普碳钢轧制细晶_级钢筋的工艺研究

普碳钢轧制细晶 Ⅲ级钢筋的工艺研究
王晓文 , 赵德文 , 刘相华 , 王国栋
(东北大学 轧制技术及连轧自动化国家重点实验室 , 辽宁 沈阳 110004)
摘 要 : 采用控制轧制与控制冷却工艺 ,在适当调整钢坯化学成分的情况下 ,利用普碳钢轧
制出了直径为 6～10 mm 的 400 MPa 细晶粒 Ⅲ级钢筋·研究表明 ,通过复合强化 ,完全可以实现在 不添加微合金元素的情况下 ,利用普碳钢轧制出满足 GB1499298 的 Ⅲ级钢筋·利用该工艺已在国 内某厂成功轧制 Ⅲ级钢筋 3 100 余吨· 关 键 词 : 控制轧制与控制冷却 ;普碳钢 ; Ⅲ级钢筋 ;复合强化 ;强屈比
试验钢力学性能和金相检验结果如图 1～3 所示·试验结果表明 :在现有设备条件下 ,采用控 轧控冷工艺 Q235 钢筋的强度能够大幅度提高 ; 在其他参数相近情况下 ,产品规格对钢筋力学性 能影响不大 ;金相检测结果显示 ,在现有设备冷却 能力范围内 ,钢筋最终金相组织为铁素体 + 珠光 体 ;随钢筋晶粒细化其强度逐渐提高 ,但抗拉强度 没有屈服强度提高的明显·
[ 2 ] Xie S G. Devoting major efforts to application and dissemination of 400 MPa Ⅲ grade rabar [ A ] . I nternational S y m posi u m of 2003 on t he Research and A pplication of Hi gh2S t rengt h Rei nf orci ng B ar[ C ] . Hangzhou , 2003. 68 73.
图 3 试验钢金相组织 Fig. 3 Metallurgical structure s of te sted steel
(a) —正常工艺 ,晶粒尺寸 10. 9μm ,σs = 310 MPa ; (b) —第三次试验 ,晶粒尺寸 7. 6μm ,σs = 400 MPa ; (c) —第五次试验 ,晶粒尺寸 6. 9μm ,σs = 405 MPa·
表 1 试验钢力学性能 Table 3 Mechanical prop ertie s of te sted steel
序号 σs/ MPa σb/ MPa σb/σs δ10/ % Ψ/ %
1 - 1 420
580 1. 38 27. 1
60
1 - 2 430
580 1. 35 25. 7
62
钢坯出炉温度控制在 920 ±20 ℃,入精轧温 度控制在 800 ±20 ℃,吐丝后温度控制在 730 ± 20 ℃,斯太尔摩风冷线风机和喷雾冷却设备全部 开启·
2. 2 试验结果与分析 钢筋力学性能如表 1 所示·表中序号第一数
字表示生产线 , 第二数字表示试验组数 (各条线 冷却能力有所差别) ·力学性能检验结果表明 , 在调整钢坯化学成分以后 , 通过控轧控冷达到了 复合强化效果 , 钢筋的力学性能达到了 Ⅲ级钢筋 标准·
第 10 期 王晓文等 : 普碳钢轧制细晶 Ⅲ级钢筋的工艺研究
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实现了相变强化·
图 4 试验钢金相组织 (序号 224 ;晶粒尺寸 7. 12μm) Fig. 4 Metallurgical structure s of te sted steel (No . 224 , Grain size 7112μm)
3 结 论
(1) 在采用降低轧制温度 、中轧机组前增设 水箱 、精轧机组间通水和喷雾冷却等一系列控轧 控冷措施以后 ,钢筋晶粒明显细化 ,力学性能得到 明显提高·
(2) 在不添加微合金元素的情况下 ,通过调 整钢坯的化学成分和工艺 ,完全可以用普碳钢轧 制出满足 GB 1499298 的 Ⅲ级钢筋·目前已按上述 优化工艺在国内某厂实现批量生产 3 100 余 t·
60
3 - 3 425
600 1. 41 25. 7
62
取其中典型试样检验其金相 ,检验结果如图 4 所示 ,轧后钢筋的金相组织仍为铁素体 + 珠光
