ITMI20081991A1 - THERMAL TREATMENT PROCESS OF LAMINATES - Google Patents
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Description
PROCESSO DI TRATTAMENTO TERMICO DI LAMINATI PROCESS OF HEAT TREATMENT OF LAMINATES
Campo dell’invenzione Field of invention
La presente invenzione si riferisce ad un processo di trattamento termico di laminati, in particolare di barre per cemento armato. The present invention relates to a process for the heat treatment of laminates, in particular of bars for reinforced concrete.
Stato della tecnica State of the art
Attualmente le barre per cemento armato vengono prodotte mediante processi di laminazione che prevedono l’introduzione di microleganti, come il manganese -Mn -, o mediante processi che incorporano una tempra martensitica superficiale e autorinvenimento. Un processo di questo secondo tipo à ̈ descritto nella domanda di brevetto italiana IT1997UD00105. Currently the bars for reinforced concrete are produced by rolling processes that involve the introduction of micro-binders, such as manganese -Mn -, or by processes that incorporate a surface martensitic hardening and self-tempering. A process of this second type is described in the Italian patent application IT1997UD00105.
Entrambi i metodi citati sopra hanno come effetto di aumentare le caratteristiche meccaniche degli acciai con contenuto di carbonio che varia in un intervallo da 0,14 a 0,24 %. Both methods mentioned above have the effect of increasing the mechanical characteristics of steels with a carbon content that varies in a range from 0.14 to 0.24%.
Il primo metodo, che prevede l'introduzione del Mn, presenta tuttavia costi elevati causati dai microleganti impiegati nel processo e dunque tende sempre di più ad essere evitato dai produttori di laminati. The first method, which involves the introduction of Mn, however, has high costs caused by the micro-binders used in the process and therefore tends more and more to be avoided by laminate producers.
Il secondo metodo, basato sulla tempra martensitica, introduce una limitazione nelle caratteristiche plastiche raggiunte dal materiale, cioà ̈ nel rapporto ottenibile tra il carico di rottura (UTS) e il carico di snervamento (YS). Uno svantaggio di questo metodo à ̈ collegato alla durezza della martensite che si forma sulla superficie della barra per una determinata profondità , la cui grandezza in genere à ̈ funzione della dimensione del diametro della barra stessa. Poiché le caratteristiche meccaniche ottenibili nel laminato derivano, una volta predeterminata la composizione chimica dell’acciaio, dalla profondità della martensite che si crea nel corso del processo termico ne deriva che, al crescere della quantità di martensite, si riduce la differenza tra carico si snervamento e carico di rottura. Si raggiunge perciò un limite fisico, la cui conseguenza à ̈ che per poter aumentare il valore del rapporto UTS/YS, si deve ricorrere ad una modifica della composizione chimica dell'acciaio aumentando il contenuto in Mn ed eventualmente in microleganti. The second method, based on martensitic hardening, introduces a limitation in the plastic characteristics reached by the material, ie in the ratio obtainable between the breaking load (UTS) and the yield strength (YS). A disadvantage of this method is related to the hardness of the martensite that forms on the surface of the bar for a given depth, the size of which is generally a function of the size of the diameter of the bar itself. Since the mechanical characteristics obtainable in the laminate derive, once the chemical composition of the steel has been predetermined, from the depth of the martensite that is created during the thermal process, it follows that, as the quantity of martensite increases, the difference between the load is reduced. yes yield strength and tensile strength. A physical limit is therefore reached, the consequence of which is that in order to increase the value of the UTS / YS ratio, it is necessary to resort to a modification of the chemical composition of the steel by increasing the Mn content and possibly in micro-alloys.
