FR2473062A1 - Cooling of long prods, esp. steel rods for reinforcing concrete - which are briefly water quenched on leaving hot rolling mill to increase their mechanical strength - 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

Abstract

The moving bars or rods are briefly quenched (I), and are then cooled (II) in free air, so all the cross-section undergoes a transformation at 575-630 deg.C. Quenching (I) pref. involves a high heat removal of 83-105 MJ/sq.m/hour/deg.K., obtd. by feeding the bar through two tubes sepd. by a water injector; in the first tube, the water flows in counter-current to the bar, but co-current in the second tube. The prod. is esp. low-alloy steel rod, 8-40mm. dia., contg. 0.08-0.12% C, and 0.5-1.0% Mn. The treatment used by the invention increases the Vickers hardness(HV), elastic limit(EL) and tensile strength(UTS) of the rods.

Description

L'invention se situe dans le domaine des traitements thermiques appliqués aux produits longs en fin de laminage et concerne plus spécialement le refroidissement au défilé des ronds et barres à béton. The invention lies in the field of heat treatments applied to long products at the end of rolling and more particularly the cooling of the runway bars and concrete bars.

Les barres dites "haute adhérence", destinées aux armatures de construction en béton armé doivent présenter des caractéristiques mécaniques répondant aux spécifications des normes et, notamment, une limite d'élas ticité élevée. Jusqu'ici, elles se rattachaient généralement à deux grandes familles
des aciers à bas carbone ( < 0,1 %) très peu ou pas alliés, donc facilement soudables, pour lesquels la limite d'élasticité imposée ne peut être obtenue que par écrouissage à froid après laminage,
des aciers à plus forte teneur en carbone (0,3 % environ) et en manganese, éventuellement micro-alliés (Nb, V, Ti ...), naturellement durs à l'état brut de laminage, mais généralement moins ductiles et moins facilement soudables.The so-called "high adhesion" bars for reinforced concrete reinforcements must have mechanical characteristics that meet the specifications of the standards and, in particular, a high elasticity limit. Until now, they were generally related to two large families
low carbon (<0.1%) steels with very little or no alloy, and therefore easily welded, for which the imposed yield strength can be obtained only by cold working after rolling,
steels with higher carbon content (about 0.3%) and manganese, possibly micro-alloyed (Nb, V, Ti ...), naturally hard in a raw state of rolling, but generally less ductile and less easily weldable.

Actuellement, on demande de plus en plus des barres à limite d'élas ticité élevée, de compositions économiques, donc contenant peu d'éléments d'alliage, naturellement dures et facilement soudables. On sait depuis longtemps que ces exigences cumulées ne peuvent etre satisfaites que par un traitement thermique approprié en sortie de laminoir ; or les refroidissements réalises jusqu'ici sur refroidissoirs industriels, relativement lents, conduisent généralement à des structures ferrite-perlite grossières. Currently, there is increasing demand for high yield strength bars, economical compositions, thus containing few alloying elements, naturally hard and easily weldable. It has long been known that these cumulative requirements can only be met by appropriate heat treatment at the output of the rolling mill; However, the cooling achieved so far on industrial coolers, relatively slow, generally lead to coarse ferrite-pearlite structures.

D'autre part, le refroidissement doit être réglé en fonction de la composition chimique et du diamètre du rond, de manière à se rapprocher le plus possible à coeur de la limite du domaine des structures bainitiques tout en évitant leur apparition, car ces constituants sont susceptibles de réduire la ductilité globale et la limite d'élasticité. Cependant, pour une nuance soudable du type 18 M5 (C : 0,18 % ; Mn : 1,25 %) ayant déjà un équivalent carbone assez éleve, les structures ferrite-perlite les plus fines ainsi obtenues, en refroidissement continu jusqu'à l'ambiante, ne permettent pas de garantir un niveau de limite d'élasticité suffisant.Par ailleurs, la présence d'éléments résiduels ou de manganèse en quantités relativement élevées peut prolonger notablement l'étendue du domaine bainitique. I1 devient alors difficile d'obtenir sur une fraction importante de la section du produit une ferrite-perlite fine par refroidissement continu rapide, mais non prolongé dans le domaine bainitique. On the other hand, the cooling must be adjusted according to the chemical composition and the diameter of the round, so as to get as close as possible to the heart of the domain boundary of the bainitic structures while avoiding their appearance, because these constituents are likely to reduce overall ductility and yield strength. However, for a weldable grade of 18 M5 type (C: 0.18%, Mn: 1.25%) already having a fairly high carbon equivalent, the finest ferrite-pearlite structures thus obtained, in continuous cooling until The ambient temperature does not guarantee a sufficient level of yield strength. Moreover, the presence of residual elements or of manganese in relatively large quantities can significantly prolong the extent of the bainitic domain. It then becomes difficult to obtain on a large fraction of the section of the product a fine ferrite-perlite by rapid continuous cooling, but not prolonged in the bainitic domain.