体·相比前几次工业试验 ,轧后钢筋的晶粒尺寸并 未进一步细化·钢筋强度的提高主要是因为钢中 C ,Mn 含量提高 ,增加了轧后钢筋的珠光体含量 ,
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轧阶段温升 ;第四次试验则在第三次基础上改变了 以往试验单线轧制方式 ,改为三线同时轧制 ;为进 一步降低轧件精轧阶段温度 ,充分利用轧机能力 , 第五次试验在第四次基础上在粗轧与中轧机组间 增设 5 # 水箱 ,以降低轧件入中轧温度 ,充分利用中 轧机组能力 ,实现全线控温轧制· 1. 2 结果与分析
结合前五次工业试验 ,在增加喷雾冷却和调 整化学成分的情况下 ,进行了一次现场试验·
2 微调成分试验
2. 1 试验材料与方法 试验采用 120 mm2 连铸方坯 , 化学成分 (质
量 分 数 , %) 为 : C 0125 , Si 0133 , Mn 0172 , P 01014 ,S 01009·产品规格为 Ф615 mm·
[ 4 ] Dong H , Liu Q Y , Ultrafine grained steels and t heir characteristics [ A ] . Second I nternational Conf erence on A dvanced S t ruct ural S teels[ C] . Shanghai , 2004. 47 - 59.
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东北大学学报 (自然科学版) 第 26 卷
图 2 试验钢强屈比与晶粒尺寸 Fig. 2 The ratio of tensile strength to yield strength
and grain size of te sted steel
由试验结果可以看出 ,采用控轧控冷工艺后 , 钢筋的力学性能比正常轧制虽有大幅度提高 ,但 钢筋的强度特别是抗拉强度相比 Ⅲ级钢筋标准仍
1 Q235 钢工业试验
1. 1 试验材料 考虑到现场实际情况 ,前五次工业试验采用
工厂 常 用 坯 料 , 化 学 成 分 ( 质 量 分 数 , %) 为 : C 0118～ 0121 , Si 0119 ～ 0128 , Mn 0149 ～ 0152 , P 01014～01019 ,S 01013～01027·
[ 3 ] 张永权 ,杨才福 ,柳书平·经济型建筑用 Ⅲ级钢筋的研究[J ]· 钢铁 , 2000 ,35 (1) :43 - 46· ( Zhang Y Q , Yang C F , Liu S P. Study on economical grade Ⅲ reinforcing bars for building[J ] . I ron and S teel , 2000 ,35 (1) :43 - 46. )
1 - 3 425
580 1. 36 25. 7
62
2 - 2 430
590 1. 37 24. 3
60
2 - 3 445
605 1. 36 25. 7
60
2 - 4 450
620 1. 38 25. 7
60
3 - 1 415
590 1. 42 25. 7
62
3 - 2 420
600 1. 43 25. 7
图 1 试验钢延伸率与屈服强度 Fig. 1 Elongation and yield strength of te sted steel
收稿日期 : 2004212217 基金项目 : 国家高技术研究发展计划项目 (2001AA332020) · 作者简介 : 王晓文(1979 - ) ,男 ,山东威海人 ,东北大学博士研究生 ; 赵德文 (1946 - ) ,男 ,辽宁法库人 ,东北大学教授 ; 刘相华 (1953
第26卷第10期 2 0 0 5 年 10 月
东北大学学报 (自然科学版) Journal of Nort heastern U niversity (Nat ural Science)
文章编号 : 100523026 (2005) 1020979203