La ricerca di un elevato valore del rapporto UTS/YS à ̈ giustificata dalla necessità di garantire una maggiore riserva plastica nel laminato, una caratteristica che à ̈ richiesta esplicitamente da molte legislazioni nazionali di paesi dove la componente geosismica à ̈ sensibile. Nella figura 1 à ̈ illustrato un tipico diagramma per l'acciaio che mostra una curva in cui il carico (asse Y) à ̈ funzione dello spostamento (asse X) e dal quale si ricavano i relativi sforzi YS e UTS. Un materiale con elevata riserva plastica evidenzia una differenza molto marcata tra i valori di UTS e YS tipicamente con un rapporto UTS/YS>1 ,25. The search for a high value of the UTS / YS ratio is justified by the need to guarantee a greater plastic reserve in the laminate, a characteristic that is explicitly requested by many national legislations of countries where the geoseismic component is sensitive. Figure 1 shows a typical diagram for steel showing a curve in which the load (Y axis) is a function of the displacement (X axis) and from which the relative stresses YS and UTS are derived. A material with a high plastic reserve shows a very marked difference between the UTS and YS values, typically with a UTS / YS ratio> 1.25.
Un altro metodo, ideato per ottenere caratteristiche meccaniche soddisfacenti gli standard di molti paesi, prevede di mantenere un rapporto UTS/YS elevato ma senza l’ausilio di microleganti o di variazioni di composizione chimica. Esso consiste nell’evitare la formazione della struttura martensitica superficiale nel corso del processo termico e di favorire la formazione di strutture estremamente fini, quali ferritico/bainitiche aciculari, distribuite uniformemente in uno strato superficiale della barra. Tali strutture permettono di ottenere, a parità di composizione chimica dell’acciaio, un aumento sensibile del rapporto UTS/YS rispetto ai due metodi citati sopra. Another method, designed to obtain mechanical characteristics satisfying the standards of many countries, involves maintaining a high UTS / YS ratio but without the aid of micro-binders or variations in chemical composition. It consists in avoiding the formation of the surface martensitic structure during the thermal process and favoring the formation of extremely fine structures, such as ferritic / acicular bainitic, uniformly distributed in a surface layer of the bar. These structures allow to obtain, with the same chemical composition of the steel, a significant increase in the UTS / YS ratio compared to the two methods mentioned above.
E' noto che per ottenere strutture ferritico/bainitiche aciculari à ̈ tuttavia necessario che la laminazione avvenga nella zona superficiale della barra, chiamata “pelle†, che à ̈ portata ad una temperatura tale da essere definita “sottoraffreddata†. It is known that in order to obtain acicular ferritic / bainitic structures, it is however necessary that the lamination takes place in the surface area of the bar, called â € œpelleâ €, which is brought to a temperature such as to be defined as â € œsubcooledâ €.
I gradienti termici necessari allo svolgimento di un tale processo sono ottenuti mediante raffreddamenti in sequenza dentro raffreddatori ad acqua in pressione, cosiddetti “waterboxes†in inglese, distanziati da predefinite distanze di equalizzazione che servono ad evitare la formazione superficiale di uno strato di martensite che, se si verificasse, influenzerebbe negativamente le caratteristiche meccaniche del prodotto. The thermal gradients necessary to carry out such a process are obtained by sequential cooling in pressurized water coolers, so-called `` waterboxes '' in English, spaced by predefined equalization distances which serve to avoid the surface formation of a martensite layer which , if it occurs, it would negatively affect the mechanical characteristics of the product.
Sommario deH’invenzione Summary of the invention
Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un processo di trattamento termico di laminati che superi gli inconvenienti prima citati per produrre laminati in acciaio che presentino strutture ferritico/bainitiche aciculari aventi caratteristiche elastiche sufficienti a superare standards specifici e che mantenga o riduca i costi di produzione dei laminati. The purpose of the present invention is to provide a laminate heat treatment process that overcomes the aforementioned drawbacks to produce steel laminates that have ferritic / bainitic acicular structures having sufficient elastic characteristics to exceed specific standards and that maintains or reduces the costs of production of laminates.
