专利名称：高强度带肋钢筋轧后超快速冷却生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于通过变形后再进行热处理来改变混凝土钢筋物理性能的技术领域。
背景技术：
钢筋混凝土用热轧带肋钢筋是我国产量最大的钢材品种之一。按中华人民共和国国家标准(简称国标)，其牌号由HRB和该牌号钢材的屈服点最小值(MPa)构成。HRB为热轧带肋钢筋(Hot rolled Ribbed Bars)英文缩写的首位字母，共有HRB335、HRB400和HRB500三个牌号。由于现代化建设事业的发展，市场对带肋钢筋的需求量持续增长，到2004年其总产量已达到7000万吨以上，是同期日本和美国产量的几倍。我国钢产量的迅速增长导致了资源不足，这造成原料价格上涨，进而又导致钢材价格激烈上扬。解决的办法只能是2005年国家出台的《钢铁产业发展政策》第八条所指出的要求着力提高钢材使用效率，而发展高强度带肋钢筋则是最有效的办法之一。
我国目前生产高强度带肋钢筋的常见工艺是采用V、Nb和Ti使钢材微合金化。由于产量迅猛增加，也使V，Nb资源供应出现严重短缺，2005年与2002年相比较，钒铁和铌铁等中间合金的价格涨了8-10倍，并且难以买到。从世界范围V的总储量和总产量来看，如果我国的高强度带肋钢筋继续采用V微合金化工艺，全世界的V都供不应求。Nb我国也要依赖从国外进口，因此如要用微合金化工艺发展高强度带肋钢筋，将使我国的钢铁工业的发展遭遇到资源瓶颈。
国外，特别是欧美各厂家，其高强度带肋钢筋的生产普遍采用余热淬火工艺。该工艺是在带肋钢筋热轧后利用余热进行淬火—自回火处理，使钢筋得到表面回火马氏体或回火索氏体组织；同时，钢筋心部也由于淬火时冷却速度较快，组织中铁素体较少，珠光体较多，从而使钢筋的强度增大。而我国用户对用该工艺生产的产品性能的评价是其钢材的可焊性变差，抗拉强度与屈服点之比(简称强屈比)低、低温冲击韧性下降，这样的钢筋显然其抗地震性能较差。中国、日本和韩国同处于地震多发地带上，故我国家标准与日、韩相近，对强屈比的要求比欧美高，因而余热淬火工艺也不适宜在我国推广。
发明内容
考虑到我国发展高强度带肋钢筋生产的特殊性，希望在现有的普碳钢和20MnSi钢的基础上，通过改变热处理方式控制钢中的显微组织、结构以提高生产品的性能，从而实现生产超级热轧带肋钢筋的目标。
本发明提出了一种高强度带肋钢筋轧后超快速冷却生产工艺，包括钢筋热轧和热轧后的余热处理，其特征在于在热轧后的余热处理时采用超快速冷却技术，以大于700℃/秒的冷却速度，使钢筋从1020℃～1150℃终冷至480～720℃，让钢筋中的奥氏体晶粒不至长大并迅速转变成晶粒度为11～12级(ASTM微观晶粒度级别)细小的铁素体/珠光体组织。
用本发明的超快冷却技术生产高强度带肋钢筋的原理是钢筋(棒材)热轧时，在再结晶温区经高速连轧使其中的奥氏体组织承受反复的强烈变形，利用轧制过程动态再结晶强化机制从而形成均匀的晶粒尺寸很小的奥氏体再结晶晶粒。对上述奥氏体施以高速率的强化冷却，在很短时间内将奥氏体迅速冷却到相变温度附近，进行热轧加工硬化的“冻结”。从而有效地抑制了相变前的奥氏体晶粒长大。在随后的空冷条件下细小的奥氏体晶粒转变为晶粒适度大小的铁素体/珠光体组织。
本发明的技术关键在于(1)冷却时间要短。对直径Φ22mm以下规格的带肋钢筋，冷却时间应小于0.4秒；Φ22mm以上规格的带肋钢筋，冷却时间应小于0.8秒。