On a déjà proposé, pour améliorer la qualité des barres à 1' état brut de laminage, de leur appliquer, à la sortie des cages finisseuses, un refroidissement sévère interrompu auquel succède naturellement un auto-revenu par la chaleur du coeur, de manière à former en périphérie une couche de structures de trempe(martensite essentiellement avec un peu de bainite) revenues et au centre de la ferrite-perlite. L'épaisseur de la couche de martensite conditionne le niveau de la limite d'élasticité global de la section. Il faut donc pouvoir contrôler de façon très précise la phase de refroidissement pour avoir l'épaisseur de couche et, par conséquent, les caractéristiques mécaniques souhaitées. Ce procédé est difficile à mettre en oeuvre, notamment pour les barres de faible section et pour les aciers contenant des éléments résiduels qui augmentent la trempabilité. It has already been proposed, in order to improve the quality of bars in the raw state of rolling, to apply to them, at the exit of the finishing cages, a severe, interrupted cooling which is naturally followed by self-tempering by the heat of the core, so as to form at the periphery a layer of quenching structures (martensite essentially with a little bainite) returned and in the center of the ferrite-pearlite. The thickness of the martensite layer determines the level of the overall elastic limit of the section. It is therefore necessary to be able to control very precisely the cooling phase to have the layer thickness and, consequently, the desired mechanical characteristics. This process is difficult to implement, especially for small section bars and for steels containing residual elements that increase quenchability.

Ltinvention a précisément pour but de fournir un traitement thermique permettant d'affiner suffisamment la structure à coeur pour obtenir les caractéristiques mécaniques souhaitées à l'état brut de laminage, les structures de trempe obtenues éventuellement en peau sur une très faible épaisseur ayant sensiblement peu d'influence sur le gain global de limite élastique. The aim of the invention is precisely to provide a heat treatment which makes it possible to sufficiently refine the core structure to obtain the desired mechanical characteristics in the raw state of rolling, the quenching structures possibly obtained in skin on a very small thickness having substantially influence on the overall elastic limit gain.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement de produits longs, notamment de ronds et barres à béton, selon lequel on effectue une trempe étagée au défilé suivie d'un refroidissement à l'air libre, de manière à transformer sensiblement toute la section entre 5750C et 630oC environ. For this purpose, the subject of the invention is a process for cooling long products, in particular round bars and concrete bars, according to which stepped quenching is carried out followed by cooling in the open air so as to convert substantially the entire section between 5750C and about 630oC.

L'invention a également pour objet une installation, pour la mise en oeuvre du traitement, dans laquelle le coefficient d'échange, lors deXla trempe au défilé, est très élevé. The invention also relates to an installation, for the implementation of the treatment, in which the exchange coefficient, when the quenching is very high.

De préférence, ce coefficient d'échange est supérieur à 83.106 J/m2h K et généralement compris entre 83.106 et 105.106 J/m2hOK.  Preferably, this exchange coefficient is greater than 83.106 J / m2h K and generally between 83.106 and 105.106 J / m2hOK.

Selon un mode d'exécution, la trempe au défilé est effectuée par passage des produits dans au moins un tube de refroidissement parcouru par une lame d'eau. According to one embodiment, the quenching is carried out by passing the products in at least one cooling tube traversed by a blade of water.

Le procédé selon l'invention s'applique de façon particulièrement avantageuse au traitement d'aciers faiblement alliés contenant 0,08 % à 0,12 % de carbone environ et 0,5 Z à 1 Z de manganèse, sous forme de ronds ou barres à béton de diamètres compris entre 8 et 40 mm notamment. The process according to the invention is particularly advantageously applied to the treatment of low-alloy steels containing about 0.08% to about 0.12% of carbon and 0.5% to 1% of manganese, in the form of rounds or bars. concrete with diameters between 8 and 40 mm in particular.

