CN105401070A - 一种预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的生产方法，该方法包括成分设计、转炉冶炼、LF炉精炼、连铸、铸坯加热、控轧控冷等工序，技术要点是：(1)设计产品钢的成分和性能；(2)采用双渣法转炉冶炼；(3)LF炉精炼，去除钢中夹杂物；(4)采用中碳钢保护渣全保护连铸；(5)控制钢坯加热均匀；(6)精轧温度控制；(7)轧后冷却控制；(8)剪切温度控制。使用本发明生产的φ25～32mm？PSB785和PSB830精轧螺纹钢筋的性能和外形尺寸均能满足GB/T？20065-2006要求，产品可以满足用户要求和市场急需。适用于PSB785和PSB830精轧螺纹钢筋的生产企业。

Description

一种预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的生产方法
【技术领域】
本发明涉及金属线材的轧制方法，也涉及通过热处理改变黑色金属物理性能的方法，具体而言，涉及预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的生产。
【背景技术】
预应力混凝土用精轧螺纹钢筋主要用于制造高强度、大跨度、钢筋用螺母连接方式的混凝土结构制品上，如核电站、水电站、桥梁、隧道、高速铁路等重点工程。随着国家对基础设施建设投入的加大，城市化进程的加快，对精轧螺纹钢筋的需求量逐渐增大。精轧螺纹钢筋要求有高的强度、高的外形尺寸精度、较好的塑形。对轧制工艺设备提出很高的要求，是高技术含量、高附加值的产品。
精轧螺纹钢筋执行《预应力混凝土用螺纹钢筋》GB/T20065-2006标准，根据其用途主要以φ25mm、φ32mm规格需求量为最大。精轧螺纹钢筋按屈服强度分为PSB785、PSB835、PSB930、PSB1030、PSB1080共5个级别，其特点是在整根钢筋上轧制有外螺纹的大直径、高精度的直条钢筋。在整根钢筋的任意截面都能旋上带有内螺纹的连接器进行连结，或旋上螺纹帽进行锚固。具有连接、锚固简便、张拉锚固安全可靠、粘着力强等特点，又因省掉焊接工艺避免了由于焊接而造成的内应力及组织不稳定等引起的断裂。
中国专利数据库中，涉及精轧螺纹钢筋生产相关的申请件已有许多，如CN100579680号《高强度精轧螺纹钢筋的生产方法》、CN1234887C号《一种高强度精轧螺纹钢筋连续感应热处理工艺》、CN101585052号《一种大直径高强度精轧螺纹钢筋及生产工艺》、CN101514390B号《一种在线调质工艺生产高强度精轧螺纹钢筋的方法》、CN102363832B号《精轧螺纹钢筋的生产工艺》、CN103774040A号《PSB830精轧螺纹钢筋及含钒钛铁水冶炼该钢筋的工艺》、CN104046907A号《一种屈服强度≥960MPa精轧螺纹钢筋及生产方法》、CN104018059A号《屈服强度≥980MPa的贝氏体精轧螺纹钢筋及生产方法》、CN104212961B号《Mn系高强精轧螺纹钢筋的回火热处理方法》、CN104328338A号《小规格精轧螺纹钢筋及其生产方法》、CN104911502A号《一种1080MPa级高强度预应力精轧螺纹钢筋及其制备方法》等。上述专利技术都还不能完全满足用户对预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的质量要求。
【发明内容】
本发明旨在提供一种预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的生产方法，使φ25～32mm的PSB785和PSB830精轧螺纹钢筋的质量和性能满足标准GB/T20065-2006和用户使用要求。
发明人认识到:精轧螺纹钢筋是一种热轧成带有不连续的外螺纹的直条钢筋，钢筋在任意截面处，均可用带有匹配形状的内螺纹的连接器或锚具进行连接或锚固。精轧螺纹钢筋与普通螺纹钢筋相比，具有如下特点:①截面面积变大，成品孔型基圆及横肋形状(等高肋)都需要改动;②各参数尺寸无论是内径、间距还是横肋高度的尺寸范围都小，要求严格;③钢筋外形无纵肋，且横肋在同一螺旋线上，要求成品轧机架次的某一轴能前后调整，加大了各道次及成品机架的调整难度;④性能要求高，主要体现在屈服、抗拉强度高，工艺上要采用微合金化加轧后余热控冷处理;⑤钢筋端部要求平齐，不影响连接器通过，要离线锯切，并倒棱;⑥轧机调整难度大，生产效率低。