(2)冷却速率要快。其降温速度应大于700℃/秒。
(3)严格控制终冷温度。当轧件在冷床时，应保证在再结晶温度附近，避免钢筋表面形成淬火回火组织。
采用本发明的方法可以达到如下几个目标，即(1)以普通碳素钢为原料可轧制出国标HRB335牌号的热轧带肋钢筋；(2)以20MnSi钢为原料可热轧生产国标HRB400，日标(JIS)SD390和英标(BSI)Gr460牌号热轧带肋钢筋；(3)在20MnSi或20Mn钢中加入微量的V、Nb或Ti，可轧制出国标HRB500牌号热轧带肋钢筋。
使用本发明的超快速冷却技术生产高强度带肋钢筋，其工艺具有下述优点(1)保持连轧机高速轧制、高产、高效率的优势和小规格切分轧制的特点。对轧制操作不作改变、工艺参数未予变动，对现有轧制设备的电机功率和轧机强度也无特殊的要求。
(2)采用超快速冷却技术，减少了冷却时间，面对国内实际产量明显高于设计能力的棒材生产线现实状况，可以解决冷床面积不足的问题，提高产量。
(3)由于超快速降温，减少了钢筋在冷床上的表面氧化，钢筋的表面和耐锈蚀性较常规连轧工艺有明显的提高。降低了轧件打捆时的温度，其应力时效通常小于常规工艺所生产的产品。
(4)可以不添加微合金元素即能提高钢筋的牌号和各项性能指标，有效地降低了生产成本。
(5)采用特殊设计的专用冷却线其总长度小于13米，设备投资小。
总之，本发明的生产高强度带肋钢筋工艺的推广应用，具有“四不两提高”的特点，“四不”为1)不需改造主设备；2)不降低作业效率；3)不低温轧制；4)不用余热淬火。“两提高”为1)提高产量；2)提高产品质量。
具体实施例方式
下面结合具体实施例对本发明内容作出进一步的补充和说明。
实施例1用普通碳素钢轧制Φ14mm的HRB335钢筋采用化学成分为0.20％C，0.45％Si，0.75％Mn，0.030％P及0.043％S的普碳钢作原料，以18架全连续式轧机，其中粗轧机组6架，中轧机组6架，精轧机组使用6架，每架轧机轧制1道次。坯料为150mm方坯，开轧温度1080℃，经过轧制，轧件在精轧出口处的温度在1050℃左右，采用二切分轧制。
轧件随后进入到冷却器中进行冷却，冷却器由7节组成，根据产品规格调整冷却器开启的节数为3节。成品轧机的轧制速度为15.0m/s，以0.5秒的瞬间通过冷却器，轧件在冷却器出口处温度为720℃左右。本发明的冷却器具有很高的冷却能力，其冷却速率大于700℃/s，实现轧件超快速冷却。
轧件到达冷床，由于表面温度相对较低而芯部的温度较高，出现表面返热现象，表面返热温度在810℃左右。随后轧件在冷床上移动，温度逐渐降低，直至冷却到室温状态。
在室温状态下对带肋钢筋的各项性能指标进行检验，其延伸率为29％，屈服强度为405MPa，抗拉强度为545MPa，强屈比为1.34，弯曲检验其表面无裂纹，经过组织检验，其边部的晶粒度为12.1级，心部的晶粒度为11.4级，晶粒得到了充分的细化，金相组织为片状珠光体+铁素体。结果表明，产品的各项性能指标全面满足国家标准GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》对HR335牌号钢筋的性能要求。
实施例220MnSi钢轧制Φ25mm的HRB400钢筋采用20MnSi钢作原料，钢材的化学成分为0.18～0.23％C，0.45～0.65％Si，1.2～1.58％Mn，P及S含量＜0.045％。采用全连续式轧机，共使用14架。其中粗轧机组6架，中轧机组6架，精轧机组使用2架，每架轧机轧制1道次。坯料为150mm方坯，开轧温度1100℃，经过轧制，轧件在精轧出口处的温度在10.50℃左右。
