余熱處理高強(qiáng)度鋼筋

盧彥會(huì) 白占順

(1.新興河北工程技術(shù)有限公司，河北056000；2.新興鑄管股份有限公司貿(mào)易總公司，河北056003)

鋼鐵材料一直是世界上大量使用的重要材料。生產(chǎn)性能優(yōu)良并且成本低廉的鋼材，是冶金行業(yè)面臨的長(zhǎng)期課題，也是冶金前沿技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力和追求的目標(biāo)?？剀埧乩?、連鑄連軋、薄帶連鑄等重大技術(shù)的突破和應(yīng)用，都是鋼鐵制造行業(yè)高技術(shù)、高質(zhì)量、高效益、低成本相結(jié)合的體現(xiàn)。在鋼材生產(chǎn)和消費(fèi)總量中，建筑用螺紋鋼占有很大比重。隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)熱軋鋼筋性能的要求越來越高[1]。螺紋鋼筋為建筑工程中混凝土構(gòu)件所用鋼材,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中需用量很大[2，3]。低成本、高性能的Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)螺紋鋼筋是未來建筑鋼材市場(chǎng)爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)。

1 控冷軋制原理

新興鑄管股份有限公司軋鋼部二軋車間引進(jìn)了德國(guó)鋼筋余熱淬火設(shè)備，具備余熱處理螺紋鋼的設(shè)備條件。在此基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出穿水控冷技術(shù)關(guān)鍵設(shè)備和自動(dòng)化閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)普碳鋼軋制后進(jìn)行余熱處理，使用普碳連鑄坯軋制生產(chǎn)HRB335、HRB400、HRB500等鋼筋，且鋼筋性能滿足英標(biāo)、美標(biāo)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，獲得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。

軋鋼控冷軋制雖然是引進(jìn)技術(shù)，但是德方僅提供冷卻管以及根據(jù)初始條件固化的控制程序，并沒有提供相關(guān)理論分析計(jì)算和冷卻工藝參數(shù)如何確定的資料。但隨著生產(chǎn)工藝條件的改變，冷卻工藝參數(shù)必須進(jìn)行改變，因此首先必須在理論分析的基礎(chǔ)上提出冷卻模型，才能夠合理確定冷卻工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制程序的自動(dòng)適時(shí)控制。

控冷技術(shù)原理是利用控制冷卻技術(shù)，余熱處理生產(chǎn)高強(qiáng)度等級(jí)螺紋鋼筋，對(duì)軋制后的鋼筋，通過控制冷卻來控制其相變，使其與熱軋后自然冷卻的鋼筋相比強(qiáng)度更高，同時(shí)還保持良好的塑韌性。具體來說，就是通過較大的冷卻強(qiáng)度，使鋼筋表面冷卻淬火，進(jìn)行馬氏體相變。隨后利用鋼筋芯部的余熱，使其表面馬氏體發(fā)生回火轉(zhuǎn)變，生成回火馬氏體或者回火索氏體，芯部在降溫過程中轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體或者鐵素體+索氏體+貝氏體組織。使用這種工藝生產(chǎn)的鋼筋，表面為高強(qiáng)度層，芯部具有良好的塑性和一定強(qiáng)度。從整體而言，鋼筋既具有高強(qiáng)度，又具有高塑性，提高了鋼材的強(qiáng)度等級(jí)。

穿水控冷余熱處理包括三個(gè)階段[4，5]：第一階段為表面淬火階段；第二階段為自回火階段；第三階段為芯部組織轉(zhuǎn)變階段。

2 控冷技術(shù)數(shù)學(xué)模型

(1)傳熱方程

基本假設(shè)條件：

1)沿著鋼筋熱傳導(dǎo)，同整體熱流量相比很小，可以忽略不計(jì)；

2)冷卻水溫保持為恒定不變；

3)鋼筋長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于直徑，用無限長(zhǎng)圓柱體不穩(wěn)定傳熱公式計(jì)算，其偏微分方程為：

