CN105583235B - 热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法 - Google Patents

热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法 Download PDF

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Abstract

一种热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法，属于轧钢技术领域。通过轧制和冷却工艺的优化来获得致密的氧化铁皮结构，以解决轧后强穿水工艺生产的钢筋在大气中的锈蚀速度和锈蚀程度严重的问题，达到一段时间内缓解生锈的目标。采用本发明的分段阶梯型冷却工艺及氧化铁皮结构控制方法，可以取代传统的穿水冷却工艺，使典型规格Φ20～25mm热轧HRB400级钢筋的力学性能满足GB1499.2‑2007的各项技术指标要求，同时所有采用分段阶梯型冷却工艺的热轧高强度钢筋，上冷床均未出现表面红色Fe2O3锈层。SEM分析表明氧化铁皮厚度在10～30μm。试样经露天放置1个月后锈蚀面积比传统强穿水工艺的锈蚀面积减少50％。

Description

热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法
技术领域
本发明属于轧钢技术领域，特别是涉及一种热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法。
背景技术
目前国内热轧带肋钢筋的生产工艺基本分为两个类型，一个是传统的热轧后自然冷却生产工艺，另一个是热轧后强穿水冷却工艺，前者需要在钢筋中添加一定量的强化合金元素，其带肋钢筋的抗锈蚀性较好，但合金成本较高；后一种工艺生产的钢筋，节约了合金成本，合金添加量大幅减少，但是存在的马氏体环焊接软化和穿水后表面红锈的问题，其抗锈蚀性能差，已经严重影响后续的使用，用户甚至提出退货或者降价销售的要求，尤其是出口国外的钢筋对表面质量要求更严格。
针对困扰企业的钢筋轧后强穿水后的锈蚀问题，国内外主要是在穿水钢筋外面增加覆盖层，包括金属镀层、钝化层、化学转化层、磷化、有机涂层等。由于综合考虑性价比，大多采用新型的冷却工艺方法、在线喷涂防锈剂和阻锈剂来抑制穿水钢筋表面红锈的生成。一些企业积极的探索研究在线或离线对钢筋表面喷涂防锈剂的技术，这些技术由于不成熟、不实用、投入改造成本高或造成环境污染等原因没有被行业认可和推广使用。由于国内钢筋主要以焊接为主，重点工程及大中型工程都严格要求不允许出现马氏体组织。
穿水冷却工艺造成的表层马氏体环和表面红色锈层问题一直未得到解决，成为困扰我国热轧高强度钢筋性能质量的重大技术障碍，迫切需要一种适合热轧高强度钢筋均匀强化的新型冷却技术，可以在避免淬火马氏体环出现的前提下，获得所需的力学性能，同时防止钢筋表面红锈的形成。钢铁研究总院研究团队通过钢筋氧化铁皮结构控制技术获得了良好的耐大气腐蚀效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法，通过轧制和冷却工艺的优化来获得致密的氧化铁皮结构，以解决轧后强穿水工艺生产的钢筋在大气中的锈蚀速度和锈蚀程度严重的问题，达到一段时间内(销售周期内)缓解生锈的目标。本发明既保证了带肋钢筋的力学性能，又避免了传统轧后强穿水冷却工艺对钢筋表面氧化铁皮层的破坏，改善了热轧钢筋的抗锈蚀性能。
为达到上述目的，工艺及控制的技术参数如下：
(1)所述钢筋化学成分的重量百分比为C：0.20％-0.25％，Si：0.30％-0.60％，Mn：0.90％-1.40％，V：0-0.02％，Cr：0-0.25％，P≤0.035％，S≤0.040％，其余为铁及不可避免的杂质。
(2)冶炼连铸工艺为常规工艺，主要是控制成分和夹杂物，为轧制提供符合国标要求的合格连铸坯；
(3)轧钢生产，钢坯加热温度为1100℃-1150℃，钢坯出炉温度为1050℃-1100℃，开轧温度为1000℃-1080℃，终轧温度为1000℃-1050℃；
(4)终轧后钢筋以10m/s～15m/s速度运行并且对温度在1000℃以上的钢筋表面进行快速冷却处理，即Vcooling≥100℃/s；采用快冷-返温-快冷-返温循环的分段阶梯型控制冷却方法，获得降温-返温的优化冷却路径，使高温高速运行着的钢筋在1s至3s内通过水和水雾混合组成的冷却段时，利用水的蒸发带走大量汽化潜热，从而快速冷却后返温至目标温度600～980℃；根据用户对组织、力学性能以及缓生锈的需求，轧后冷却过程中同时施行氧化铁皮结构控制工艺。
(5)氧化铁皮结构控制工艺：应用分段阶梯型冷却工艺控制表面和心部最大温差为200～400℃；氧化铁皮厚度均匀控制在10～30μm；氧化铁皮结构是一定比例的FeO+20～50％Fe3O4；在冷却过程中改善表面氧化皮的组成和结构的同时，保证结构的致密完整性。
氧化铁皮结构控制工艺主要技术关键如下：
(a)缩小表面和心部的温差：分段阶梯型冷却工艺控制表面和心部最大温差为200～400℃，远低于穿水冷却温差(500～700℃)，且温降过程不是一次性冷却完成的，而是通过小范围内不断降温-返温-降温-返温的衰减式锯齿形冷却过程来逐步缩小表面和心部的温差，从而实现材料的整体降温，使得表面与心部的显微组织更加细小均匀；
(b)提高氧化铁皮厚度和组成：氧化铁皮厚度均匀控制在10～30μm；氧化铁皮结构是一定比例的FeO+20～50％Fe3O4。采取降低水汽压力、高速气流层内提高换热效率、破坏蒸汽膜、调整氧分压等措施，提高氧化铁皮中Fe3O4的比例，避免Fe2O3的生成或者减少其生成量，改善表面氧化铁皮形貌及结构；
(c)保证氧化铁皮的致密性和完整性：外层生成FeO+Fe3O4的氧化铁皮，减小打击压力和热应力造成的氧化铁皮破坏程度，保证氧化铁皮的完整性，最终获得要求的氧化铁皮表面形貌和外层结构来达到延缓生锈的目的。
(d)控制FeO的共析反应程度：当温度下降到570℃以下时，在贫氧区形成了单质Fe晶核，同时在富氧区出现Fe3O4的形核，二者共同形成一个共析反应产物的晶核。共析反应产物的晶核形成后继续长大，最后形成了片层状的Fe3O4/Fe共析转变产物，破坏了结构的完整性。当控制钢筋表面不发生先共析转变和共析转变，就能获得较好的耐大气腐蚀效果。
(e)冷却后上冷床返温温度的控制：通过控制分段阶梯型冷却工艺，可以实现表面温度的柔性化控制，根据用户对显微组织的要求(是否允许出现回火索氏体环)，控制钢筋表面返温温度在600～980℃范围内，实现组织多样化控制；
本发明的优点及创新点在于：
(1)在原有热轧带肋钢筋HRB335成分的基础上，优化了C、Si、Mn、V合金元素的加入量，大幅减少了Mn、V合金元素的加入量，合金成本大幅降低；
(2)通过控制分段阶梯型冷却工艺，实现降温-返温-降温-返温循环的冷却过程，用小范围内不断降温-返温-降温-返温的衰减式锯齿形冷却方式，来代替常规穿水工艺的一次性冷却方式，逐步缩小表面和心部的温差；
(3)通过采取分段阶梯型冷却优化工艺，提高高速气流层内的换热效率、打破蒸汽膜、控制表面不发生先共析转变和共析转变等措施，使得钢筋氧化铁皮厚度在10～30μm；同时提高氧化铁皮中Fe3O4的比例，获得20～50％Fe3O4，改善表面氧化铁皮的形貌、结构和完整性，实现在销售周期内延缓生锈和改善显微组织结构的目标。
(4)表面温度的柔性化控制：根据用户对显微组织的要求，控制表面返温温度在600～980℃范围内，获得GB1499.2-2007所需的各项技术指标要求，同时实现钢筋的低成本强化和延缓生锈。
附图说明
图1是本发明的分段阶梯型冷却工艺不同冷却时间表面和心部的实测温降曲线图。
图2是实施例1中热轧钢筋的从边部到心部的显微组织(上冷床温度620℃)图。
图3是实施例2中热轧钢筋边部的显微组织(上冷床温度770℃)图。
图4是实施例2中热轧钢筋边部的显微组织(上冷床温度820℃)图。
图5是本发明实施例3中的不同上冷床返温温度的新工艺实测温降曲线图。
图6是本发明露天存放1个月的锈蚀形貌(测定锈蚀面积35％)图。
图7是强穿水工艺(对比例)露天存放1个月的锈蚀形貌(测定锈蚀面积70％)图。
图8是本发明新工艺的氧化铁皮形貌图。
图9是本发明新工艺8个月后的氧化铁皮形貌图。
图10是强穿水工艺(对比例)的氧化铁皮形貌及结构对比图。
具体实施方式
实施例1：
1)试验钢筋1的内控化学成分：C 0.22％、Si 0.41％、Mn 1.18％、P 0.033％，S0.018％、Cr 0.011％，Ni 0.006％，V 0.002％，Fe余量。
2)对铸坯常规加热后进行热轧，轧制规格为Φ20mm，钢坯加热温度1150℃，出炉温度1100℃，开轧温度为1070℃，终轧温度在：1050℃；
3)终轧后钢筋以14.0m/s速度运行，并且对钢筋表面进行快速冷却处理2s，平均冷速Vcooling≥100℃/s；采用快冷-返温-快冷-返温循环的分段阶梯型控制冷却方法，控制上冷床返温温度600～680℃；
4)所有采用分段阶梯型冷却工艺的热轧高强度钢筋，上冷床后均未出现表面红色Fe2O3锈层。
5)露天放置1个月，锈蚀面积相当于强穿水冷却工艺的锈蚀面积的50％。
实施例2：
1)工业试验钢筋的化学成分：C 0.23％、Si 0.44％、Mn 1.39％、P 0.035％，S0.030％、V 0.032％，Fe余量。
2)对铸坯常规加热后进行热轧，轧制规格为Φ25mm，控制终轧温度在：1050℃；
3)终轧后钢筋以11.5m/s速度运行，并且对钢筋表面进行快速冷却处理2s，平均冷速Vcooling≥100℃/s；采用快冷-返温-快冷-返温循环的分段阶梯型控制冷却方法，控制上冷床返温温度为770～980℃；
4)上冷床后均未出现表面红色Fe2O3锈层。
实施例3：
1)试验钢筋1的化学成分：C 0.25％、Si 0.34％、Mn 1.44％、P 0.031％，S0.031％、Cr 0.037％，Fe余量。
2)对铸坯常规加热后进行热轧，轧制规格为Φ20mm，控制终轧温度在：1050℃；
3)终轧后钢筋以11.5m/s速度运行，并且对钢筋表面进行快速冷却处理2s，平均冷速Vcooling≥100℃/s；采用快冷-返温-快冷-返温循环的分段阶梯型控制冷却方法，控制上冷床返温温度680～770℃；
4)所有采用分段阶梯型冷却工艺的热轧高强度钢筋，上冷床后均未出现表面红色Fe2O3锈层。
5)露天放置1个月，锈蚀面积相当于强穿水冷却工艺的锈蚀面积的50％。
表1各实施例中工艺-显微组织-力学性能汇总
表2本发明的氧化铁皮控制技术与国外同类技术水平的对比
本发明首次公开了一种热轧钢筋的分段阶梯型冷却工艺及氧化铁皮结构控制方法，采用本发明的分段阶梯型冷却工艺及氧化铁皮结构控制方法，可以取代传统的穿水冷却工艺，使典型规格φ20～25mm(但不限于此规格范围)热轧HRB400级钢筋的力学性能满足GB1499.2-2007的各项技术指标要求，同时所有采用分段阶梯型冷却工艺的热轧高强度钢筋，上冷床均未出现表面红色Fe2O3锈层。SEM分析表明氧化铁皮厚度在10～30μm。试样经露天放置1个月后锈蚀面积相当于强穿水冷却工艺的锈蚀面积的50％。

Claims (1)

1.一种热轧钢筋的分段阶梯型冷却控制氧化铁皮结构的方法，其特征在于：
所述的热轧钢筋化学成分的重量百分比为C：0.20％-0.25％，Si：0.30％-0.60％，Mn：0.90％-1.40％，V：0-0.02％，Cr：0-0.25％，P≤0.035％，S≤0.040％，其余为铁及不可避免的杂质；分段阶梯型冷却控制的技术参数如下：
(1)轧钢生产，冶炼连铸坯加热温度为1100℃-1150℃，钢坯出炉温度为1050℃-1100℃，开轧温度为1000℃-1080℃，终轧温度为1000℃-1050℃；
(2)终轧后钢筋以10m/s～15m/s速度运行并且对温度在1000℃以上的钢筋表面进行快速冷却处理，即Vcooling≥100℃/s；采用快冷-返温-快冷-返温循环的分段阶梯型控制冷却方法，获得降温-返温的冷却路径，使高温高速运行着的钢筋在1s至3s内通过水和水雾混合组成的冷却段时，利用水的蒸发带走大量汽化潜热，从而快速冷却后返温至目标温度600～980℃；根据用户对组织、力学性能以及缓生锈的需求，轧后冷却过程中同时施行氧化铁皮结构控制工艺；
(3)氧化铁皮结构控制工艺：应用分段阶梯型冷却工艺控制表面和心部最大温差为200～400℃；氧化铁皮厚度均匀控制在10～30μm；氧化铁皮结构是一定比例的FeO+20～50％Fe3O4；在冷却过程中改善表面氧化皮的组成和结构的同时，保证结构的致密完整性。
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