EP0166239A1 - Verfahren zur Herstellung von Betonstahl in Form von Stäben oder Walzdraht - Google Patents

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EP0166239A1
EP0166239A1 EP85106499A EP85106499A EP0166239A1 EP 0166239 A1 EP0166239 A1 EP 0166239A1 EP 85106499 A EP85106499 A EP 85106499A EP 85106499 A EP85106499 A EP 85106499A EP 0166239 A1 EP0166239 A1 EP 0166239A1
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Von Roll Holding AG
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    • C21D8/08—Modifying the physical properties of ferrous metals or ferrous alloys by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires for concrete reinforcement

Definitions

  • the invention relates to a method for producing reinforcing steel in the form of bars or wire rod with a yield strength of at least 450 N / mm 2 with good weldability and toughness.
  • good welding properties are understood to mean the suitability of such reinforcing steels for the welding processes customary here, such as, for example, manual electric arc welding, protective gas welding, flash butt welding and resistance spot welding.
  • a measure for the assessment of the weldability is the carbon content or the carbon equivalent, which values should be as low as possible.
  • the steel is micro-alloyed with nitrite-forming elements and nitrogen and, moreover, is subjected to controlled cooling during and / or after rolling, which brings about an average compensation temperature of greater than 700 ° C., so that a preferred nitride precipitation below the area of gamma-alpha conversion.
  • the upper compensation temperature is determined by the gamma-alpha transition temperature (A r3 point).
  • the A r3 point depends on the austenitizing temperature and in particular on the steel composition. In the example given, it is around 825 ° C.
  • the gamma-alpha conversion should also take place as quickly as possible in the core. It is therefore advisable to control the cooling so that the Gamma-alpha conversion is accelerated in the core, but on the other hand the temperature of the rod surface does not _- below the MS point, in the example cited 450 ° C. Compensation temperatures up to 760 ° C have proven to be well applicable.
  • the average heat flux density was determined as a measure of the controlled cooling, which was approximately 11 MW / m 2 for the rod diameters of 8-12 mm and approximately 6 MW / m 2 for the rod diameter 20 mm.
  • the mean heat flow density is understood to mean the amount of heat dissipated by the cooling medium, based on the rod surface cooled in the cooling system during the cooling time.
  • test results show that with controlled cooling, despite the low carbon equivalent and the low content of microalloying elements (vanadium and nitrogen), the required high yield strengths of reinforcing steel equal to or greater than 500 N / mm 2 can be set easily and inexpensively.
  • a vanadium content of 0.04% with a nitrogen content of 0.012% (120 ppm) is sufficient for this; an increase in the vanadium content to 0.06% has only a comparatively minor effect.
  • the method can also be applied to products and / or types of steel other than reinforcing steel in bars or wire rod, e.g. on steel bars and flat products.

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Abstract

Für die Herstellung eines Betonstahls mit höherer Streckgrenze bei guter Schweißbarkeit und Zähigkeit werden dem Stahl Mikrolegierungselemente zulegiert, deren Anteil 0,02%-0,06% Vanadium und 0,01%-0,02% Stickstoff beträgt, welche Anteile für die Erreichung einer höheren Streckgrenze von mindestens 450 N/mm² nicht ausreichen. Diese wird jedoch dann erreicht, wenn das Walzgut während oder nach dem Walzen einer kontrollierten, verhältnismäßig schwachen Abkühlung unterworfen wird, derart, daß die Ausgleichstemperatur des Stahls mindestens 700°C erreicht. Dadurch, daß die Mikrolegierungselemente nur in geringen Mengen zulegiert und verhältnismäßig geringe Wassermengen benötigt werden, kann damit ein wirtschaftlicher Betonstahl hergestellt werden. Zudem ermöglicht das Verfahren das Windungslegen beim Drahtwalzen und ist auch auf andere Walzstahlerzeugnisse anwendbar.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Betonstahl in Form von Stäben oder Walzdraht mit einer Streckgrenze von mindestens 450 N/mm2 bei guter Schweissbarkeit und Zähigkeit.
  • Bei der Herstellung von Betonstahl ist man bestrebt, höhere Streckgrenzen unter Einhaltung guter Zähigkeits-und Schweisseigenschaften zu erreichen. Unter guten Schweisseigenschaften wird in diesem Zusammenhang die Eignung solcher Betonstähle für die hier üblichen Schweissverfahren, wie beispielsweise das Elektro-Lichtbogen-Handschweissen, das Schutzgas-Schweissen, das Abbrenn-Stumpfschweissen und das Widerstands-Punktschweissen verstanden. Ein Mass für die Beurteilung der Schweissbarkeit ist der Kohlenstoffgehalt bzw. das Kohlenstoff-Aequivalent, welche Werte möglichst niedrig sein sollen.
  • Es sind folgende Betonstähle mit höheren Streckgrenzen bekannt:
    • 1. Naturharte Betonstähle.
      • Sie erreichen ihre Streckgrenze durch Zulegieren folgender Legierungselemente: Kohlenstoff etwa 0,4%, Mangan etwa 1,2%, Silizium etwa 0,5%. Diese Stähle sind wegen des hohen Kohlenstoffgehaltes nicht schweissbar.
    • 2. Naturharte Betonstähle mit Zusatz von Mikrolegierungselementen.
      • Eine bedingte Schweissbarkeit wird dadurch erreicht, dass ein Teil des Kohlenstoffes durch beispielsweise Vanadium ersetzt wird, wobei die Legierungselemente folgende Werte aufweisen:
        • Kohlenstoff etwa 0,3%, Mangan etwa 1,2%, Silizium etwa 0,5% und Vanadium etwa 0,03%.
    • 3. Naturharte Armierungsstähle mit erhöhtem Zusatz von Mikrolegierungselementen und erhöhten Stickstoffgehalten.
      • Durch die festigkeitssteigernde Wirkung der sich unkontrolliert bildenden Vandiumnitride kann der Kohlenstoffgehalt weiter abgesenkt werden, so dass der Stahl schweissbar wird, Solche Stähle sind beispielsweise in der Firmenschrift der Union Carbide "CARVAN & NITROVAN, Vanadiumträger von Union Carbide für die Stahlherstellung" beschrieben. Sie weisen folgende Legierungselemente auf:
        • Kohlenstoff etwa 0,2%, Mangan etwa 1,2%, Silizium etwa 0,5% und Vanadium etwa 0,08%.
        • Die Schweissbarkeit wird aber erkauft mit höheren Herstellkosten durch den Vanadiumzusatz.
    • 4. Kaltverfestigte Betonstähle.
      • Diese Stähle erhalten ihre Eigenschaften durch eine Kaltverfestigung, wie beispielsweise Verwinden, Recken oder Ziehen. Vom Kohlenstoff-Aequivalent her sind sie schweissbar und weisen folgende Legierungselemente auf:
        • Kohlenstoff gleich oder kleiner 0,2%, Mangan etwa 0,6% und Silizium etwa 0,2%.
        • Diese Stähle können sich jedoch beim Schweissen durch zu hohes Wärmeeinbringen wieder entfestigen. Zudem ist der zusätzliche Arbeitsvorgang für die Kaltverfestigung kostensteigernd.
    • 5. Aus der Walzhitze vergütete Betonstähle.
      • Es sind Betonstähle bekannt (z.B. DE-AS 2 353 034 und DD-PS 84615, die ihre höhere Streckgrenze dadurch erreichen, dass sie während oder unmittelbar nach dem Walzen aus der Walzhitze vergütet werden. Dabei wird durch eine intensive Wasserabschreckung eine Härtung der Oberflächenzone des Stabes erreicht, die nach dem Verlassen der Kühlstrecke durch die im Stabkern vorhandene Wärme angelassen wird. Es werden also die bekannten Temperaturprofile genutzt, die sich infolge der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Stahles im Vergleich zu andern Metallen normalerweise bei Abkühl- oder Aufheiz-Vorgängen einstellen.
      • Wegen des niedrigen Kohlenstoff-Aequivalentes, ähnlich wie beim kaltverfestigten Stahl (Kohlenstoff gleich oder kleiner 0,2%, Mangan etwa 0,6% und Silizium etwa 0,2%), ist dieser Stahl gut schweissbar.
      • Für dieses Verfahren sind jedoch hinreichende Kühlwassermengen und Platz in der Walzstrasse für die Kühlstrecke erforderlich. Die Oberfläche des Walzgutes wird auf eine Temperatur von weniger als 200°C abgekühlt, und nach Auflauf auf das Kühlbett beträgt die Ausgleichstemperatur etwa 600°C. Wegen der niedrigen Oberflächentemperatur werden erhöhte Ansprüche an die Warmschere bezüglich Scherkraft und Messerqualität gestellt, und die Transportvorrichtungen zum Kühlbett verschleissen schneller.
      • Zudem wird dieses Kühlverfahren bei sehr hohen Walzgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise beim Drahtwalzen auftreten, noch nicht beherrscht. Eine weitere Schwierigkeit tritt beim Windungslegen auf, wenn die Oberflächentemperatur weniger als 200°C beträgt und sich auf nur etwa 600°C wieder aufheizt.
  • In diesem Zusammenhang muss darauf hingewiesen werden, dass sich der Einsatz von Betonstahl in Form von profiliertem Walzdraht in Ringen, insbesondere als Vormaterial für Biegereien, immer mehr durchsetzt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Betonstahles der eingangs beschriebenen Art mit höherer Streckgrenze und guten Zähigkeits-und Schweisseigenschaften zu finden,
    • - nach dem dieser Betonstahl infolge niedriger Gehalte an Mikro- und anderen Legierungselementen kostengünstig herstellbar ist,
    • - das keine grossen Wassermengen und Investitionen zur Anwendung im Walzwerk benötigt,
    • - das Warmschere und Kühlbettzulauf nicht übermässig beansprucht, und
    • - nach dem der Betonstahl in einfacher Weise in Form von profiliertem Walzdraht in Ringen herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass der Stahl mit nitritbildenden Elementen und Stickstoff mikrolegiert und zudem während und/oder nach dem Walzen einer kontrollierten Abkühlung unterzogen wird, die eine mittlere Ausgleichstemperatur von grösser als 700°C bewirkt, so dass eine bevorzugte Nitridausscheidung unterhalb des Gebietes der Gamma-Alpha-Umwandlung erfolgt.
  • Es hat sich gezeigt, dass bei einem Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoff-Aequivalent, dem Mikrolegierungselemente wie Vanadium und Stickstoff in nur geringen Mengen zulegiert werden, der Ausscheidungsprozess der Vanadium-(karbo)nitride in bevorzugter form wirksam erreicht wird, wenn der Stahl während und/oder nach dem Walzen zusätzlich schnell durch eine kontrollierte Abkühlung in den Temperaturbereich unterhalb des Gebietes der Gamma-Alpha-Umwandlung abgekühlt wird. Um einen Betonstahl mit einer Streckgrenze grösser als 500 N/mm2 herzustellen, braucht der Vanadiumgehalt bei tiefem Kohlenstoff-Aequivalent nur 0,04% zu betragen. Hierbei hat sich als für die Ausscheidung vorteilhafter Temperaturbereich eine Ausgleichstemperatur von grösser als 700°C gezeigt. Bei dieser geringen Kühlung hat die Oberfläche des Walzgutes direkt beim Ausgang der Kühlstrecke eine Temperatur grösser als 600°C und heizt sich wegen der geringen Kühlschichtdicke sehr schnell wieder auf eine Temperatur grösser als 700°C auf. Dadurch wird erreicht, dass
    • - beim Stabwalzen die Warmschere und der Kühlbettzulauf gegenüber der Herstellung von aus der Walzhitze vergüteten Betonstählen geschont werden und
    • - beim Drahtwalzen ein Windungslegen möglich ist.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von einigen Betriebsergebnissen beispielsweise beschrieben und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Streckgrenze und Ausgleichstemperatur von Betonstahl und verschiedenen Anteilen an Mikrolegierungselementen darstellt,
    • Fig. 2 das Schliffbild eines nach der Erfindung hergestellten Betonstahls mit einem Durchmesser von 8 mm, einem V-Gehalt von 0,04% und einer Ausgleichstemperatur von 710°C und
    • Fig. 3 das Schliffbild desselben Betonstahls, bei dem jedoch durch eine intensive Wasserabschreckung eine Oberflächenhärtung bei einer Ausgleichstemperatur von 655"C erreicht wird.
  • Nachstehend werden einige Betriebsergebnisse beschrieben und in dem beiliegenden Diagramm dargestellt.
  • An drei Schmelzen mit der Zusammensetzung
    Figure imgb0001
    und den üblichen Begleitelementen eines Elektrostahls sowie Vanadium- und Stickstoff-Gehalten von
    Figure imgb0002
    wurden an Betonstählen mit kleinen Durchmessern (8 - 12 mm) die in dem Diagramm dargestellten Ergebnisse erzielt:
    • Während ohne kontrollierte Abkühlung (Ausgleichstemperatur etwa 900°C) Streckgrenzen von 350, 420 und 450 N/mm erreicht wurden, nehmen die Werte bei kontrollierter Abkühlung zu und betragen bei einer Ausgleichstemperatur von 700°C 440, 530 und 560 N/mm2 (Fig. 1). Bei Ausgleichstemperaturen von kleiner als 700°C machen sich bereits Härtungseffekte bemerkbar (Fig. 3). Diese Temperaturen lägen aber auch im Sinne der Erfindung zu niedrig.
  • Die obere Ausgleichstemperatur ist erfindungsgemäss durch die Gamma-Alpha-Umwandlungstemperatur (Ar3-Punkt) bestimmt. Der Ar3-Punkt ist von der Austenitisierungstemperatur und insbesondere von der Stahlzusammensetzung abhängig. Er liegt im angeführten Beispiel bei etwa 825°C.
  • Die Gamma-Alpha-Umwandlung soll nach dem Walzen auch im Kern möglichst schnell stattfinden. Es ist daher zweckmässig, die Abkühlung so zu steuern, dass einerseits die Gamma-Alpha-Umwandlung im Kern noch beschleunigt wird, andererseits aber die Temperatur der Staboberfläche nicht _- unter den MS-punkt, im angeführten Beispiel 450°C, sinkt. Als gut anwendbar haben sich Ausgleichstemperaturen bis 760°C erwiesen.
  • Als Mass für die kontrollierte Abkühlung wurde die mittlere Wärmeflussdichte ermittelt, die bei den Stabdurchmessern von 8 - 12 mm etwa 11 MW/m2 und bei Stabdurchmesser 20 mm etwa 6 MW/m2 betrug.
  • Unter der mittleren Wärmeflussdichte wird die durch das Kühlmedium abgeführte Wärmemenge, bezogen auf die während der Kühlzeit in der Kühlanlage gekühlte Staboberfläche, verstanden.
  • Aus den Versuchsergebnissen geht hervor, dass bei kontrollierter Abkühlung trotz des niedrigen Kohlenstoff-Aequivalentes und des geringen Gehaltes an Mikrolegierungselementen (Vanadium und Stickstoff) die verlangten hohen Streckgrenzen von Betonstahl gleich oder grösser 500 N/mm2 leicht und kostengünstig eingestellt werden können.
  • Ein Vanadium-Gehalt von 0,04% bei einen Stickstoff-Gehalt von 0,012% (120 ppm) ist dazu hinreichend; eine Erhöhung des Vanadium-Gehaltes auf 0,06% hat nur noch eine vergleichsweise geringe Wirkung.
  • Selbstverständlich lässt sich das Verfahren auch auf andere Produkte und/oder Stahlsorten als Betonstahl in Stäben oder Walzdraht anwenden, z.B. auf Stabstahl und Flachprodukte.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung von Betonstahl in Form von Stäben oder Walzdraht mit einer Streckgrenze von mindestens 450 N/mm2 bei guter Schweissbarkeit und Zähigkeit, der ein niedriges Kohlenstoffäquivalent aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahl mit nitridbildenden Elementen und Stickstotf mikrolegiert und zudem während und/oder nach dem Walzen einer kontrollierten Abkühlung unterzogen wird, die eine mittlere Ausgleichstemperatur von grösser als 700°C bewirkt, so dass eine bevorzugte Nitridausscheidung unterhalb des Gebietes der Gamma-Alpha-Umwandlung erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Wärmeflussdichte bei der Kühlung des Walzgutes in Form von Stäben oder Walzdraht etwa 11 MW/m2 bei einem Durchmesser von 8 mm und etwa 6 MW/m2 bei einem Durchmesser von 20 mm beträgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Betonstahl zur Erreichung einer Streckgrenze von grösser als 500 N/mm2 folgende Analyse, in Gew.%, aufweist:
Kohlenstoff 0,10 - 0,25%, Mangan gleich oder grösser als 0,6%, Silizium etwa 0,2%, Vanadium 0,02% - 0,06%, Stickstoff 0,01% - 0,02% bei den üblichen Gehalten an Spurenelementen, Rest Eisen.
4. Vertahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vanadium-Anteil 0,03% - 0,05% beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Walzdraht dieser mit einer Temperatur von grösser als 700°C zu Windungen gelegt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzgut bei einer Temperatur von grösser als 700°C warmgeschert wird.
7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 auf andere Produkte und/oder Stahlsorten.
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