2022年钢筋的控制轧制和控制冷却学习笔记 .pdf

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1、钢筋的控制轧制和控制冷却钢筋的控制冷却又称为钢筋轧后余热处理或轧后余热淬火。该工艺是利用钢筋轧后在奥氏体状态下直接进行表层淬火，随后由其心部传出余热进行自身回火，以提高塑性，改善韧性，使钢筋得到良好的综合性能。钢筋的综合性能，如屈服强度、反弯、焊接性能、疲劳强度、冲击韧性等，决定于钢的化学成分、变性条件、终轧温度、钢筋直径、冷却条件、冷却速度和自回火温度等因素。其整炉与整支钢筋的组织性能与均质性同生产工艺参数的控制、钢筋长度、冷却设备型式、水质、水温及其控制有密切关系。1 钢筋轧后控制冷却的特点及其基本原理1.1 可以在轧制作业线上，通过控制冷却工艺，强化钢筋，代替重新加热进行淬火、回火的调质

2、钢筋。利用控制冷却强化钢筋与一般热处理强化钢筋比较，不仅由于利用轧制余热，不需要重新加热，节约了燃料及热量消耗，缩短生产周期，提高生产率，降低了生产高强度钢筋的成本，而且还具有更高的综合力学性能。其原因在于：在利用轧制余热淬火之前已发生奥氏体再结晶，使晶粒细化，奥氏体晶界的位置已经改变，新晶界的形成时间又很短，杂质原子还来不及向晶界偏聚，因而改善了低温力学性能。1.2 选用碳素钢（Q235）和低合金钢（20MnSi），采用轧后控制冷却工艺，可生产不同强度等级的钢筋，从而可能改变用热轧按钢种分等级的传统生产方法，节约合金元素，降低成本。1.3 设备简单，对于现有轧机不用改动轧制设备，只需在精轧机

3、后安装一套水冷设备。1.4 在奥氏体未再结晶区终轧后快冷的轧制余热强化钢筋在使用性能上存在（应力腐蚀开裂倾向较大）。但是，在奥氏体再结晶区终轧的轧制余热强化钢筋，由于再结晶过程消除了晶内位错，而不出现应力腐蚀开裂倾向的缺点。对于钢筋来说，轧后控制冷却工艺大体包括以下三个过程：第一阶段：表面淬火阶段（急冷段），钢筋离开精轧机在终轧温度下，尽快地进入高效冷却装置，进行快速冷却。其冷却速度必须大于使表面层达到一定深度淬火马氏体的临界速度。钢筋表面温度低于马氏体开始转变点（Ms），发生奥氏体向马氏体转变。表面马氏体层的深度取决于强烈冷却持续时间。第二阶段：自回火阶段，钢筋通过快速冷却装置后，在空气中冷

4、却。此时钢筋各截面内外温度梯度很大，心部热量向外层扩散，传至表面的淬火层，使已形成的马氏体进行自回火。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -根据自回火温度不同，可以转变为回火马氏体或回火索氏体。而表层的残余奥氏体转变为马氏体。同时邻近表层的奥氏体根据钢的成分和冷却条件不同而转变为贝氏体、屈氏体或索氏体组织。而心部仍处在奥氏体状态。该阶段的持续时间随着钢筋直径和第一阶段冷却条件而改变。经常，心部奥氏体已经开始转变为铁素体。第三阶段：为心部组织转变阶段，钢筋在冷床上空冷一定时间后，断面上的热量重新分布，温度趋于一致，同时降温。此时心部由奥氏体转变为铁素体和珠光体或

5、铁素体、索氏体和贝氏体。心部产生的组织类型取决于钢的成分，钢筋直径，终轧温度和第一阶段的冷却效果和持续时间。轧后控制冷却对钢筋性能的主要影响因素为终轧温度、第一阶段冷却速度和持续时间及钢的化学成分。除钢的化学成分外，其他的各个因素决定了自回火温度。而自回火温度很大程度上决定了钢筋的力学性能。2 钢筋轧后控制冷却的方法及类型2.1 变形的奥氏体已发生充分的再结晶，变形对奥氏体位错、亚结构的影响已通过再结晶而消除。形变热处理的效果已很小或者完全没有，这样就只有相变强化。这样强化处理的钢筋，虽然综合力学性能略低，但其应力腐蚀稳定性较高。2.2 轧制后到快冷前，变形的奥氏体尚未发生再结晶，或只发生了部

