一种低碳钢螺纹钢筋的轧制方法.pdf

本发明属于金属轧制领域，主要涉及低碳钢螺纹钢筋的轧制方法。采用钢筋的化学组成成分(重量％)为：C0.17－0.23％，Si0.20－0.80％，Mn0.50－1.50％，S≤0.035％，P≤0.035％。该轧制方法包括如下步骤：对轧钢生产采取全流程或部分机组控温，其中：粗轧段：低温开轧，温度为850℃－950℃；中轧段控制温度在750℃－850℃；精轧段：控温在750℃－900℃；以上三个轧制阶段轧后穿水控温小于600℃，并且其穿水冷却速度大于10℃/s。特别是中轧段在所要求的控制温度内累计变形大于50％。本发明与现有技术相比制备的钢筋具有超细晶粒的结构，其钢筋的性能达到GB1499中对III、IV级钢筋各项指标。

1、  一种低碳钢螺纹钢筋的轧制方法，其特征在于采用钢筋的化学组成成分(重量％)为：C 0.17-0.23％，Si 0.20-0.80％，Mn 0.50-1.50％，S≤0.035％，P≤0.035％，该轧制方法包括如下步骤：对轧钢生产采取全流程或部分机组控温，其中：
(1)粗轧段：低温开轧，温度为850℃-950℃，利用奥氏体动态再结晶机理细化奥氏体晶粒；
(2)中轧段：控制温度在750℃-850℃，利用奥氏体未再结晶轧制和形变诱导铁素体相变机制获得细小铁素体晶粒；
(3)精轧段：控温在750℃-900℃，利用铁素体动态再结晶机制细化铁素体晶粒；
最终轧后穿水控温＜600℃，并且其穿水冷却速度＞10℃/s。