Questo e altri scopi della presente invenzione vengono raggiunti mediante un processo di trattamento termico di laminati, in particolare di barre in acciaio, in cui à ̈ previsto un impianto di laminazione definente una linea di laminazione comprendente almeno due primi cassoni di raffreddamento, un blocco finitore disposto a valle degli almeno due primi cassoni di raffreddamento, almeno un secondo cassone di raffreddamento disposto a valle di detto blocco finitore, detto processo comprendente, in conformità con la rivendicazione 1 , i seguenti stadi: - convogliare il laminato ad una prima temperatura T0attraverso una gabbia di prefinitura, This and other purposes of the present invention are achieved by means of a process of thermal treatment of rolled products, in particular of steel bars, in which a rolling plant is provided which defines a rolling line comprising at least two first cooling caissons, a finishing block arranged downstream of the at least two first cooling chambers, at least one second cooling chamber arranged downstream of said finishing block, said process comprising, in accordance with claim 1, the following stages: - conveying the laminate at a first temperature T0 through a pre-finishing cage,
- estrarre il laminato dalla gabbia di prefinitura ad una seconda temperatura Ti, - convogliare il laminato attraverso il primo e il secondo degli almeno due cassoni di raffreddamento, - extract the laminate from the pre-finishing stand at a second temperature Ti, - convey the laminate through the first and second of the at least two cooling chambers,
- convogliare il laminato attraverso il treno finitore ad una temperatura di ingresso Tine ad una temperatura di uscita Tout, - conveying the laminate through the finishing train at an inlet temperature Tine at an outlet temperature Tout,
in cui questa temperatura di ingresso Tjnà ̈ scelta con valore tale per cui la temperatura di uscita Tout del laminato non superi la temperatura Tout_max determinata dalla formula Tout_max<=>(Ac3-d<0,7>)°C, dove in which this inlet temperature Tjnà is chosen with a value such that the output temperature Tout of the laminate does not exceed the temperature Tout_max determined by the formula Tout_max <=> (Ac3-d <0.7>) ° C, where
- Ac3 à ̈ la temperatura alla quale, durante il riscaldo, nell’acciaio termina la trasformazione della ferrite in austenite; - Ac3 is the temperature at which, during heating, the transformation of ferrite into austenite ends in the steel;
- d à ̈ il diametro del laminato da trattare. - d is the diameter of the laminate to be treated.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione. Breve descrizione delle figure The dependent claims describe preferred embodiments of the invention. Brief description of the figures
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un processo di trattamento termico di laminati, illustrato a titolo esemplificativo e non limitativo, con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui: Further characteristics and advantages of the invention will become more evident in the light of the detailed description of preferred, but not exclusive, embodiments of a laminate heat treatment process, illustrated by way of non-limiting example, with the aid of the units drawing tables in which:
la Fig. 1 illustra una curva caratteristica sforzo-deformazione dell’acciaio, la Fig. 2 illustra una linea di laminazione atta a realizzare il processo conforme alla presente invenzione; Fig. 1 illustrates a stress-strain characteristic curve of the steel, Fig. 2 illustrates a rolling line suitable for carrying out the process according to the present invention;
la Fig. 3 illustra una curva di riferimento delle temperature di processo secondo l’invenzione; Fig. 3 illustrates a reference curve of the process temperatures according to the invention;
la Fig. 4 illustra una curva di trasformazione finale del laminato sottoposto al processo dell'invenzione. Fig. 4 illustrates a final transformation curve of the laminate subjected to the process of the invention.
Descrizione in dettaglio di forme di realizzazione preferite dell’invenzione Detailed description of preferred embodiments of the invention
Un esempio di processo secondo l'invenzione può essere messo in opera mediante un impianto di laminazione del tipo esistente, illustrato a titolo esemplificativo nella figura 2, adatto a produrre prodotti lunghi, come barre di acciaio. An example of a process according to the invention can be implemented by means of a rolling plant of the existing type, illustrated by way of example in Figure 2, suitable for producing long products, such as steel bars.
La struttura dell’impianto di laminazione prevede la disposizione di due cassoni di raffreddamento ad acqua WB1, WB2, in inglese "waterboxes†, prima del blocco finitore FM per effettuare il raffreddamento primario e di un ulteriore waterbox WB3 a valle di detto blocco finitore per effettuare il raffreddamento secondario del laminato. Il posizionamento dei primi due waterboxes WB1, WB2 deve essere tale da consentire al laminato di entrare nel blocco finitore FM ad una predeterminata temperatura superficiale che deve essere inferiore ad un valore limite, il quale à ̈ determinato in funzione dello spessore del materiale prodotto. In una variante vantaggiosa dell’impianto sono previsti tre o più waterboxes (non illustrati) per consentire un raffreddamento più scaglionato. The structure of the lamination plant provides for the arrangement of two water-cooling tanks WB1, WB2, in English "waterboxesâ €, before the finishing block FM to carry out the primary cooling and an additional waterbox WB3 downstream of said finishing block. to carry out the secondary cooling of the laminate. The positioning of the first two waterboxes WB1, WB2 must be such as to allow the laminate to enter the finishing block FM at a predetermined surface temperature which must be lower than a limit value, which is determined in depending on the thickness of the material produced In an advantageous variant of the system, three or more waterboxes (not shown) are provided to allow more staggered cooling.
