EP0166239B1 - Verfahren zur Herstellung von Betonstahl in Form von Stäben oder Walzdraht - Google Patents
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- C21D8/08—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires for concrete reinforcement
Definitions
- the invention relates to a process for the production of reinforcing steel in the form of bars or wire rod with a low carbon equivalent and with micro-alloying elements vanadium 0.03-0.05% and nitrogen 0.01-0.02% and with a yield strength of at least 450 N / mm 2 and 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.
- FR-A 2103905 discloses a reinforcing steel which has a composition which is used for the known high-strength, weldable fine-grain structural steels. Such steel can be used as reinforcing steel. Since this steel is not subjected to any thermal or mechanical treatment, it additionally requires alloy components, with regard to which this steel is more expensive than e.g. B. a rebar tempered from the rolling heat.
- This object is achieved according to the invention by the reinforcing steel described at the outset, the steel being quenched during and / or after rolling from the rolling heat and its surface cooled thereby to a temperature greater than 600 ° C. is reheated by the higher temperature of its core, so that a steel compensation temperature of over 700 ° C to a maximum of 760 ° C is reached.
- the upper compensation temperature is determined by the gamma-alpha transition temperature (A, 3 point).
- the A, 3 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 expedient to control the cooling in such a way that on the one hand the gamma-alpha conversion in the core is accelerated, but on the other hand the temperature of the rod surface does not drop below the M s point, 450 ° C. in the example given. 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 high stretch required limits 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. B. on steel bars and flat products.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Betonstahl in Form von Stäben oder Walzdraht mit niedrigem Kohlenstoffäquivalent und mit Mikrolegierungselementen Vanadium 0,03-0,05% und Stickstoff 0,01-0,02% sowie mit einer Streckgrenze von mindestens 450 N/mm2 und mit 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-Äquivalent, 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 Vanadiumnitride 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- Äquivalent 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 WaIzhitze vergütete Betonstähle.
Es sind Betonstähle bekannt (z.B. DE-AS 2353034 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-Äquivalentes, 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.
- Durch die FR-A 2103905 ist ein Betonstahl bekannt, der eine Zusammensetzung aufweist, wie sie für die bekannten hochfesten, schweissbaren Feinkornbaustähle Verwendung findet. Ein solcher Stahl kann zwar als Betonstahl verwendet werden. Da dieser Stahl keiner thermischen oder mechanischen Behandlung unterzogen wird, benötigt er zusätzlich Legierungskomponenten, im Hinblick auf welche dieser Stahl kostenaufwendiger ist als z. B. ein aus der Walzhitze vergüteter Betonstahl.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Betonstahles der eingangs beschriebenen Art 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 durch den eingangs beschriebenen Betonstahl gelöst, wobei der Stahl während und/oder nach dem Walzen aus der Walzhitze abgeschreckt und seine hierdurch auf eine Temperatur grösser als 600°C abgekühlte Oberfläche durch die höhere Temperatur seines Kernes wieder erwärmt wird, so dass sich eine Ausgleichtemperatur des Stahles von über 700°C bis maximal 760°C einstellt.
- Bevorzugte Merkmale des erfindungsgemässen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 enthalten.
- Es hat sich gezeigt, dass bei einem Stahl mit einem niedrigen Kohlenstoff-Äquivalent, 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-Äquivalent 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 Oberrfläche 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 dargestellt,
- Fig. 2 das Schliffbild eines nach der Erfindung hergestellten Betonstahls mit einem Durchmesser von 8 mm, einem V-Gehalt von 0,04% und einer Ausgleichstemperaturvon 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
- Kohlenstoff 0,16%
- Silizium 0,2%
- Mangan 0,65%
- V 0,01%, N 0,010%
- V 0,04%, N 0,012%
- V 0,06%, N 0,012%
- Während ohne gesteuerte Abkühlung (Endwalztemperatur etwa 900°C) Streckgrenzen von 350,420 und 450 N/mm2 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 (A,3-Punkt) bestimmt. Der A,3-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 gesteuerte 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 gesteuerter Abkühlung trotz des niedrigen Kohlenstoff-Äquivalentes 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 einem 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.
und den üblichen Begleitelementen eines Elektrostahls sowie Vanadium- und Stickstoff-Gehalten von
wurden an Betonstählen mit kleinen Durchmessern (8-12 mm) die in dem Diagramm dargestellten Ergebnisse erzielt:
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung von Betonstahl in Form von Stäben oder Walzdraht mit niedrigem Kohlenstoffäquivalent und mit Mikrolegierungselementen Vanadium 0,03-0,05% und Stickstoff 0,01-0,02% sowie mit einer Streckgrenze von mindestens 450 N/mm2 und mit guter Schweissbarkeit und Zähigkeit, wobei der Stahl während und/oder nach dem Walzen aus der Walzhitze abgeschreckt wird und seine hierdurch auf eine Temperatur grösser als 600°C abgekühlte Oberfläche durch die höhere Temperatur seines Kerns wieder erwärmt wird, so dass sich eine Ausgleichtemperatur des Stahles von über 700°C bis maximal 760°C einstellt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeflussdichte bei einem Stabdurchmesser von 8-12 mm etwa 11 MW/m2 und bei einem Stabdurchmesser von 20 mm etwa 6 MW/m2 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 0,03-0,05%, Stickstoff 0,01-0,02% bei den üblichen Gehalten an Spurenelementen, Rest Eisen.
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