权利要求1所述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，其特征在于：钢棒在前牵引传动系统的牵动下依次经过加热、淬火和回火，再由后牵引传动系统牵出冷却，前后牵引传动系统的频率差为0.5-1.5Hz。

5.如权利要求1所述的高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，其特征在于：该高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的化学成分重量百分比为：C：0.45%，Si：1.8%，Mn：1.2%，Nb：0.1%，V：0.1%，Ni：0.15%、Cr:0.3%、Mo：0.08%、B：0.004%，Al：0.017%，S：0.005%，Ti：0.005%，镧系稀土：0.1%，Fe：余量；镧系稀土的组分质量百分比为：镧：16%，铈：26%，镨：20%，钕：20%，镝：15%，其余镧系元素：3%；

该高延性超高强度预应力混凝土用钢棒的加工方法，按以下步骤进行：

㈠按重量百分比化学成分在钢厂冶炼并轧成带有或没有螺纹的钢棒；

㈡将轧好的钢棒在前牵引传动系统的牵动下送入感应加热炉加热到850℃；

㈢将感应加热完成的钢棒在前牵引传动系统的牵动下用高压喷射水或淬火液进行淬火处理，高压喷射水或淬火液沿环绕在钢棒四个等份纵向方向喷出，压强大于等于8MPa，淬火冷却速度200℃/s，淬火冷却时间5秒，使钢棒温度冷却到Ms点以下10℃，

㈣将淬火后的钢棒在前牵引传动系统的牵动下经过回火加热炉加热到390℃，保温10秒，保温在感应线圈或保温区间箱内进行；

㈤将回火后的钢棒由后牵引传动系统牵出冷却至室温，前后牵引传动系统的频率差为0.5Hz，冷却采用水冷与空冷结合，先采用水冷以1℃/s的冷却速率将钢棒水冷至320℃，然后空冷至250℃，再采用水冷以3℃/s的冷却速率将钢棒水冷至210℃，最后空冷至室温。