Comme on le comprend, le traitement thermique selon l'invention peut être considéré comme une trempe étagée au défilé, réalisée par application d'un coefficient d'échange thermique élevé jusqu'à ce que la température moyenne de la barre ait atteint environ 600"C. On rappelle que le coeffi cient d'échange thermique h est lié au flux thermique b extrait d'une surface par la relation &commat; = h Ts - Tm, Ts entant la température de la surface et Tm celle du milieu refroidissant. On arrive ainsi, par réglage de la température et de la durée de trempe, à affiner au maximum la structure, de ferrite dans la presque totalité de la section, et à obtenir, de surcroit, une perlite à très faible distance interlamellaire et dégénérée (lamelles de cémentite très courtes et irrégulières).Un tel traitement n'est possible que lorsqu'on dispose d'une installation présentant un coefficient d'échange très élevé, suffisant pour amener la température moyenne de la section de la barre vers 600"C avant transformation complète. As understood, the heat treatment according to the invention can be considered as stepped quenching performed by application of a high heat exchange coefficient until the average temperature of the bar has reached about 600 ° C. C. It is recalled that the coefficient of heat exchange h is related to the heat flux b extracted from a surface by the relation σ = h Ts - Tm, Ts entant the temperature of the surface and Tm that of the cooling medium. Thus, by adjusting the temperature and the quenching time, it is possible to refine the ferrite structure as much as possible in most of the section, and to obtain, in addition, a perlite with a very small interlamellar and degenerate distance (lamellae very short and irregular cementite). Such a treatment is only possible when there is a plant with a very high exchange coefficient, sufficient to bring the average temperature of the plant ction of the bar to 600 ° C before complete transformation.

D'autre part, une particularité intéressante du traitement selon l'invention est qu'il peut s'appliquer à des nuances d'acier à bas carbone peu alliées, notamment contenant essentiellement 0,08 Z à 0,12 Z de carbone et 0,6 Z à I Z de manganèse, alors que, jusque là, il fallait partir de nuances beaucoup plus chargées pour obtenir une limite d'élasticité suffisante avec un simple traitement thermique, sans écrouissage ultérieur. Des aciers à bas carbone de ce type présentent l'avantage de rendre le résultat du traitement relativement peu sensible au diamètre de la barre.Par ailleurs, leur trempabilité très réduite limite le risque d'obtention de structures de trempe non revenues, en particulier pour les barres de faible section et permet d'aboutir à des résultats satisfaisants avec un contrôle moins rigoureux des conditions de trempe. Enfin, du point de vue économique, ces nuances d'acier sont particulièrement intéressantes du fait de leur excellente soudabilité et de leur court beaucoup moins élevé que les compositions habituellement employées, par exemple du type 16 M5 ou 22 M4, pour la fabrication des barres à haute adhérence. On the other hand, an interesting feature of the treatment according to the invention is that it can be applied to poorly alloyed low carbon steel grades, especially containing essentially 0.08% to 0.12% carbon and 0% carbon. 6 Z to IZ of manganese, whereas, until then, it was necessary to start from shades much more charged to obtain a sufficient limit of elasticity with a simple heat treatment, without subsequent hardening. Low-carbon steels of this type have the advantage of making the result of the treatment relatively insensitive to the diameter of the bar. Moreover, their very low quenchability limits the risk of obtaining quenched structures, in particular for the bars of small section and leads to satisfactory results with a less stringent control of the quenching conditions. Finally, from an economic point of view, these steel grades are particularly interesting because of their excellent weldability and their short much lower than the compositions usually employed, for example of the M5 or M4 type, for the manufacture of the bars. with high adhesion.

L'invention sera de toutes façons bien comprise au vu de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif en référence à la planche de dessin annexée, sur laquelle les figures 1 et 2 représentent deux micrographies (grossissement 400) respectivement des zones proches du coeur et de la peau d'une barre à béton. The invention will be understood in any case from the following description, given by way of purely illustrative example with reference to the accompanying drawing board, in which Figures 1 and 2 show two micrographs (magnification 400) respectively areas near the heart and skin of a concrete bar.

On effectue une trempe au défilé depuis 1 0500C environ (température de fin de laminage) jusqu'à une température de 620"C, suivie d'un refroidissement à l'air libre, sur une barre cannelée de 40 mm de diamètre, de composition suivante : C : 0,10 Z ; Si : 0,20 Z ; Mn : 0,70 % ; Cr : 0,10 Z
Cu : 0,30 %.Quenching was carried out from about 10 ° C. (end-of-rolling temperature) to a temperature of 620 ° C., followed by cooling in the open air, on a fluted bar of 40 mm diameter, of composition. following: C: 0.10 Z; Si: 0.20 Z; Mn: 0.70%; Cr: 0.10 Z
Cu: 0.30%.

La trempe est effectuée dans une installation du type décrit dans la demande de brevet français n" 79/14.383 sur une dizaine de mètres. Cette installation présente un coefficient d'échange d'environ 21 600 Kcal/m2h"K ; elle est constituée essentiellement d'une tête d'injection d'eau prolongée vers l'amont et l'aval par deux tubes de refroidissement. La barre pénètre dans le tube amont où elle rencontre une lame d'eau à contrecourant par rapport à son sens de défilement, traverse la tête d'injection et ressort de l'installation après passage dans le tube aval où elle atteint la température moyenne souhaitée par échange de chaleur avec une lame d'eau circulant à co-courant. The quenching is carried out in a plant of the type described in French Patent Application No. 79/14383 over about ten meters This plant has an exchange coefficient of about 21,600 Kcal / m2h-K; it consists essentially of a water injection head extended upstream and downstream by two cooling tubes. The bar penetrates into the upstream tube where it meets a countercurrent water blade relative to its direction of travel, passes through the injection head and leaves the installation after passing through the downstream tube where it reaches the desired average temperature by heat exchange with a water slide circulating cocurrently.

L'examen micrographique montre bien que la structure obtenue est une ferrite-perlite très fine sur la quasi-totalité de la section. La taille de grain, comme on peut le vérifier en comparant les figures 1 et 2, micrographies de zones situées respectivement au centre et à 14 mm du centre est bien homogène et correspond à l'indice AFNOR 9,2 en moyenne. The micrographic examination shows that the structure obtained is a very fine ferrite-pearlite on almost the entire section. The grain size, as can be verified by comparing Figures 1 and 2, micrographs of areas respectively in the center and 14 mm from the center is homogeneous and corresponds to the average AFNOR 9.2.

Par ailleurs, des micro-éprouvettes de traction de 1,5 mm de diamètre sont prélevées à différentes distances du coeur de la barre pour suivre l'évolution, sur la section, des caractéristiques de traction et de dureté Vickers. Les résultats sont reportés dans le tableau suivant

Figure img00040001
In addition, micro-tensile specimens 1.5 mm in diameter are taken at different distances from the core of the bar to follow the evolution, on section, Vickers traction characteristics and hardness. The results are reported in the following table
Figure img00040001

<tb> Distance <SEP> à <SEP> coeur <SEP> 17 <SEP> 14 <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP> <SEP> 2- <SEP>
<tb> <SEP> (mm)
<tb> Dureté <SEP> Vickers <SEP> 210 <SEP> 160 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 148
<tb> <SEP> (mut) <SEP>
<tb> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> 480 <SEP> 460 <SEP> 440 <SEP> 440 <SEP> 400
<tb> <SEP> (N/mm2) <SEP>
<tb> Résistance <SEP> 620 <SEP> 550 <SEP> 530 <SEP> 530 <SEP> 525
<tb> <SEP> (N/mm2 <SEP> )
<tb>
La dureté varie donc faiblement entre la périphérie et le centre et reste constante sur la plus grande partie de la section de la barre. De plus, le niveau de limite d'élasticité, qui varie peu également, a été porté à au moins 400 N/mm2 sur toute la section, ce qui répond bien aux spécifications de la norme.<tb> Distance <SEP> to <SEP> Heart <SEP> 17 <SEP> 14 <SEP> 10 <SEP> 6 <SEP><SEP> 2- <SEP>
<tb><SEP> (mm)
<tb> Hardness <SEP> Vickers <SEP> 210 <SEP> 160 <SEP> 150 <SEP> 150 <SEP> 148
<tb><SEP> (mut) <SEP>
<tb> Yield Strength <SEP><SEP> 480 <SEP> 460 <SEP> 440 <SEP> 440 <SEP> 400
<tb><SEP> (N / mm2) <SEP>
<tb> Resistance <SEP> 620 <SEP> 550 <SEP> 530 <SEP> 530 <SEP> 525
<tb><SEP> (N / mm2 <SEP>)
<Tb>
The hardness thus varies slightly between the periphery and the center and remains constant over most of the section of the bar. In addition, the level of yield strength, which varies slightly, has been increased to at least 400 N / mm2 over the entire section, which meets the specifications of the standard.

L'affinement de la structure ferrite-perlite contribue à l'augmentation de la limite d'élasticité, de façon d'autant plus importante que l'efficacité de la trempe est grande et permet un abaissement des températures de transformation sans risque d'atteindre la bainite. Afin de bien mettre ce résultat en évidence, les caractéristiques de traction en pleine section, corrigées en tenant compte du poids métrique, pour deux barres identiques, l'une traitée par le procédé selon l'invention, l'autre ayant subi un refroidissement simple sur refroidissoir industriel, sont reportées dans le tableau suivant