6、分再结晶，这样，就保留或部分保留变形对奥氏体的强化作业，形变热处理效果较大，可以提高钢筋的综合力学性能，但应力腐蚀开裂倾向较大，这也可以分段淬火及淬火后回火或加热回火来解决。按照冷却方式分为两种控制冷却方法：1)轧后立即快冷工艺，在冷却介质中快冷到规定温度或快冷一定时间后就中断快冷，随后空冷进行自回火。2)分段冷却工艺，先在强烈的冷却介质中并在很短的时间内把表面层过冷到马氏体转变点以下，形成马氏体，立即中断快冷，空冷一定时间，使很薄的表面层中的马氏体回火到A1 温度以下，形成回火索氏体，再进行二次快冷一段时间后中断快冷，之后，再空冷，使心部得到索氏体、贝氏体、及铁素体组织。称为二段冷却。这种工

7、艺所得到的钢筋的抗拉强度和屈服强度略低，伸长率变化不大，而腐蚀稳定性很好，即在应力作用下发生腐蚀开裂的时间更长。同时对大规格钢筋来说有利于减少内外温差。3 影响控制冷却钢筋组织和性能的因素3.1 轧制工艺条件的影响名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -1）加热温度加热温度影响轧前的原始奥氏体晶粒大小，各道次的轧制温度及终轧温度影响道次之间及终轧后的奥氏体再结晶程度及再结晶后的晶粒大小。奥氏体化温度低，控制冷却后的力学性能好。加热温度影响开轧温度及终轧温度，但不完全等同。2）变形率与变形速度为了更好地通过变形再结晶细化晶粒，应采用比较大的变形量。但是，孔型系统确

8、定后，变形量变化较小。一般在设计孔型时，成品孔型中为了充满筋部也采用了比较大的变形量。由于终轧温度较高，因而只能起到变形再结晶细化晶粒作用。对于高强度钢筋，如果考虑到变形强化，就要考虑变形量与终轧温度的关系，达到未再结晶条件，以便得到变形强化与相变强化相结合的效果。在孔型确定的条件下，轧制速度决定了变形速度，变形速度影响个道次之间的再结晶程度及终轧后奥氏体的再结晶程度，因而影响形变热处理效果。3）终轧温度终轧温度及变形量决定奥氏体是否发生再结晶。在发生充分再结晶的条件下，奥氏体再结晶晶粒大小主要决定于变形量，与终轧温度关系较小。降低终轧温度可以减少变形奥氏体的再结晶程度，甚至可以完全抑制再结晶

9、，保持奥氏体的变形状态。控制终轧温度在900950度范围，有较好的形变热处理效果。降低终轧温度同样可使自回火温度降低，这是在同样冷却条件下得到的结果。如果改变冷却条件，使自回火温度相同而终轧温度不同，此时终轧温度低的钢筋强度高。随终轧温度降低，抗拉强度和屈服强度提高，而伸长率则下降。终轧温度对自回火温度、钢筋温降（钢筋温度减去自回火温度）都有影响。随着终轧温度升高，自回火温度也提高，但温降却随之增大。其原因是终轧温度升高，钢筋和冷却水的温度差增大，在相同的冷却条件下，冷却能力也随之提高。终轧温度降低，影响入水前的组织状态，低到再结晶区以下，则入水后保持了变形强化的影响。提高了钢筋强度。从组织上

10、保留有一定的位错密度及亚结构等。如果终轧温度在再结晶温度以上，终轧变形与再结晶结果使晶粒细化。温度降低对细化有一定作用，但不明显，因此强化作用不明显。总之，降低终轧温度是有利的，不仅能提高力学性能，同时可以降低对冷却能力的要求。2 冷却工艺条件对性能的影响2.1 终轧后到入水的时间间隔，这一段时间主要影响变形奥氏体的再结晶程度。如果处名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -于未再结晶条件，延长这一段时间，则可能发生部分再结晶，减小了变形的效果，降低了综合力学性能，但是能减小应力腐蚀开裂倾向。如果在完全再结晶的条件下，由于高温下停留时间长，使再结晶晶粒长大，对综合

11、力学不利，应缩短这一段时间。这决定于现场的实际条件，即决定于快冷装置的安装位置。2.2 冷却速度，冷却速度是钢筋轧后控制冷却的重要工艺参数之一。它可以决定轧制后钢筋控制冷却后的组织和性能。根据钢的化学成分，奥氏体冷却转变曲线位置和所要求的组织和力学性能来确定轧后的冷却速度。冷却速度的影响效果随着钢的淬透性增加和钢筋直径的减少而减少。低碳钢及低合金钢钢筋的塑性伸长率之所以随冷却速度的增加而提高，是因为钢筋截面中先共析铁素体、屈氏体及贝氏体组织的成分有所减少，而回火组织的成分有所增加。一般在 1030 度到 400 度范围钢筋控制冷却速度，当钢筋直径为10mm时，冷却速度为560760 度/秒；直