Il processo di trattamento termico dell’invenzione viene descritto in dettaglio qui di seguito. Per primo definiamo i valori determinanti per il processo dell’invenzione: Ac1 = temperatura alla quale, durante il riscaldo, inizia la formazione di austenite; Ac3 = temperatura alla quale, durante il riscaldo, termina la trasformazione della ferrite in austenite; The heat treatment process of the invention is described in detail below. First we define the determining values for the invention process: Ac1 = temperature at which, during heating, the formation of austenite begins; Ac3 = temperature at which, during heating, the transformation of ferrite into austenite ends;
Ms = temperatura alla quale, durante il raffreddamento, inizia la trasformazione dell’austenite in martensite; Ms = temperature at which, during cooling, the transformation of austenite into martensite begins;
d = diametro della barra da trattare. d = diameter of the bar to be treated.
Il processo di trattamento termico presenta un primo stadio in cui il laminato, che proviene dalla linea di produzione ad una temperatura controllata T0, viene fatto attraversare una gabbia di prefinitura PM, dalla quale il prodotto di laminazione esce ad una temperatura T,. Successivamente il laminato attraversa in successione il primo WB1 ed il secondo WB2 cassone di raffreddamento e viene introdotto nel treno finitore FM, definito anche blocco di laminazione veloce (BGV). A questo stadio il processo prevede che la temperatura di ingresso della barra nel treno finitore, definita “TinBGV†, deve avere un valore tale per cui la temperatura di uscita “T0ut BGV†non superi la temperatura Tout_max determinata dalla formula: The heat treatment process has a first stage in which the laminate, which comes from the production line at a controlled temperature T0, is made to pass through a pre-finishing stand PM, from which the lamination product exits at a temperature T. Subsequently, the laminate passes through the first WB1 and the second WB2 cooling chamber in succession and is introduced into the FM finishing train, also known as the fast rolling block (BGV). At this stage, the process requires that the inlet temperature of the bar into the finishing train, defined â € œTinBGVâ €, must have a value such that the outlet temperature â € œT0ut BGVâ € does not exceed the Tout_max temperature determined by the formula:
Tout_max = (Ac3-d°'<7>)°C. Tout_max = (Ac3-d ° '<7>) ° C.
Preferibilmente la temperatura superficiale del laminato all’ingresso del treno finitore FM à ̈ compresa nell’intervallo da 580 a 680 °C. Preferably, the surface temperature of the laminate at the entrance to the FM finishing train is included in the range from 580 to 680 ° C.
Lo stadio successivo consiste nel fare passare il laminato nel cassone di raffreddamento WB3 che porta la temperatura del laminato al valore T3prima di continuare il percorso nel dispositivo o letto di raffreddamento finale CB, in inglese “Cooling Bed†. La temperatura T3di ingresso della barra nel cassone di raffreddamento WB3 non deve superare Ad e non deve neppure scendere sotto la temperatura Ms. The next stage consists in passing the laminate through the WB3 cooling box which brings the laminate temperature to the T3 value before continuing the path in the CB final cooling device or bed, in English â € œCooling Bedâ €. The inlet temperature T3 of the bar in the cooling chamber WB3 must not exceed Ad and must not even drop below the temperature Ms.
In effetti, tutti gli stadi di raffreddamento devono essere definiti con valori tali per cui la temperatura superficiale della barra non scenda mai al di sotto della temperatura critica Ms di formazione della martensite, che à ̈ un valore dipendente dalla specifica composizione chimica dell’acciaio, a meno che il tempo tra il momento in cui avviene il primo stadio di raffreddamento nel cassone WB1 e la laminazione successiva produca una tempra parziale ad una temperatura superiore ad Ac1. Lo stadio finale di raffreddamento nel letto CB ha lo scopo di ridurre la temperatura salita durante la laminazione nel treno finitore FM per impedire che si produca un’autoricottura nella struttura dello strato superficiale del laminato. In fact, all the cooling stages must be defined with values such that the surface temperature of the bar never falls below the critical temperature Ms of martensite formation, which is a value that depends on the specific chemical composition of the steel. , unless the time between the moment in which the first cooling stage takes place in the body WB1 and the subsequent lamination produces a partial hardening at a temperature higher than Ac1. The final stage of cooling in the CB bed has the purpose of reducing the temperature which has risen during lamination in the FM finishing mill to prevent self-firing in the structure of the surface layer of the laminate.
La curva della figura 3 illustra la curva di riferimento del processo, e in cui sono mostrate separatamente le temperature in diversi punti del laminato. La curva indicata con 1 rappresenta la temperatura del cuore del laminato, la curva 2 rappresenta la temperatura media nel laminato e la curva 3 rappresenta la temperatura sulla superficie del laminato in cui sono evidenziati tre punti caratteristici della temperatura. The curve of Figure 3 illustrates the reference curve of the process, and in which the temperatures at different points of the laminate are shown separately. The curve indicated with 1 represents the core temperature of the laminate, curve 2 represents the average temperature in the laminate and curve 3 represents the temperature on the surface of the laminate in which three characteristic points of the temperature are highlighted.
La zona delle curve di temperatura indicata con A indica la caduta di temperatura superficiale del laminato nella prima sezione o cassone di raffreddamento WB1, questa caduta essendo compresa in un intervallo che va da circa 150°C a circa 500°C. The area of the temperature curves indicated by A indicates the surface temperature drop of the laminate in the first section or cooling chamber WB1, this drop being included in a range that goes from about 150 ° C to about 500 ° C.
La zona B indica l’aumento di temperatura del laminato dovuta alla deformazione di laminazione, che normalmente può assumere valori compresi nell’intervallo tra circa 20°C e circa 100°C. Zone B indicates the temperature increase of the laminate due to the lamination deformation, which can normally assume values in the range between about 20 ° C and about 100 ° C.
La zona C indica la caduta di temperatura del laminato in corrispondenza della sezione di raffreddamento finale CB, che può assumere valori tra circa 400°C e 750°C. Zone C indicates the temperature drop of the laminate in correspondence with the final cooling section CB, which can assume values between about 400 ° C and 750 ° C.
La figura 4 mostra una curva di trasformazione finale sulla quale sono indicati punti significativi del processo. In questo grafico la curva indicata con 6 rappresenta la temperatura del cuore del laminato, la curva 4 rappresenta la temperatura media nel laminato e la curva 5 rappresenta la temperatura sulla superficie del laminato. Figure 4 shows a final transformation curve on which significant points of the process are indicated. In this graph, the curve indicated by 6 represents the core temperature of the laminate, curve 4 represents the average temperature in the laminate and curve 5 represents the temperature on the surface of the laminate.
La curva 8 rappresenta l’inizio della trasformazione ferritica in presenza di gradiente di raffreddamento, le curve 9 superiore e inferiore rappresentano rispettivamente l’inizio e la fine della trasformazione perlitica in presenza di gradiente di raffreddamento, la curva 10 rappresenta l’inizio della trasformazione bainitica in presenza di gradiente di raffreddamento e le curve 11 superiore e inferiore rappresentano i limiti entro i quali avviene la trasformazione martensitica. Le curve 7 superiore e inferiore rappresentano rispettivamente la temperatura Ac3 e Ac1 , ossia l’inizio della trasformazione ferritica e perlitica in condizioni quasi statiche di raffreddamento. Curve 8 represents the beginning of the ferritic transformation in the presence of a cooling gradient, the upper and lower curves 9 represent respectively the beginning and the end of the pearlitic transformation in the presence of a cooling gradient, curve 10 represents the beginning of the bainitic transformation in the presence of a cooling gradient and the upper and lower curves 11 represent the limits within which the martensitic transformation takes place. The upper and lower curves 7 represent respectively the Ac3 and Ac1 temperatures, ie the beginning of the ferritic and pearlitic transformation in quasi-static cooling conditions.