式中R——鋼筋半徑/m；

t——傳熱時(shí)間/s；

r——0到R的變量(半徑)/m；

t1——鋼筋穿過冷卻管所需的時(shí)間/s；

α——導(dǎo)溫系數(shù)/(m2/s)，α=λ/ρc；

T——鋼筋在半徑r處的溫度/K；

λ——導(dǎo)熱系數(shù)/(W/m·s·℃)；

ρ——鋼的密度/(kg/m3)；

c——鋼的比熱/(W/kg·℃)。

根據(jù)初始條件與邊界條件，求出No 1段的熱流量數(shù)值解，為冷卻溫度模型；求出No 2段的熱流量數(shù)值解，為水量設(shè)定模型；求出No 3段的熱流量數(shù)值解，為自回火溫度模型。

(2)鋼筋化學(xué)成分、自回火溫度和鋼筋強(qiáng)度

鋼筋軋后余熱淬火處理過程中，在鋼筋各化學(xué)成分中起主導(dǎo)作用的是C、Mn的含量，也就是碳當(dāng)量。碳不利于鋼筋的韌性和可焊性，為了改善鋼筋的塑性與韌性，一般需要降低鋼筋的碳含量，但是，若碳含量偏低，鋼筋淬透性較弱，鋼筋在淬火后表面相變強(qiáng)化層太薄，芯部鐵素體較多，甚至表層也存在鐵素體，導(dǎo)致淬火鋼筋的強(qiáng)度降低。反之，若碳含量偏高，鋼筋淬透性增大，鋼筋整個(gè)斷面上將整體淬火，不利于鋼筋的塑韌性。鋼筋的終軋溫度、冷卻強(qiáng)度直接影響自回火溫度，自回火溫度不同將影響相變后鋼筋截面上的組織狀態(tài)，導(dǎo)致鋼筋性能的不同。因此，鋼筋化學(xué)成分和自回火溫度的確定是控冷工藝正常運(yùn)行的基本條件。

鋼筋基本參數(shù)如下：

屈服強(qiáng)度σs=常數(shù)-0.52T自+220.74C％+97.30Mn％，R2=0.9016；

回火溫度T自=常數(shù)+0.18T-206.80t冷，R2=0.975；

抗拉強(qiáng)度σb=常數(shù)-0.50T自+599.53C％+137.60Mn％，R2=0.9007。

式中R——鋼筋半徑/m；

T——鋼筋在半徑r處的溫度/K；

t冷——冷卻時(shí)間/s；

(3)冷卻水壓、冷卻水量和冷卻速率

冷卻速率、冷卻水壓和冷卻水量是鋼筋控冷軋制中最重要的冷卻工藝參數(shù)，在鋼筋化學(xué)成分一定的前提下，不同的冷卻速率、冷卻水量和冷卻水壓可以生產(chǎn)不同強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋。

式中Q——冷卻水量/(m3/h)；

P——冷卻水壓/MPa。

(4)閥門開度

閥門開度是控冷系統(tǒng)實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)的被控制單元，以實(shí)現(xiàn)水量、水壓的自適應(yīng)調(diào)整。

式中Hub——調(diào)節(jié)閥開度(％)；

Kv——調(diào)節(jié)閥100％開度時(shí)的最大流量(m3/h)；

Kvssi——流量效率系數(shù)。

3 余熱淬火工藝參數(shù)的確定

余熱處理的冷卻過程如圖1所示。鋼筋離開軋機(jī)后，通過穿水冷卻系統(tǒng)，對(duì)鋼筋表面進(jìn)行短時(shí)間、高強(qiáng)度、高效率冷卻，使鋼筋表面溫度迅速降至300℃左右。因?yàn)闇亟邓俣雀哂隈R氏體淬火的臨界速度，在鋼筋表面形成一定厚度的馬氏體組織，芯部仍保持奧氏體組織。鋼筋通過穿水冷卻系統(tǒng)后進(jìn)行空冷，此時(shí)由于內(nèi)部熱量的傳導(dǎo)作用，淬火馬氏體層被回火形成回火馬氏體，芯部殘余的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)珠光體及細(xì)鐵素體組織或珠光體組織，使鋼筋具有高屈服強(qiáng)度和高韌性。