12、径为12mm时，冷却速度为375500 度/秒；直径为14mm 时，冷却速度为325365 度/秒。前面的数值是在水气混合介质中冷却，水含量为2630%；后面数值是在水中冷却。要使钢筋完全淬透，在整个截面上得到低碳马氏体，则心部的冷却速度必须超过此钢的淬火临界冷却速度。对碳素钢只能用最强烈的冷却方法，在直径小于10mm的钢筋可以实现完全淬透。随着钢筋直径的加大，需要选用淬透性更大的低合金钢。而冷却速度与冷却器结构，冷却介质、钢筋直径、水温、水压及流量等参数有关。2.3 强冷时间，对于一定钢种及直径的钢筋、冷却速度及强冷时间决定了钢筋表面及心部的冷却曲线及与冷却转变曲线相交的温度，即决定了相交后

13、的组织与性能。对于一定钢号及直径的钢筋来说，缩短强冷时间，提高自回火温度，而使急冷层得到充分回火，心部在更高的温度下分解，使强度降低，塑性提高。选择适当的强冷时间在于保证所需要的钢筋组织结构与力学性能。一般工厂中，轧制速度基本不变，因此，利用冷却器长度（即节数）来控制冷却时间，冷却器节数增加，冷却时间增长，使钢筋的抗拉强度，屈服强度提高，而伸长率下降。如 25mm，20MnSi 钢筋在冷却器由一节增加到二节，钢筋的强冷时间增加一倍，在冷却水量相同的条件下，自回火温度降低4050，导致屈服强度提高1030MPa。同样钢筋条件下，强冷时间为1.1s 及 3.9s，回火温度分别是680和 450。其

14、钢筋的性能为：前者 s为 485MPa，b为 640MPa，5为 30%；后者 s为 925MPa，b为 1020MPa，5为 15%。2.4 自回火温度，自回火温度是各工艺参数影响的结果，是决定轧后余热淬火钢筋性能名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -最重要参数。大量的数据表明：随钢筋快冷后自回火温度升高，钢筋的s、b降低，5提高。影响钢筋自回火温度的因素很多，它与冷却参数、冷却时间、终轧温度都有关系。但是自回火温度仅能反映钢筋快冷后表面与心部温度平衡的结果，它不能反映淬透层的厚度。淬透层厚度不同，钢筋的强度不同。当钢筋规格，终轧温度，水压，水温，冷却时间一

15、定时，其回火温度能相对反映钢筋的强度性能。因此，每一种品种确定后，钢筋的热轧工艺和控制冷却工艺一定时，可以将自回火温度作为一控制目标，以控制性能的稳定。3 冷却水参数对钢筋组织和性能的影响3.1 冷却水水量对性能的影响，冷水水量的多少，对钢筋的冷却效果和性能影响很大，冷却水量是用水流速的大小表示出来的。对25 钢筋进行不同冷却水量对性能影响的试验，结果表面，当水量为120140t/h时，随着水量的增加，s提高。当水量大于160t/h时，s变化稳定有饱和现象。随着钢筋规格加大，要求冷却水量增加。水量增加，钢的自回火温度降低，这表明水量的变化主要通过对自回火温度及冷却速度的影响，而改变其组织和性能

16、。3.2 喷头压力对性能的影响，喷头水压对钢筋强度有一定影响，当其条件固定时，喷头压力提高，s和b提高。但水压提高的主要优点是钢筋的匀质性改善，尤其是小规格钢筋更为显著。3.3 冷却水温度，冷却水从30，特别是45提高到66后，明显降低了冷却效果。所以冷却水的水温不应超过40为好。3.4 冷却介质，在国内为了得到强烈冷却效果和便于控制，一般多采用水作为冷却介质。4 钢筋参数的影响4.1 规格大小对性能的影响，规格不同，控制冷却后的组织也不同，大规格钢筋表层全部是回火索氏体，心部是珠光体加铁素体，并有明显的索氏体，珠光体和铁素体的过渡层。小规格钢筋淬透层以回火索氏体为主，偶有少量回火马氏体，心部

17、以铁素体，珠光体为主，没有明显的过渡层。这是由于钢筋规格大时，体积与表面积之比增大引起的，当终轧温度相同时，其热容量也随之增大，有较多热量传到钢筋表面，使钢筋表面的低碳马氏体得到高温回火。4.2 含碳量，含锰量的影响，马氏体开始转变温度随含碳量增加而降低。因而，对于低碳钢需要加大冷却速度，强制冷却，才能达到马氏体相变。在轧后控制冷却条件下，20MnSi 含碳量为上、中、下限的钢筋在相同水冷条件下对力名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -学性能有不同影响。随含碳量增加，钢筋强度增加，塑性降低。控制冷却工艺比一般轧制工艺受碳含量的影响小。含锰量与含碳量有类似的结果，但其影响没有含碳量影响大。4.3 微合金化钢筋，即 V-N 钢，Nb-V-Ti，Nb-Ti 钢用余热淬火后自回火其温度低于600左右时，s可以超过600MPa。在较低自回火温度下沉淀碳化物作用明显降低，这可能由于微合金化元素保持固溶状态的缘故。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -