熱軋鋼筋生產技術教材(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 加熱冷卻過程中影響晶粒成核和晶界遷移來影響晶粒尺寸。 含鈦鋼的晶粒長大溫度最高，依次為鈮、鋁及釩。但是從加入量講，在控軋和正火鋼中，鈮含量比較低，即鈮對晶粒細化的獨特影響表現在它對奧氏體再結晶有強烈的延遲作用，0．03％鈮即可將完全再結晶所需的最低溫度提高到950℃左右，從而顯著降低控軋對軋機負荷的要求。 (2)析出強化。微合金元素中僅鈮、釩、鈦有析出強化作用。鈮的強度增量主要靠晶粒細化(G)，而且在0．04％以下增加很快。而釩的強度增量主要靠析出強化(P)，晶粒細化的分量很小。鈦的作用居中，特點是0．08％以下主要靠晶粒細化，超過0．08％析出強化起主要作用。由于晶粒細化能降低脆性轉折溫度，而析出強化提高脆性轉折溫度，綜合影響的結果是，鈮在0．03％．0．04％以下，鈦在0．08％以下降低脆性轉折溫度，但是釩不論含量多少都將提高脆性轉折溫度。 (3)組織強化。微合金元素影響奧氏體轉變可以通過多種途徑。如果合金元素在奧氏體中處于固溶狀態，則如許多其他合金元素一樣會延遲奧氏體轉變。有時雖然數量很低，但作用很大。例如硼所起的通過抑制在奧氏體晶界上的形核而延遲轉變。0．002％硼就足以使轉變由鐵素體移至貝氏體區。但是如果微合金元素形成質點在奧氏體中析出，則由于加速形核而對奧氏體轉變起相反的作用。 581．微合金化元素鈮、釩、鈦各有什么特點? 微合金化是少量添加某些元素，通過沉淀硬化或鐵素體晶粒細化來增加強度。用來產生這種效應的元素包括鈦、鈮和釩。這三種元素都可產生所希望的強化效果，但由于他們的機制不同，所采用的工藝也不相同。 鈦：鈦最易氧化，在脫氧和連鑄過程中應加以注意。世界上大多數鋼筋的制造用硅錳鋼連鑄。鈦回收率很不穩定，而且可能發生流程阻斷問題。原因是在鋼從鋼水包到鑄造模具的澆鑄過程中鈦的再氧化。另外，鈦在再加熱過程中必須處于溶解狀態以便在軋制過程中沉淀為TiC質點以產生沉淀強化。但是由于鈦與氮、硫更易結合，TiC沉淀作用可能會減弱。 鈮：鈮的作用通常是作為低碳鋼微合金化元素，它也是工藝過程中各種變量的函數。微合金化鋼強度的變化是在各種溫度下合金溶解量的直接結果。1150～1250℃是軋制鋼筋的正常再加熱溫度，再加熱溫度的少量變動就會影響含鈮熱軋鋼筋的最后性能。 鈮通過細化鐵素體晶粒尺寸，起到強化作用。通過以低于再結晶停止溫度進行終軋來完成。這一工藝又稱為正火控制軋制。這種控制軋制工藝很難在現代高速軋機上實施，因為在軋制過程中對平衡鋼筋溫度的時間有要求。它還要求在軋機系統增加額外水冷能力。 釩：與鈦相比，釩的氮化可能性低，所以釩回收率穩定而且可預測。軋制工藝與軋制普碳鋼鋼筋沒有根本變化。正常再加熱溫度(1150—1250℃)足以使釩處于溶解狀態?？梢允褂谜＼堉茰囟?，因為釩的碳氮化物的沉淀強化發生在奧氏體轉化為鐵素體／珠光體的相變過程之中或之后。 釩的另一個優點是對氮有較強的親和力?；钴S的氮或“自由”氮具有應變時效性，這是一種發生在塑性變形后室溫下的脆化過程。在鋼筋應用中，經常根據設計進行彎曲。這部分鋼筋會隨時間失去韌性，無法抗大地震。因此，某些標準規定了最大氮含量。實際上，不高于0．012％的未結合氮是允許的，高于此限的氮應與其他合金元素結合。在某些冶煉過程中，例如電弧爐，很難保持氮低于0．012％，添加釩就成為達到標準的手段。 氮對釩的親和力還有第二個作用。釩的碳氮化物的沉淀顆粒的大小和分布決定著釩的沉淀強化作用的效果。大量研究證實，釩碳氮化物V(C，N)中氮的增加會使沉淀顆?？s小，從而增加沉淀顆粒的數量。這些細小和大量的析出質點使強化效果更有效。 582．微合金化元素鈮、釩、鈦在鋼筋中作用有何不同? 微合金化元素主要作用有以下四點： (1)減少夾雜，改善鋼的純凈度，提高鋼的延性；(2)利用晶粒細化和析出強化，降低鋼的碳當量；(3)通過組織均勻化實現性能的均勻化；(4)獲得較低的成本尸l生能比的新型鋼材。 鈮、釩、鈦對強韌化因素比較見表213，鈮、釩、鈦對力學性能的影響比較見圖25。 583．為什么晶粒細化是鋼筋最重要的強化方式? 在鋼筋強化方式方面，存在著兩種不同的學術觀點——晶粒細化主導論與析出主導論?，F今被廣為利用的是以晶粒細化為主導的強度表達式： △σy=Kyd1／2式中：Ky——晶粒細化強化系數； d——鐵素體晶粒尺寸。 晶粒細化對強度有貢獻，亞晶和胞壁結構對強度也有作用。有人認為，尺寸在0．4腳以下胞壁結構的強化是主要的，0．4腳以上則是晶界和亞晶界對強化起主導作用。 這里還有一些問題需說明： (1)晶粒細化強化的本質是晶粒間界的位錯塞積，凡是影響晶粒間界的因素，自然也影響晶粒細化的強化效果。 (2)晶粒細化可以指鐵素體，也可以指珠光體、奧氏體、馬氏體等。晶粒尺寸是個廣義的名稱。 (3)在所有強韌化機制中，僅有晶粒細化既提高強度，又能改善韌性，所以它是鋼中最重要的強化方式。 (4)到目前為止，韌化理論的發展滯后于強化理論，這與韌性指標的不確定性和韌化原理的復雜性有關。 584．什么階段的沉淀析出對鋼的強化最有效? 歸結到20世紀五六十年代有關材料學的重要爭論之一，認為在低碳含量范圍內，超越某個斷面尺寸，不論是板帶材還是長條材，鐵素體一珠光體組織的鋼難以達到400MPa的屈服強度水平，從而傾向于追求相變強化的途徑，于是熱處理鋼應運而生，甚至達到既耗費合金資源又不節能的地步。與其同期登上冶金歷史舞臺的則是微合金化技術和控制軋制技術的開發。它摒棄了傳統的賴以提高碳含量和試圖擴大固溶強化來增加鋼的強度的方式，而通過晶粒細化和析出強化手段把鋼的強韌化發揮到了極致，因此，鋼筋生產也被納入高技術新材料的范疇。 首先被注意到的是，微合金化元素表現出強烈地形成碳化物和氮化物傾向，卻又有相對較小的形成氧化物、硫化物或這些化合物固溶體的傾向。在這一特征方面鈮與釩類似，而大不同于鈦，在鋼中所有的氧、氮和硫被鈦完全消耗之前，鈦是不會生成碳化物的。 微合金元素的碳氮化物析出總是與基體(γ、α)晶格存在相當大的錯配，在較高溫度下以這些晶體缺陷為位錯源，能消除那些析出物形成過程中可能產生的彈性應變，幾乎起不到強化作用。而在相變完成后，在鐵素體晶內均勻且彌散分布，才具有顯著的強化作用。 鋼筋生產的原理相同，可以置高溫下的析出于不顧，而僅指望在γ／α相變后鐵素體及貝氏體基體中碳氮化物的析出。 585．相變強化(組織強化)有什么特征? 我們知道，鋼的性能取決于鋼的組織結構(或稱為鋼的組織及微觀精細結構)，而組織結構的主導是由相變決定的。最簡單的例子是低碳鋼在軋后隨冷卻條件的變化，有鐵素體+珠光體、鐵素體+貝氏體、馬氏體等幾種結構。