发明人提供的方法是采用以下流程生产的：铁水+废钢→顶底复吹转炉冶炼→挡渣出钢→脱氧合金化→LF炉精炼→连铸→精整→加热→三棒线或一棒线轧制→控冷→打捆；本发明方法的技术要点在于：
（1）成分和性能设计
根据精轧螺纹钢筋采用连接器连接、不受可焊性约束的特点，因此须采用微合金化技术，在钢中加钒合金，利用钒与碳、氮形成碳氮化钒的细晶强化和沉淀强化的作用，提高钢的屈服强度、抗拉强度，使钢获得良好的性能，据此设计低碳合金钢中硅、锰、铌、钒、磷、硫各元素的控制目标值；
预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的性能、钢筋外形尺寸和重量均需要满足GB/T20065-2006标准的规定；
（2）转炉冶炼：采用双渣法冶炼，保证出钢口状况良好，采用挡渣棒挡渣出钢；底吹砖畅通，钢包洁净，不得有包沿，确保大包水口自开；脱氧合金化制度：用SiMn合金配Mn，不足Si部分用SiFe补齐。微合金的加入：采用钒氮合金增氮；每炉钢添加钒氮14，不足V用钒铁补齐；采用NbFe配铌、CrFe配铬；在出钢过程中其他合金加完后逐渐加入微合金；采用SiAlCaBa合金终脱氧；转炉冶炼周期控制在40min；
（3）LF炉精炼:根据钢中铝含量喂铝线调整钢中铝含量，加入合成渣、精炼渣造渣，并根据炉内温度、钢水S含量和化渣情况调节合成渣用量；采用电石、SiFe粉、铝钒土造白渣，改质剂，渣面加铝粒；精炼过程调节氩气流量，防止精炼大翻溢渣，并调节除尘风机风量保证微正压操作；精炼钢水离开加热位前加入钛铁配钛；LF炉处理完毕，喂SiCa线，喂线完毕后，进行软吹氩，精炼周期（入LF炉加热位到出LF炉加热位）控制在40±1min；
（4）连铸：采用中碳钢保护渣，全保护浇注，电磁搅拌；采用塞棒浇注；连铸五流时，温度按上限控制；采用挡渣墙的中间包，前3包钢水精炼出站温度上调10℃～15℃，开浇第一炉温度上调15℃，中间包连浇炉次钢水温度≥1525℃时，铸坯留下待处理；控制铸坯矫直温度，避开矫直裂纹敏感区；连铸浇注时必须保证满中间包操作，中间包连浇过程液面不得低于400mm；因换水口或其它原因造成的重接坯须切净，确保敞开浇注的铸坯切净；连铸浇注周期控制在42min；
(5）铸坯加热:要求加热炉温度控制使钢坯加热均匀，加热过程中防止钢坯出现过热、过烧等现象，炉内为微还原性气氛，若停轧时间在30min以上立即降温到900℃保温。
(6)精轧温度控制：精轧温度从880℃上升至1000℃，晶粒度从9级粗化至6.5级；精轧温度≥960℃时，晶粒度≤7级；随着精轧温度升高，奥氏体晶粒粗大，稳定性加强，从而推迟了相变的发生，获得淬火组织的倾向加大；当精轧温度≥920℃时，相变组织中易出现贝氏体；
(7)轧后冷却控制：提高冷却强度，降低上冷床温度；控制终轧温度、水箱出口温度，控制水箱入口压力和水量；轧后一冷和轧后二冷之间设置恢复段；严格控制加热温度、开轧温度和冷却速度，对低合金含量的钢种，轧后采用大水量冷却余热强化处理工艺，穿水冷却能提高产品强度，同时微合金元素钒析出也起到强化作用；对合金含量相对较高的钢种，钢筋轧后采用小水量冷却余热强化处理工艺，强度的提高主要依赖于析出强化和缓冷过程。
(8)剪切温度控制:提高剪切温度，有利于钢材在高温下的应力释放，能够提高轧材延伸率。
上述技术要点（1）中，所述各元素的控制目标值是：在成品钢筋中碳含量为设计成分中线±0.01%；硅含量1.40％～1.60%；锰含量0.70%～1.00%；PSB785产品铌含量0.008％～0.012%，PSB830产品铌含量0.020％～0.030%；钒含量0.10％～0.15％；磷P≤0.035%；硫S≤0.035%；PSB830产品钛含量0.010％～0.020%。
上述技术要点（2）中，所述冶炼控制指标为出钢C=0.15%～0.30%，出钢P≤0.015%，出钢S≤0.025%；出钢前钢包温度≥900℃；所述钒氮合金增氮要使钢中氮含量达到0.0080%～0.0110%，所述用SiAlCaBa合金终脱氧，每炉控制加80kg～100kg，每炉钢水量为85t。
上述技术要点(3)中，所述调整钢中铝含量控制在0.020%～0.025%。保证供电15min内形成白渣，并保持白渣时间不小于10min；所述SiFe粉粒度≤3mm；添加造白渣的铝钒土量为50kg/炉、改质剂量为60kg/炉，渣面加铝粒量为20kg/炉；所述软吹氩时间大于13min，目标控制15min，以渣面微微涌动不裸露钢液面为宜。