(1)加熱爐溫度

均熱段溫度：1 200±50℃(1 150～1 250℃)。

(2)終軋溫度范圍

終軋溫度：1 010±40℃(970～1 050℃)，

終軋溫度最佳范圍：1 010～1 050℃。

(3)連鑄坯化學(xué)成分范圍

圖1 余熱處理的冷卻過程Figure 1 Cooling process of residual heat treatment

鋼筋的實(shí)際冷卻效果及回火轉(zhuǎn)變程度與冷卻水的壓力和流量有關(guān)，也和鋼筋規(guī)格有關(guān)。同樣，鋼筋的性能除了和控冷效果、淬火回火轉(zhuǎn)變有關(guān)外，也和化學(xué)成分有關(guān)。根據(jù)控冷數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，制定了各規(guī)格螺紋鋼筋所對(duì)應(yīng)的連鑄坯化學(xué)成分，使性能、微觀相變組織、控制冷卻及化學(xué)成分間關(guān)系達(dá)到最優(yōu)化。各規(guī)格螺紋鋼筋所對(duì)應(yīng)的連鑄坯化學(xué)成分如表1所示。

(4)水冷工藝參數(shù)

根據(jù)控制冷卻數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出不同標(biāo)準(zhǔn)要求、不同規(guī)格和不同強(qiáng)度等級(jí)鋼筋的水冷工藝參數(shù)。各工藝參數(shù)如表2～表6所示。

表 1 各規(guī)格螺紋鋼筋所對(duì)應(yīng)的連鑄坯化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)

表 2 HRB335，SD345，BSt420s，Gr.40標(biāo)準(zhǔn)

表 3 HRB400，SD390，BSt500s標(biāo)準(zhǔn)

表 4 HRB500，SD490，ASTM Gr.40標(biāo)準(zhǔn)

表 5 BS4449 Gr.460標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

鋼筋軋后余熱控冷處理技術(shù)是一項(xiàng)能夠有效提高螺紋鋼筋性能的措施，具有性能穩(wěn)定、成本低廉和效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。冷卻數(shù)學(xué)模型的建立，能夠保證控制冷卻工藝參數(shù)的準(zhǔn)確性和靈活性。與引進(jìn)的原閉環(huán)控制控冷工藝相比較，具有以下特點(diǎn)：

表6 ASTM Gr.75標(biāo)準(zhǔn)

(1)冷卻強(qiáng)度可以隨終軋速度的變化而變化，不會(huì)因?yàn)榻K軋速度變化而導(dǎo)致鋼筋冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)或縮短，從而導(dǎo)致鋼筋性能的變化；

(2)冷卻強(qiáng)度可以隨鋼筋化學(xué)成分的變化而變化，鋼筋化學(xué)成分變化時(shí)，程序自動(dòng)進(jìn)行冷卻參數(shù)調(diào)整，保證最終鋼筋性能穩(wěn)定；

(3)所有的冷卻控制工藝參數(shù)，將根據(jù)不同的生產(chǎn)條件(終軋溫度的變化、速度的變化、自回火溫度的變化等)進(jìn)行邏輯分析，推導(dǎo)得出控冷工藝參數(shù)，切實(shí)根據(jù)生產(chǎn)條件適時(shí)調(diào)整控冷工藝參數(shù)，生產(chǎn)性能合格穩(wěn)定的鋼筋；

(4)根據(jù)不同的生產(chǎn)條件，冷卻程序具有可移植性。

[1]張克球，王世亮. 混凝土用鋼材生產(chǎn)使用現(xiàn)狀及展望.鋼鐵增刊，1999：959-962.

[2]于漫子. 20MnSi熱軋螺紋鋼筋性能的提高.本科冶金高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，4(2)：31-33.

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