鋼的力學性能也隨之有很大的變化，從而可以生產出不同強度等級的鋼材品種，用于各種不同的作用。這種情況就歸屬于相變強化。 (1)鋼的化學成分決定要有結構變化的原相(母相)，這是前提。 (2)發生相變有一個形核和長大的過程，例如隨冷卻條件的變化，相變有擴散與無擴散之別，在較高溫下的相變過程由擴散控制，低溫下的相變為切變控制機制。 (3)應變和冷卻是兩個重要的驅動條件，在外力的作用下，如熱加工或冷變形；在冷卻或在加熱的情況下，狀態失去了平衡，由高能量狀態向低能量狀態轉變。 在400MPa級熱軋鋼筋中，有大角晶界的多邊形鐵素體與小角晶界的非多邊形鐵素體的區分，此外含有微合金化元素溶質的奧氏體轉變產物中具有非常高的位錯密度。所以高強度鋼筋的生產，除了析出強化和晶粒細化外，相變強化也是鋼筋強韌化機制的不容忽視的因素。 586．微合金化鋼為什么不宜采用固溶強化方式? 因為固溶強化一般不作為微合金化鋼的主要強化手段。其原因如下： (1)固溶強化源于晶格畸變。 低碳鋼在常溫狀態屬于體心立方晶格結構的材料，較小原子半徑的元素，如碳、氮，通常以間隙的形式固溶在鐵的晶格之中，固溶易造成晶格的畸變，使鋼的屈服強度提高。 (2)固溶強化受固溶度的限制。． 溶質原子并不能無限地固溶人鐵的晶格中，這個限度稱為固溶度，在近平衡的狀態下，α—Fe中固溶碳、氮很少，起不到強化作用。 (3)固溶強化是可以估算的。 置換式固溶強化效果遠低于間隙式固溶，置換固溶強化效果大的元素又對韌性的危害也較大，所以一般微合金化鋼中并不利用鈮、釩、鈦等元素的置換固溶強化方式。 然而，碳、錳、硅、磷、銅等元素，尤其是碳和錳是主要的固溶強化元素，這也是20MnSi不能作為高等級鋼筋的原因。 587．納標前對微合金化400MPaⅢ級鋼筋是如何評價的? 1991年將400MPaⅢ級鋼筋納入GB 1499—91和GB 13014—91。同時編制了YB 1070—93應用技術規程。為將此科研成果盡快轉化為生產力用于工程，原冶金部V—Ti鋼領導小組受部科技司委托，在攀鋼人力、財務上的大力支持下，經過不懈努力，積極組織有關部門，于1996年局部修訂了《混凝土結構設計規范》及《混凝土結構設計手冊》。同年建設部發布5號公告，要求自1997年1月1日起實施。 “六五”國家科技攻關，由原冶金部建筑研究總院牽頭，鞍鋼、首鋼、上鋼三廠、唐鋼、攀鋼等單位參加，通過添加微合金元素及采用穿水冷卻工藝研試成功的20MnSiV、20MnTi、K20MnSi400MPaⅢ級鋼筋，經專家鑒定，其性能達到國際同級鋼筋水平。經工程試驗考核證明其性能優良。 (1)高強度，σs400MPa，σb570MPa，δ523．4％。強度和塑性獲得較好配合。強度、韌性各項指標都超過GB 1499—9l標準及標準附件A較高質量鋼筋的技術條件。 (2)焊接性能良好，適應各種焊接方法。電弧焊、閃光對焊合格率100％，焊縫強度與母材等強，試驗中無一根斷在接頭或熱影響區。焊接參數范圍較寬，焊工易掌握。 (3)強屈比σb／σs1．25，有利于提高抗震性能。 (4)應變時效敏感性低，將試樣預變形7．5％，在100℃下時效3h，相當于15℃下自然時效9個月，再進行拉伸試驗，結果表明，該鋼筋具有抗變形時效能力。 (5)脆性轉變溫度低，在一40％條件下進行拉伸試驗，所有試樣斷裂時均為塑性斷口。