余热处理高强度钢筋

2010-11-29卢彦会白占顺

中国重型装备 2010年1期

卢彦会白占顺

(1.新兴河北工程技术有限公司，河北056000；2.新兴铸管股份有限公司贸易总公司，河北056003)

钢铁材料一直是世界上大量使用的重要材料。生产性能优良并且成本低廉的钢材，是冶金行业面临的长期课题，也是冶金前沿技术发展的动力和追求的目标。控轧控冷、连铸连轧、薄带连铸等重大技术的突破和应用，都是钢铁制造行业高技术、高质量、高效益、低成本相结合的体现。在钢材生产和消费总量中，建筑用螺纹钢占有很大比重。随着建筑业的迅速发展，对热轧钢筋性能的要求越来越高[1]。螺纹钢筋为建筑工程中混凝土构件所用钢材,在国民经济建设中需用量很大[2，3]。低成本、高性能的Ⅲ级、Ⅳ级螺纹钢筋是未来建筑钢材市场争夺的焦点。

1 控冷轧制原理

新兴铸管股份有限公司轧钢部二轧车间引进了德国钢筋余热淬火设备，具备余热处理螺纹钢的设备条件。在此基础上，成功开发出穿水控冷技术关键设备和自动化闭环控制系统，对普碳钢轧制后进行余热处理，使用普碳连铸坯轧制生产HRB335、HRB400、HRB500等钢筋，且钢筋性能满足英标、美标和国际标准，获得了明显的技术经济效益。

轧钢控冷轧制虽然是引进技术，但是德方仅提供冷却管以及根据初始条件固化的控制程序，并没有提供相关理论分析计算和冷却工艺参数如何确定的资料。但随着生产工艺条件的改变，冷却工艺参数必须进行改变，因此首先必须在理论分析的基础上提出冷却模型，才能够合理确定冷却工艺参数，实现系统控制程序的自动适时控制。

控冷技术原理是利用控制冷却技术，余热处理生产高强度等级螺纹钢筋，对轧制后的钢筋，通过控制冷却来控制其相变，使其与热轧后自然冷却的钢筋相比强度更高，同时还保持良好的塑韧性。具体来说，就是通过较大的冷却强度，使钢筋表面冷却淬火，进行马氏体相变。随后利用钢筋芯部的余热，使其表面马氏体发生回火转变，生成回火马氏体或者回火索氏体，芯部在降温过程中转变为铁素体+珠光体或者铁素体+索氏体+贝氏体组织。使用这种工艺生产的钢筋，表面为高强度层，芯部具有良好的塑性和一定强度。从整体而言，钢筋既具有高强度，又具有高塑性，提高了钢材的强度等级。

穿水控冷余热处理包括三个阶段[4，5]：第一阶段为表面淬火阶段；第二阶段为自回火阶段；第三阶段为芯部组织转变阶段。

2 控冷技术数学模型

(1)传热方程

基本假设条件：

1)沿着钢筋热传导，同整体热流量相比很小，可以忽略不计；

2)冷却水温保持为恒定不变；

3)钢筋长度远远大于直径，用无限长圆柱体不稳定传热公式计算，其偏微分方程为：

式中R——钢筋半径/m；

t——传热时间/s；

r——0到R的变量(半径)/m；

t1——钢筋穿过冷却管所需的时间/s；

α——导温系数/(m2/s)，α=λ/ρc；

T——钢筋在半径r处的温度/K；

λ——导热系数/(W/m·s·℃)；

ρ——钢的密度/(kg/m3)；

c——钢的比热/(W/kg·℃)。

根据初始条件与边界条件，求出No 1段的热流量数值解，为冷却温度模型；求出No 2段的热流量数值解，为水量设定模型；求出No 3段的热流量数值解，为自回火温度模型。

(2)钢筋化学成分、自回火温度和钢筋强度

钢筋轧后余热淬火处理过程中，在钢筋各化学成分中起主导作用的是C、Mn的含量，也就是碳当量。碳不利于钢筋的韧性和可焊性，为了改善钢筋的塑性与韧性，一般需要降低钢筋的碳含量，但是，若碳含量偏低，钢筋淬透性较弱，钢筋在淬火后表面相变强化层太薄，芯部铁素体较多，甚至表层也存在铁素体，导致淬火钢筋的强度降低。反之，若碳含量偏高，钢筋淬透性增大，钢筋整个断面上将整体淬火，不利于钢筋的塑韧性。钢筋的终轧温度、冷却强度直接影响自回火温度，自回火温度不同将影响相变后钢筋截面上的组织状态，导致钢筋性能的不同。因此，钢筋化学成分和自回火温度的确定是控冷工艺正常运行的基本条件。

钢筋基本参数如下：

屈服强度σs=常数-0.52T自+220.74C％+97.30Mn％，R2=0.9016；

回火温度T自=常数+0.18T-206.80t冷，R2=0.975；

抗拉强度σb=常数-0.50T自+599.53C％+137.60Mn％，R2=0.9007。

式中R——钢筋半径/m；

T——钢筋在半径r处的温度/K；

t冷——冷却时间/s；

(3)冷却水压、冷却水量和冷却速率

冷却速率、冷却水压和冷却水量是钢筋控冷轧制中最重要的冷却工艺参数，在钢筋化学成分一定的前提下，不同的冷却速率、冷却水量和冷却水压可以生产不同强度等级的钢筋。

式中Q——冷却水量/(m3/h)；

P——冷却水压/MPa。

(4)阀门开度

阀门开度是控冷系统实时自动调节的被控制单元，以实现水量、水压的自适应调整。

式中Hub——调节阀开度(％)；

Kv——调节阀100％开度时的最大流量(m3/h)；

Kvssi——流量效率系数。

3 余热淬火工艺参数的确定

余热处理的冷却过程如图1所示。钢筋离开轧机后，通过穿水冷却系统，对钢筋表面进行短时间、高强度、高效率冷却，使钢筋表面温度迅速降至300℃左右。因为温降速度高于马氏体淬火的临界速度，在钢筋表面形成一定厚度的马氏体组织，芯部仍保持奥氏体组织。钢筋通过穿水冷却系统后进行空冷，此时由于内部热量的传导作用，淬火马氏体层被回火形成回火马氏体，芯部残余的奥氏体转变为细珠光体及细铁素体组织或珠光体组织，使钢筋具有高屈服强度和高韧性。

(1)加热炉温度

均热段温度：1 200±50℃(1 150～1 250℃)。

(2)终轧温度范围

终轧温度：1 010±40℃(970～1 050℃)，

终轧温度最佳范围：1 010～1 050℃。

(3)连铸坯化学成分范围

图1 余热处理的冷却过程Figure 1 Cooling process of residual heat treatment

钢筋的实际冷却效果及回火转变程度与冷却水的压力和流量有关，也和钢筋规格有关。同样，钢筋的性能除了和控冷效果、淬火回火转变有关外，也和化学成分有关。根据控冷数学模型，并结合标准规定，制定了各规格螺纹钢筋所对应的连铸坯化学成分，使性能、微观相变组织、控制冷却及化学成分间关系达到最优化。各规格螺纹钢筋所对应的连铸坯化学成分如表1所示。

(4)水冷工艺参数

根据控制冷却数学模型，计算出不同标准要求、不同规格和不同强度等级钢筋的水冷工艺参数。各工艺参数如表2～表6所示。