轧件随后进入到冷却器中进行冷却，冷却器由7节组成，根据产品规格调整冷却器开启的节数为4节。成品轧机的轧制速度为14.5m/s，以0.8秒的时间通过冷却器，轧件在冷却器出口处温度为650℃左右。本发明的冷却器具有很高的冷却能力，其冷却速率大于800℃/s，实现轧件超快速冷却。
轧件到达冷床，由于表面温度相对较低而芯部的温度较高，出现表面返热现象，表面返热温度在850℃左右。随后轧件在冷床上移动，温度逐渐降低，直至冷却到室温状态。
在室温状态下对带肋钢筋的各项性能指标进行检验，其延伸率为22～27％，屈服强度为430～480MPa，抗拉强度为580～640MPa，强屈比为1.31～1.40，弯曲检验其表面无裂纹。结果表明，产品的各项性能指标全面满足国家标准GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》对HRB400牌号的钢筋的性能要求。
实施例3用20MnSiV钢轧制Φ16mm的HRB500钢筋采用化学成分为0.22～0.24％C，0.50～0.80％Si，1.3～1.58％Mn，P及S含量＜0.040％。0.05～0.06％V的20MnSiV作原料，采用全连续式轧机，共使用16架。其中粗轧机组6架，中轧机组6架，精轧机组使用4架，每架轧机轧制1道次。坯料为170mm方坯，开轧温度1070℃，经过轧制，轧件在精轧出口处的温度在1050℃左右。
轧件随后进入到冷却器中进行冷却，冷却器由7节组成，根据产品规格调整冷却器开启的节数为4节。成品轧机的轧制速度为14.0m/s，以0.5秒的时间通过冷却器，轧件在冷却器出口处温度为645℃左右。本发明的冷却器具有很高的冷却能力，其冷却速率大于800℃/s，实现轧件超快速冷却。
轧件到达冷床，由于表面温度相对较低而芯部的温度较高，出现表面返热现象，表面返热温度在826℃左右。随后轧件在冷床上移动，温度逐渐降低，直至冷却到室温状态。
在室温状态下对带肋钢筋的各项性能指标进行检验，其延伸率为20～24％，屈服强度为525～535MPa，抗拉强度为645～660MPa，强屈比为1.28～1.35，弯曲检验其表面无裂纹。结果表明，产品的各项性能指标全面满足国家标准GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》对HRB500牌号钢筋的性能要求。
实施例4采用20MnSi钢轧制Φ20mm的日标(JIS)出口钢筋SD390采用化学成分为0.20％C，0.55％Si，1.28％Mn，P及S含量＜0.040％的20MnS作原料，采用全连续式轧机，共使用16架。其中粗轧机组6架，中轧机组6架，精轧机组使用4架，每架轧机轧制1道次。坯料为150mm方坯，开轧温度1085℃，经过轧制，轧件在精轧出口处的温度在1049℃左右。
轧件随后进入到冷却器中进行冷却，冷却器由7节组成，根据产品规格调整冷却器开启的节数为5节。成品轧机的轧制速度为13.5m/s，以0.5秒的时间通过冷却器，轧件在冷却器出口处温度为685℃左右。本发明的冷却器具有很高的冷却能力，其冷却速率大于800℃/s，实现轧件超快速冷却。
轧件到达冷床，由于表面温度相对较低而芯部的温度较高，出现表面返热现象，表面返热温度在835℃左右。随后轧件在冷床上移动，温度逐渐降低，直至冷却到室温状态。