在一40℃下進行冷彎試驗，全部試樣通過常溫冷彎規定指標。 (6)有較高的高應變低周疲勞性能。地震斷裂過程與高應變低周疲勞行為極為類似。用有高應變低周疲勞抗力較高的鋼材，有利于提高工程結構抗地震破壞能力。 400MPaⅢ級鋼筋生產工藝成熟，工藝參數范圍較寬，性能穩定，是物美價廉的冶金產品，建筑業的好材料。第三節400MPaⅢ級熱軋鋼筋生產要領 588．煉鋼中要掌握哪些基本要素? 現在首先要改變鋼筋是技術要求最低的鋼材品種的觀念，要改變不需要講究工藝技術操作的管理思路，現今的生產裝備已成為不斷提高鋼筋質量，為建筑業提供優質鋼材的重要條件。 煉鋼操作要求做到以下幾點： (1)實現鐵水預脫硫； (2)轉爐冶煉，執行脫磷、碳、氮的工藝規程； (3)無渣出鋼； (4)保證鋼的內控的潔凈度水平； (5)實施成分微調和成分、溫度均勻化的精煉工序； (6)避免鋼水的二次氧化和回硫； (7)以嚴謹的工藝保證內控成分。 提高能力指數(CP)——分析偏差與操作偏差增大6倍的比值： CP=F/6σ實驗 589．如何選擇爐外精煉工藝? 現代煉鋼工藝十分靈活，可根據鋼筋的強度等級和工程用途選擇適宜的爐外精煉方式，目前就精煉技術而言，[C]、[P]、[S]、[N]、[P]和[H]可以達到相當高的水平，見表214。 不同的工藝對[C]、[P]及[S]、[O]的影響見圖26。 590．對連鑄操作有什么要求? 連鑄工藝的基本要點： (1)為保證鋼材的質量，需要盡可能地減少連鑄坯的缺陷。 (2)連鑄坯橫裂的根源在于高溫低塑性和塑性低谷區的矯平操作，為此要采取針對性的措施。 (3)注意鋼的總體成分的控制，應當把微鈦處理放在第一位。 (4)采取弱二冷制度，以期實現全板坯長溫度在臨界溫度(Ar3)以上，弱冷和強冷對延展性影響的比較見圖27。 (5)矯平段溫度高于碳氮化物析出的高峰區，危險的是熱應力、析出應力及機械應力的合一，隨著熱裝及直軋技術的推廣，在線表面檢驗和修磨十分困難，生產無缺陷連鑄坯是最高目標。 591．如何確定鋼坯的適宜均熱溫度? 鈮微合金化鋼的鋼坯均熱溫度要按鈮固溶度積來確定： lg[Nb][C+12／14N]=2．26—6770／T 在此溫度下可以使鋼中的鈮處于完全的溶解狀態，也只有在高溫下先期實現了全部固溶，才能保證隨后的變形和冷卻過程更多的析出，達到應有的強化效果。 以往對微合金化控軋控冷鋼要求較低的均熱溫度，其出發點有兩重含義： (1)保留部分未溶解碳氮化物的顆粒，一定程度上可以起到抑制r再結晶晶粒粗化的作用； (2)以利于在較低溫度下開軋，或使軋制全程在γ——非再結晶區完成。 過低的均熱溫度，或許可以實現低溫終軋，而不利的方面是：為達到預期的析出強化效果，必須付出增加鈮含量的代價。 592．熱裝熱送條件下對鋼坯加熱要注意些什么? 采取熱裝熱送工藝，節能降耗是肯定的。 若鋼坯的入爐溫度已在A r3點以下，也就是說鋼已完成γ→α的相變過程，以及微合金元素的部分脫溶，在爐中加熱后又發生γ→α的轉變，無異于傳統的連鑄坯冷裝加熱的結果，微細的差別在于要考慮已析出的碳氮化物如何重新溶入，熱裝溫度愈低，這個問題愈加突出。 若熱裝溫度高于A r3，即相當于連鑄連軋的工藝條件，應當如同CSP流程的情況，鋼內組織缺乏一次的重結晶過程，入爐前鋼坯的原始奧氏體晶粒比較粗大，隨后粗軋工藝制度的制定要