Il punto ToutBGV indica la temperatura in superficie del laminato all’uscita dal treno finitore FM, corrispondente al valore di 782, 2°C in questo esempio, ed il punto T3indica la temperatura in superficie del laminato all’ingresso del dispositivo di raffreddamento CB, pari a 714,1 °C. The point ToutBGV indicates the surface temperature of the laminate at the exit from the FM finishing train, corresponding to the value of 782.2 ° C in this example, and the point T3 indicates the surface temperature of the laminate at the inlet of the cooling device CB, equal to 714.1 ° C.
Poiché un elemento importante dell’invenzione consiste nella laminazione delle barre mediante il treno finitore FM con una superficie sovraraffreddata nel passaggio attraverso i waterboxes WB1 e WB2, à ̈ importante predisporre un controllo della temperatura del laminato che garantisca che lo spessore superficiale sovraraffreddato abbia una dimensione compresa tra 2 e 10mm di profondità . Lo spessore esatto viene definito in funzione del diametro della barra e in funzione delle proprietà fisiche finali richieste per la barra. Since an important element of the invention consists in the lamination of the bars by means of the FM finishing train with a supercooled surface in the passage through the waterboxes WB1 and WB2, it is important to arrange a temperature control of the laminate which guarantees that the supercooled surface thickness has a dimension between 2 and 10mm deep. The exact thickness is defined as a function of the diameter of the bar and as a function of the final physical properties required for the bar.
La conseguenza sul laminato di questi stadi di laminazione del processo à ̈ quella di produrre parziali trasformazioni austenitiche che provocano una microstruttura mista aciculare ferritica/bainitica. The consequence on the laminate of these stages of lamination of the process is to produce partial austenitic transformations that cause a mixed ferritic / bainitic acicular microstructure.
Il processo di trattamento termico dell'invenzione può essere vantaggiosamente applicato a tondi nervati per cemento armato, comunemente detti in inglese rebar (=ribbed bar), o a barre e profili o acciai da costruzione in genere che vengono messi in opera nello stato crudo di laminazione cioà ̈ senza trattamenti o finiture superficiali successive. Si tratta di acciai a basso o a bassissimo tenore di carbonio, con o preferibilmente senza microelementi leganti. The heat treatment process of the invention can be advantageously applied to ribbed rods for reinforced concrete, commonly called rebar (= ribbed bar) in English, or to bars and profiles or construction steels in general that are applied in the raw rolling state. that is, without subsequent surface treatments or finishes. These are low or very low carbon steels, with or preferably without alloying trace elements.
Il principale vantaggio del processo dell’invenzione à ̈ che si può applicare sia in impianti già esistenti oppure di nuova costruzione. The main advantage of the invention process is that it can be applied both in existing or newly built plants.
Ulteriori importanti vantaggi del processo dell’invenzione sono: Additional important advantages of the invention process are:
- la possibilità di ottenere una riduzione del contenuto di manganese necessario nell’acciaio a livelli minimi, inferiori a circa lo 0,4%, poiché il rapporto UTS/YS à ̈ aumentato di valore mediante la modifica microstrutturale, e questo rapporto può raggiungere un valore superiore a 1 ,35; - the possibility of obtaining a reduction of the manganese content necessary in the steel to minimum levels, lower than about 0.4%, since the UTS / YS ratio has increased in value through the microstructural modification, and this ratio can reach a value greater than 1.35;
- l’eliminazione dei micro-elementi leganti poiché l’aumento di resistenza à ̈ ottenuto anche esso da detta modifica microstrutturale; - the elimination of the micro-alloying elements since the increase in resistance is also obtained by said microstructural modification;
- un miglioramento delle caratteristiche di resistenza alla fatica e un aumento della tenacità a bassa temperatura, dovute alla maggior finezza della microstruttura della superficie del laminato; - an improvement in the characteristics of resistance to fatigue and an increase in toughness at low temperatures, due to the greater fineness of the microstructure of the laminate surface;
- in conseguenza di tutto questo si ottiene una conseguente riduzione del costo di produzione dello stesso laminato. - as a consequence of all this, a consequent reduction in the production cost of the laminate itself is obtained.
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