在室温状态下对带肋钢筋的各项性能指标进行检验，其延伸率为25～31％，屈服强度为435MPa，抗拉强度为590MPa，强屈比为1.35，弯曲检验其表面无裂纹。结果表明，产品的各项性能指标满足日本标准JIS对SD390出口日标带肋钢筋的性能要求。
实施例5采用20MnSi钢轧制Φ18mm的英标出口(BSI)钢筋Gr460采用化学成分为0.19～0.23％C，0.48～0.62％Si，1.25～1.55％Mn，P及S含量＜0.035％的20MnSi作原料，采用全连续式轧机，共使用16架。其中粗轧机组6架，中轧机组6架，精轧机组使用4架，每架轧机轧制1道次。坯料为150mm方坯，开轧温度1100℃，经过轧制，轧件在精轧出口处的温度在1040℃左右。
轧件随后进入到冷却器中进行冷却，冷却器由7节组成，根据产品规格调整冷却器开启的节数为5节。成品轧机的轧制速度为13.2m/s，以0.5秒的时间通过冷却器，轧件在冷却器出口处温度为480℃左右。本发明的冷却器具有很高的冷却能力，其冷却速率大于800℃/s，实现轧件超快速冷却。
轧件到达冷床，由于表面温度相对较低而芯部的温度较高，出现表面返热现象，表面返热温度在634℃左右。随后轧件在冷床上移动，温度逐渐降低，直至冷却到室温状态。
在室温状态下对带肋钢筋的各项性能指标进行检验，其延伸率为22～25％，屈服强度为505～520MPa，抗拉强度为655～670MPa，强屈比为1.28～1.35，表层为回火马氏体组织，心部为珠光体+铁素体，弯曲检验其表面无裂纹。结果表明，产品的各项性能指标满足英国标准(BSI)BS4449中的Gr460牌号相应的要求。
权利要求
1.一种高强度带肋钢筋轧后超高速冷却生产工艺，包括钢筋热轧和热轧后的余热处理，其特征在于在热轧后的余热处理时采用超快速冷却技术，以大于700℃/秒的冷却速率在1秒钟内将钢筋终冷至480～720℃，使钢筋的奥氏体组织迅速转变为晶粒度11～12级的铁素体/珠光体组织。
2.按权利要求1所述的高强度带肋钢筋轧后超高速冷却生产工艺，其特征在于所说在1秒钟内使钢筋冷至480～720℃，冷却时间对于Φ22mm以下的钢筋来说应小于0.4秒。
3.按权利要求1所述的高强度带肋钢筋轧后超高速冷却生产工艺，其特征在于所说的在1秒钟内使钢筋冷至480～720℃，冷却时间对于Φ22mm以上的钢筋来说应小于0.8秒。
全文摘要
本发明提出了一种高强度带肋钢筋轧后快速冷却生产工艺，包括钢轧热轧和热轧后的余热处理，其特征在于在热轧后的余热处理时采用超快速冷却技术，以大于700℃/秒的冷却速率在1秒钟内将钢筋终冷至480～720℃，使钢筋的奥氏体组织迅速转变为晶粒度11－12级的铁素体/珠光体组织。上述冷却时间对于Φ22mm以下的钢筋应小于0.4秒；对于Φ22mm以上的钢筋则应小于0.8秒。采用本发明的工艺可以(1)用低碳钢轧制出国标HRB335号的带肋钢筋；(2)用20MnSi钢可轧制出国标HRB400，日标SD390和英标Gr460号的带肋钢筋；而(3)用加入微量合金V、Nb和Ti的20Mn和20MnSi钢可轧制出国标HRB500号带肋钢筋。故本发明的工艺推广应用后具有极大的社会效益和经济效益。
文档编号C21D8/08GK1718770SQ20051004682
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月7日 优先权日2005年7月7日
发明者吴迪, 王国栋, 赵宪明, 杜林秀, 刘相华 申请人:东北大学