上述技术要点（4）中，所述电磁搅拌的频率为4Hz、电流220A；所述塞棒浇注控制拉速1.90±0.02m/min，二冷比水量0.70L/kg；所述中间包钢水过热度15～30℃，目标控制在25±5℃；所述铸坯矫直温度≥900℃；所述满中间包的液面高度为600～700mm。
上述技术要点（5）中，所述加热炉温度控制为加热段1130℃～1200℃，均热段1100℃～1180℃，出坯温度980℃～1030℃，目标值是1050℃；控制钢坯头、中、尾温差≤50℃。
上述技术要点（6）中，所述精轧温度应低于930℃。
上述技术要点（7）中，所述上冷床温度控制在500～550℃，返温后温度约600℃；所述终轧温度控制在930℃，水箱出口温度控制在520～560℃，控制水箱入口压力1.2～1.4MPa，水量900～1100m3/h；所述恢复段长度为12m。
上述技术要点（8）中，所述剪切温度控制在500℃～550℃。
发明人指出：“设计成分中线”是为了控制碳含量变化小使钢筋强度波动小，例如的设计成分中线是0.70%,则控制在0.69%～0.71%，如此类推。
使用本发明生产的φ25～32mmPSB785和PSB830精轧螺纹钢筋的性能和外形尺寸均能满足GB/T20065-2006要求，产品可以满足用户要求和市场急需。适用于PSB785和PSB830精轧螺纹钢筋的生产企业。
【具体实施方式】
以发明人所在公司炼钢厂和轧钢厂采用本发明生产6炉PSB830精轧螺纹钢筋为例，进一步说明本发明。
生产工艺包括以下工序：铁水+废钢→100t顶底复吹转炉冶炼→挡渣出钢→脱氧合金化→LF炉精炼→连铸（150×150mm方坯、全保护浇注、电磁搅拌）→精整→加热→三棒线（或一棒线）轧制→控冷→打捆。
转炉冶炼
1）铁水成分。铁水成分见表1
表1铁水成分%
由表可见铁水条件好，铁水Si、Mn稳定，且含量适中，利于转炉操作控制；铁水P、S含量低，转炉脱P任务轻。
2）转炉控制情况。转炉倒炉情况见表2，出钢及合金化情况见表3。
表2转炉倒炉情况
表3出钢及合金化情况
炉号 出钢后温度℃ 出钢温降℃ 增碳剂kg 硅锰铁kg 硅铁kg 硅铝钙钡kg 钒氮kg 钒铁kg 铌铁kg
201-07472 1573 57 175 800 1400 90 75 110 35
201-07473 1545 59 200 900 1350 90 75 110 35
201-07474 1553 56 100 900 1350 90 75 130 35
201-07502 1561 57 175 900 1350 90 75 130 35
201-07503 1530 54 175 900 1350 90 75 120 30
201-07504 1574 46 60 900 1350 90 75 110 35
201-07505 1541 52 100 900 1350 90 75 110 30
201-07506 1550 40 40 900 1350 90 75 110 30
平均 1553 53 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
最低 1530 40 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
最高 1574 59 ─ ─ ─ ─ ─ ─ ─
从表3可见，加入了钒氮合金,将钢中氮含量保持在一定水平，以提高钢的强度。
炉精炼
1）温度控制情况
（1）钢水进LF炉精炼站温度。钢水进LF炉精炼站温度见表4。
表4钢水进LF炉精炼站温度
钢种 冶炼炉数（炉） 最大值℃ 最小值℃ 合格率%
PSB830 6 1555 1550 100%
注：数据是LF炉进站，插好底吹管立即测温所得，合格率按LF炉进站温度1550～1560℃统计。
（2）钢水出LF炉精炼站温度。钢水出LF炉精炼站温度见表5。
表5钢水出LF炉精炼站温度
钢种 冶炼炉数（炉） 最大值℃ 最小值℃ 合格率%
PSB830 6 1583 1559 100
2）LF炉工艺过程控制
转炉出钢过程加入活性石灰200kg/炉，LF炉进站后加入两批渣料，第一批加入精炼渣400kg，活性石灰300Kg。第二批渣料加入活性石灰100Kg，炉渣改质剂50Kg、铝矾土50Kg，萤石视化渣情况加入。采用电石发泡炉渣、铝粒和硅铁粉脱氧，铝粒加入20Kg/炉,将钢中铝含量控制在0.020～0.025%范围内。根据经验，将钢中氮含量维持在90～110ppm范围内，以保证钢的强度。具体工艺过程控制见表6。
表6LF炉工艺过程控制
项目 最大值 最小值
精炼周期（分） 40 39
软吹时间（分、秒） 15 15
脱硫率% 84.6 80
软吹温降℃ 15 15
进站到加料结束温降℃ 13 11
氧活度ppm 4.67 3.15
3）成品成分
6炉PSB830钢的成品成分见表7，可见6炉钢的成品成分均符合设计要求。
表7成品成分%
3连铸
1）采用中碳钢保护渣，全保护浇注，电磁搅拌频率4Hz、电流220A，铸坯断面为150mm×150mm，定尺长度12m。采用塞棒浇注，拉速1.90±0.02m/min，二冷比水量为0.70L/kg。中间包钢水过热度15℃～30℃，目标按25±5℃控制。
2）铸坯冷却及矫直温度控制。从现场铸坯冷却过程看，二冷室铸坯冷却均匀。铸坯矫直温度测量结果见表8，可见，铸坯进拉矫机温度＞900℃，满足工艺控制要求。
表8铸坯矫直温度测量结果
流次 Ⅰ流 Ⅱ流 Ⅲ流 Ⅳ流 Ⅴ流 Ⅵ流
进拉矫机温度（℃） 960 950 943 955 919 962
3）低倍检验。铸坯低倍检验结果表明，铸坯无缺陷，质量优良。
轧制
这6炉PSB830钢的方坯在轧钢厂三棒线材车间轧制成φ32mm钢筋。
1）方坯加热:加热炉温度控制：加热段1130～1200℃，均热段1100～1180℃，出坯温度980～1030℃，目标值是1050℃。要求钢坯加热均匀，钢坯头、中、尾温差≤50℃，加热过程中防止钢坯出现过热、过烧等现象，炉内为微还原性气氛。
2）轧制规格:轧制规格是φ32mm。
3）轧制控制:上冷床温度560～600℃，目标值580℃。
4）尺寸控制及检验要求:按照GB/T20065-2006标准和用户要求进行控制、检验。既要保证尺寸符合GB/T20065-2006标准要求，又要使其外形尺寸保证与螺帽（连接器）配合适当。
从实施例看出：使用本发明生产的φ32mmPSB830钢筋的成分满足设计要求，性能和外形尺寸满足GB/T20065-2006标准和用户使用要求，金相组织为珠光体和铁素体，珠光体占70%～86%，晶粒度为7.5～9.0级，穿水层温度为1.8～2.8mm，穿水层组织为回火索氏体。

Claims (9)

1.一种预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的生产方法，该精轧螺纹钢筋系采用以下流程生产的：铁水+废钢→顶底复吹转炉冶炼→挡渣出钢→脱氧合金化→LF炉精炼→连铸→精整→加热→三棒线或一棒线轧制→控冷→打捆；其特征在于包括以下技术要点：
（1）成分和性能设计
根据精轧螺纹钢筋采用连接器连接、不受可焊性约束的特点，因此须采用微合金化技术，在钢中加钒合金，利用钒与碳、氮形成碳氮化钒的细晶强化和沉淀强化的作用，提高钢的屈服强度、抗拉强度，使钢获得良好的性能，据此设计低碳合金钢中硅、锰、铌、钒、磷、硫各元素的控制目标值；
预应力混凝土用精轧螺纹钢筋的性能、钢筋外形尺寸和重量均需要满足GB/T20065-2006标准的规定；
（2）转炉冶炼：采用双渣法冶炼，保证出钢口状况良好，采用挡渣棒挡渣出钢；底吹砖畅通，钢包洁净，不得有包沿，确保大包水口自开；脱氧合金化制度：用SiMn合金配Mn，不足Si部分用SiFe补齐，微合金的加入：采用钒氮合金增氮；每炉钢添加钒氮14，不足V用钒铁补齐；采用NbFe配铌、CrFe配铬；在出钢过程中其他合金加完后逐渐加入微合金；采用SiAlCaBa合金终脱氧；转炉冶炼周期控制在40min；
（3）LF炉精炼:根据钢中铝含量喂铝线调整钢中铝含量，加入合成渣、精炼渣造渣，并根据炉内温度、钢水S含量和化渣情况调节合成渣用量；采用电石、SiFe粉、铝钒土造白渣，改质剂，渣面加铝粒；精炼过程调节氩气流量，防止精炼大翻溢渣，并调节除尘风机风量保证微正压操作；精炼钢水离开加热位前加入钛铁配钛；LF炉处理完毕，喂SiCa线，喂线完毕后，进行软吹氩，精炼周期（入LF炉加热位到出LF炉加热位）控制在40±1min；
(4）连铸：采用中碳钢保护渣，全保护浇注，电磁搅拌；采用塞棒浇注；连铸五流时，温度按上限控制；采用挡渣墙的中间包，前3包钢水精炼出站温度上调10℃～15℃，开浇第一炉温度上调15℃，中间包连浇炉次钢水温度≥1525℃时，铸坯留下待处理；控制铸坯矫直温度，避开矫直裂纹敏感区；连铸浇注时必须保证满中间包操作，中间包连浇过程液面不得低于400mm；因换水口或其它原因造成的重接坯须切净，确保敞开浇注的铸坯切净；连铸浇注周期控制在42min；
(5）铸坯加热:要求加热炉温度控制使钢坯加热均匀，加热过程中防止钢坯出现过热、过烧等现象，炉内为微还原性气氛，若停轧时间在30min以上立即降温到900℃保温；
(6)精轧温度控制：精轧温度从880℃上升至1000℃，晶粒度从9级粗化至6.5级；精轧温度≥960℃时，晶粒度≤7级；随着精轧温度升高，奥氏体晶粒粗大，稳定性加强，从而推迟了相变的发生，获得淬火组织的倾向加大；当精轧温度≥920℃时，相变组织中易出现贝氏体；
(7)轧后冷却控制：提高冷却强度，降低上冷床温度；控制终轧温度、水箱出口温度，控制水箱入口压力和水量；轧后一冷和轧后二冷之间设置恢复段；严格控制加热温度、开轧温度和冷却速度，对低合金含量的钢种，轧后采用大水量冷却余热强化处理工艺，穿水冷却能提高产品强度，同时微合金元素钒析出也起到强化作用；对合金含量相对较高的钢种，钢筋轧后采用小水量冷却余热强化处理工艺，强度的提高主要依赖于析出强化和缓冷过程；
(8)剪切温度控制:提高剪切温度，有利于钢材在高温下的应力释放，能够提高轧材延伸率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（1）中，所述各元素的控制目标值是：在成品钢筋中碳含量为设计成分的中线±0.01%；硅含量1.40％～1.60%；锰含量0.70%～1.00%；PSB785产品铌含量0.008％～0.012%，PSB830产品铌含量0.020％～0.030%；钒含量0.10％～0.15％；磷P≤0.035%，硫S≤0.035%；PSB830产品钛含量0.010％～0.020%。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（2）中，所述冶炼控制指标为出钢C=0.15%～0.30%，出钢P≤0.015%，出钢S≤0.025%；出钢前钢包温度≥900℃；所述钒氮合金增氮要使钢中氮含量达到0.0080%～0.0110%，所述用SiAlCaBa合金终脱氧，每炉控制加入80kg～100kg，每炉钢水量为85t。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点(3)中，所述调整钢中铝含量控制在0.020%～0.025%，保证供电15min内形成白渣，并保持白渣时间不小于10min；所述SiFe粉粒度≤3mm；添加造白渣的铝钒土量为50kg/炉、改质剂量为60kg/炉，渣面加铝粒量为20kg/炉；所述软吹氩时间大于13min，目标控制15min，以渣面微微涌动不裸露钢液面为宜。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（4）中，所述电磁搅拌的频率为4Hz、电流220A；所述塞棒浇注控制拉速1.90±0.02m/min，二冷比水量0.70L/kg；所述中间包钢水过热度15℃～30℃，目标控制在25±5℃；所述铸坯矫直温度≥900℃；所述满中间包的液面高度控制为600～700mm。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（5）中，所述加热炉温度控制为加热段1130℃～1200℃，均热段1100℃～1180℃，出坯温度980℃～1030℃，目标值是1050℃；控制钢坯头、中、尾温差≤50℃。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（6）中，所述精轧温度应低于930℃。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（7）中，所述上冷床温度控制在500～550℃，返温后温度约600℃；所述终轧温度控制在930℃，水箱出口温度控制在520～560℃，控制水箱入口压力1.2～1.4MPa，水量900～1100m3/h；所述恢复段长度为12m。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于技术要点（8）中，所述剪切温度控制在500℃～550℃。
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