Vol126 ,No . 10 Oct . 2 0 0 5
中图分类号 : T G 335 文献标识码 : A
2002 年 4 月 1 日 ,建设部将 400 M Pa Ⅲ级热 轧带肋钢筋纳为混凝土结构中的主导钢筋 ,这标 志着 Ⅲ级钢筋的推广应用进入一个新的阶段[1 ]·
目前国内生产 Ⅲ级钢筋的主要方法是微合金 化法[2 ,3 ]·由于钢中添加了微合金 ,不可避免地提 高了生产成本·为降低生产成本 ,提高经济效益 , 国内许多单位开始研究在不添加微合金元素的情 况下利用普碳钢轧制 Ⅲ级钢筋[4 ] ·本文针对国内 某厂实际情况 ,通过调整工艺 ,实现了用普碳钢轧 制 Ⅲ级钢筋的目标 ,目前已批量生产 Ⅲ级热轧带 肋钢筋 3 100 余 t·
- ) ,男 ,黑龙江双鸭山人 ,东北大学教授 ,博士生导师 ; 王国栋(19422) ,男 ,辽宁大连人 ,东北大学教授 ,博士生导师·
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(3) 对于金相组织为铁素体 + 珠光体类型的 钢筋来说 ,虽然晶粒细化可以明显提高钢筋的强 度 ,但晶粒过细容易导致钢筋的强屈比不合格·因 此 ,普碳钢生产 Ⅲ级钢筋时 ,除细晶强化外 ,还应
利用其他强化方式以保证钢筋的抗震性能·
参考文献 :
[ 1 ] 徐寅·我国 400 MPa 热轧带肋钢筋应用现状和发展建议[J ]· 轧钢 , 2002 ,19 (4) :3 - 6· ( Xu Y. Current application situation of 400MPa hot rolled ribbed bar in China and some suggestions for its development [J ] . S teel Rolli ng , 2002 ,19 (4) :3 - 6. )
响非常明显[9 ] ,这使得铁素体 + 珠光体钢中的软 相铁素体和硬相珠光体之间的屈服强度差别变 小 ,当细化的铁素体晶粒屈服的时候 ,作为硬相的 珠光体也随即发生塑性变形 ,不能作为硬相承担 软相处传递来的应力集中 ,也不能使应力集中得 到松弛 ,钢筋的加工硬化能力变弱 ,强屈比也随之 降低·因此 ,要达到目标 ,必须提高钢中的碳当量 , 以增加钢筋中珠光体含量·由于钢筋相变过程主 要集中在斯太尔摩风冷线上 ,为控制其相变过程 , 决定在吐丝机和斯太尔摩冷却辊道间增加一段喷 雾冷却装置·
钢筋控轧控冷关键是控制轧制过程特别是精 轧阶段轧件温度和轧后冷却强度[ 5 ]·为确定不同参 数对钢筋性能的影响和现场设备能力 ,前五次工业 试验分别采取了不同的工艺 :第一次试验比正常工 艺降低了钢坯开轧温度并加大了轧后冷却强度和 斯太尔摩风冷线冷却强度 ;第二次在第一次基础上 改变了产品规格 (直径 8 mm 降至 615 mm) ;第Baidu Nhomakorabea次 试验在第二次基础上精轧机架间通水冷却抑制精
[ 5 ] Liu X H , Wang G D , Du L X. New generation plain steel in China —present situation and development foreground [ A ] . Proceedi ng of S y m posi u m on Develop ment of A dvanced S teels [ C] . Shenyang : State Key Lab of Rolling and Automation , 2003. 1 - 7.
有一定差距·要想通过细化晶粒提高钢筋强度 ,必 须进一步降低钢筋轧制温度或轧后冷却强度 ,但
现场设备不允许·此外 , Ⅲ级钢筋的强屈比必须大 于 1125·但从试验结果可以看出 ,随着晶粒尺寸 的减小 ,钢筋的强屈比也会随之降低·这是因为对 于铁素体 + 珠光体型钢来说 ,屈服强度主要取决 于钢中软相铁素体的强度 ,而抗拉强度则取决于 硬相珠光体的强度[6～8 ]·由 Hall2Petch 公式可知 , 在试验范围内 ,铁素体晶粒尺寸对钢屈服强度影