Figure img00050001
The refinement of the ferrite-pearlite structure contributes to the increase of the yield strength, all the more important that the quenching efficiency is great and allows a lowering of the transformation temperatures without risk of reaching bainite. To highlight this result, the tensile characteristics in full section, corrected taking into account the metric weight, for two identical bars, one treated by the method according to the invention, the other having undergone simple cooling on industrial cooler, are reported in the following table
Figure img00050001

<tb> Barre <SEP> Limite <SEP> d'élasticité <SEP> Résistance <SEP> Allongement
<tb> <SEP> (N/mm2) <SEP> (N/mm2) <SEP> sur <SEP> 50 <SEP> en <SEP> Z <SEP>
<tb> Traitée <SEP> 460 <SEP> 570 <SEP> 22
<tb> Non <SEP> Traité <SEP> 300 <SEP> 430 <SEP> 30
<tb>
Ces mesures montrent bien l'amélioration, en grande partie liée à l'affinement de la structure, de la résistance à la traction et surtout de la limité d'élasticité et ceci avec un niveau satisfaisant de ductilité, des barres ayant subi le traitement objet de l'invention.<tb> Bar <SEP> Yield <SEP><SEP> Resistance <SEP> Elongation
<tb><SEP> (N / mm2) <SEP> (N / mm2) <SEP> on <SEP> 50 <SEP> in <SEP> Z <SEP>
<tb> Processed <SEP> 460 <SEP> 570 <SEP> 22
<tb> No <SEP> Processed <SEP> 300 <SEP> 430 <SEP> 30
<Tb>
These measures show the improvement, largely related to the refinement of the structure, the tensile strength and especially the limited elasticity and this with a satisfactory level of ductility, the bars having undergone the object treatment of the invention.

L'invention ne saurait être limitée, dans sa portée, à l'exemple décrit, mais elle est d'application générale à toute installation de refroidissement présentant un coefficient d'échange suffisant et à des barres de tous diamètres et de compositions variées.  The invention can not be limited in scope to the example described, but it is of general application to any cooling installation having a sufficient exchange coefficient and bars of all diameters and varied compositions.

Claims (1)

REVENDICATIONS la. Procédé de refroidissement de produits longs, notamment de ronds et barres à béton, caractérisé en ce qu'on effectué une trempe étagée au défilé suivie d'un refroidissement à l'air libre, de manière à transformer sensiblement toute la section entre 575"C et 6300C environ. the. Process for cooling long products, in particular round bars and concrete bars, characterized in that a stepped quenching is carried out followed by cooling in the open air so as to substantially transform the entire section between 575 ° C. and about 6300C. 2". Installation de refroidissement pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisée entre que, dans la partie où est effectuée la trempe, le coefficient d'échange est très élevé. 2. A cooling system for carrying out the process according to claim 1, characterized in that in the quenching portion the exchange coefficient is very high. 3 . Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que le coefficient d'échange est supérieur à 83.106 J/m2hOK.  3. Installation according to claim 2, characterized in that the exchange coefficient is greater than 83.106 J / m2hOK. 40. Installation selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le coefficient d'échange est compris entre 83.106 J/m2hOK et 105.1 o6 J/m2hOK.  40. Installation according to one of claims 2 and 3, characterized in that the exchange coefficient is between 83.106 J / m2hOK and 105.1 o6 J / m2hOK. 5". Installation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la trempe au défilé est effectuée par passage des produits dans au moins un tube de refroidissement parcouru par une lame d'eau. 5. Installation according to one of claims 2 to 4, characterized in that the quenching is carried out by passing the products in at least one cooling tube traversed by a blade of water. 6". Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle est essentiellement constituée de deux tubes de refroidissement reliés par une tête d'injection d'eau, le produit et la lame d'eau circulant à contrecourant dans le tube amont, par rapport au sens de défilement du produit, et à co-courant dans le tube aval. 6 ". Installation according to claim 5, characterized in that it consists essentially of two cooling tubes connected by a water injection head, the product and the flow of water flowing countercurrent in the upstream tube, relative to the direction of travel of the product, and co-current in the downstream tube. 7 . Application du procédé selon la revendication 1 et de l'installation selon l'une des revendications 2 à 6 au traitement en fin de laminage de ronds ou barres à béton en acier faiblement allié contenant 0,08 Z à 0,12 % de carbone et 0,5 Z à 1 Z de manganèse. 7. Application of the method according to claim 1 and of the installation according to one of claims 2 to 6 to the treatment at the end of rolling of rounds or bars of low alloy steel containing 0.08% to 0.12% of carbon and 0.5 to 1% manganese. 8". Application selon la revendication 7 å des ronds ou barres à béton de diamètre compris entre 8 et 40 mm.  8 "Application according to claim 7 to round bars or concrete bars with a diameter of between 8 and 40 mm.
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