2、  根据权利要求1所述的低碳钢螺纹钢筋的轧制方法，其特征在于中轧段在所要求的控制温度内累计变形＞50％。

3、  根据权利要求1所述的低碳钢螺纹钢筋的轧制方法，其特征在于上述工艺方法适用于微合金钢和低合金钢高强钢筋的生产。

一种低碳钢螺纹钢筋的轧制方法
技术领域
本发明属于金属轧制领域，主要涉及低碳钢螺纹钢筋的轧制方法。
背景技术
在现有技术中，本专利发明人已于2003年5月14日获得授权的发明专利，专利号为00109495.5，该专利是依据普碳钢Q235的化学成分和该专利发明人制定的轧钢工艺进行的超细晶粒钢筋的生产，但其成品不能完全满足GB1499-1998中规定的III级钢筋抗拉强度σ_b大于570Mpa和IV级钢筋抗拉强度大于630MPa的规定，且其实测强屈比不能达到大于1.25的规定。因此，面对钢筋品种的升级换代的需要，有必要确立全新的钢筋、棒材的化学成分体系和轧钢工艺制度以满足目前国家标准(GB1499)的规定要求以。
发明内容
本发明的目的在于针对低碳钢螺纹钢筋提供制备超细晶粒钢筋的轧制方法，使其性能满足GB1499中对III、IV级钢筋各项指标。
本发明是通过钢种优化和独创的新工艺技术的应用使现代钢铁企业线棒材连轧机组能够用普碳钢代替微合金化或低合金化钢生产屈服强度在400-500MPaIII、IV级的钢筋，使其性能完全满足国家标准GB1499-1998《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》的各项指标。其机理为：使棒、线材在轧制过程中通过机械变形和温度控制综合利用奥氏体动态再结晶、静态再结晶、未再结晶形变、形变诱导铁素体相变以及铁素体动态再结晶的机理获得晶粒尺寸在3-10μm之间细晶组织。核心技术是根据工厂线棒材生产线的实际特点，依据上述变形机理，对轧钢生产采取全流程或部分机组控温，根据实际生产参数利用不同物理冶金机制最终实现棒线材微观组织的超细化并且达到屈服强度为400-500MPa的III、IV级钢筋国家标准。为了达到全流程控温的目的，需要在连轧机架间和机组间增加水冷装置和对轧机能力不足的设备进行增加电机功率等改造。
根据上述目的和工作机理，本发明的解决方案为用普碳素结构钢的成分，对其进行化学成分优化，综合利用奥氏体再结晶、未再结晶和形变诱导相变理论及通过机架间控冷和轧后水冷的工艺，最终得到所期望的产品组织及性能。
本发明具体解决方案为：按目前国内III、IV级钢筋标准需要调整和优化普碳钢Q235类型化学成分，使其能够在轧钢过程中获得超细晶粒和性能合格的螺纹钢筋。本发明采用钢种的具体化学成分为：C0.17-0.23％，Si0.20-0.80％，Mn0.50-1.50％，S≤0.035％，P≤0.035％。
根据钢筋轧钢生产的粗、中、精轧的特点分别采取以下生产工艺：
(1)粗轧阶段采取低温开轧同时利用该阶段轧制速度慢的特点，轧制温度控制在850-950℃之间，利用低温轧制破碎铸坯柱状晶组织，焊合铸坯内部疏松组织以及实现奥氏体再结晶控轧，在保证奥氏体晶粒相对细小化的同时，钢材内部组织致密化。(2)对于中、精轧机组中一定数量轧机的轧制温度控制在750-900℃温度之间，同时保证连轧机累计变形量控制在大于50％，实现在轧制过程中的奥氏体向铁素体转变同时铁素体发生动态再结晶，从而获得等轴超细超细铁素体晶粒。为了控制轧后晶粒长大，需要穿水冷却到600℃以下温度，同时按不同穿水温度最终控制微观组织。
上述具体技术方案的依据为：
一、成分优化：通过控制C、Mn、Si含量降低生产成本，提高经济效益，因此我们目的是只用碳素结构钢的成分，对其进行成分优化，将其屈服强度提高到500MPa以上。C、Mn、Si对钢的性能都有不同程度的强化作用，Mn、Si都有很高的固溶强化能力，C除有固溶强化能力外，还决定第二项组织的含量从而影响性能。在满足钢筋化学成分国家标准的前提下，在碳素结构钢的成分范围内，优化设定元素的含量，主要是为了提高抗拉强度解决强屈比过低的问题，因为根据Hall-Petch关系，晶粒尺寸越细，屈服强度和抗拉强度就会越接近，强屈比就会越低。
二、工艺控制，根据棒材连轧机轧制速度高，温升快不易降温特点，需强制降温，二是轧制速度快、道次变形量小，不利于利用大变形产生形变诱导铁素体相变获得细晶组织，因此需要注重累计变形效果。
因此，首先要降低开轧温度，这样做的好处是其一可以降低加热炉的温度节省能源、减少能耗、降低成本。其二可以使得奥氏体的晶粒尺寸不易过分长大，从而有助于晶粒细化，因此我们选定的开轧温度是850-950℃之间。其次我们在机组间或中轧机组、精轧机组的各个机架间增加水冷装置，目的通过降温手段实现碳素结构钢的再结晶和未再结晶轧制，从而细化奥氏体晶粒，和控制奥氏体晶粒不至于过分长大。我们的研究表明，在高速轧制条件下，普碳钢可以实现未再结晶轧制，见附图2。附图2给出了高速变形条件下优化后的普碳钢Q235的动态再结晶、未再结晶和形变诱导铁素体相变的形变参数区间。
在中、精轧机组间的继续水冷，使中、精轧轧制温度的温度降低到750-900℃，在此温度范围内应保证道次累计变形量大于60％，并且轧制过程中应连续降温，并且最终处于A_e3-A_r3温度之间的道次累积变形量大于50％，A_e3和A_r3的值应根据具体钢材的化学成分和轧钢工艺参数具体确定。应用未再结晶变形、形变诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶机制，就会使形变奥氏体晶粒诱导出更细小的体素体，并且转变非常迅速，晶粒尺寸≤10μm。随后进行较高速度的穿水冷却≥10℃/S，冷却到400-600℃，然后上冷床空冷，保证产品最终的晶粒尺寸≤10μm，常温下组织为铁素体和珠光体组织，不排除有极少量的贝氏体。
对于最终保证获得满足国标地综合机械性能钢筋的晶粒尺寸大小，可以根据钢筋的化学成分的不同和轧钢生产工艺的不同进行调节，其基本原则是：(1)如果轧机的轧制能力不足，以及控制冷却设施不配套，可以选用较高含量的化学成分，晶粒尺寸可以控制适当增大。(2)对于各种轧制能力充足冷却设备配套的生产机组，可以减少化学成分含量，控制较细小的晶粒尺寸。上述基本原则可以实现一钢多级，多钢同级的目的。本发明与现有技术相比制备的钢筋具有超细晶粒的结构，其钢筋的性能达到GB1499中对III、IV级钢筋各项指标，最终可以保证对于III级钢筋屈服强度σ_s≥400MPa，抗拉强度σ_b≥570MPa，δ₅≥20％，强屈比大于1.25。对于IV级钢筋屈服强度σ_s≥500MPa，抗拉强度σ_b≥630MPa，δ₅≥20％，强屈比大于1.25，其生产合格率可以达到正常生产水平。
附图说明
附图1为本发明超细晶低碳螺纹钢筋的金相组织图。
附图2给出了高速变形条件下优化后普碳钢Q235的动态再结晶、未再结晶和形变诱导铁素体相变的形变参数区间。
具体实施方式
采用所述的优化的低碳钢螺纹钢筋Q235的成分的本发明生产方法，生产了三批低碳钢螺纹钢筋，三个批号所采用的钢号及化学成分如表1所示。轧制时钢坯加热温度及轧制温度、总变形量及轧后冷却速度如表2所示。轧制并冷却后，取样测量拉伸性能及铁素体晶粒大小，其结果如表3所示。为了对比采用现有技术生产的1批低碳螺纹钢筋Q235，1个批号所采用的钢号及化学成分、工艺参数、性能一同列于表1、表2、表3。其中序号1-3#为本发明优化的Q235实施例，其中1-2#的实施例达到III级钢筋的国家标准。3#达到IV级钢筋的国家标准。4#为现有技术Q235对比例。
实施例1
所选钢种成分0.21％C-0.40％Si-0.79％Mn，开轧温度950℃，中精轧机组间和机架间水冷控温，出精轧机温度为840℃，接着以≥10℃/S的冷速冷到600℃。得到屈服强度平均为σ_s＝460Mpa，抗拉强度σ_b＝630Mpa，延伸率＝22.5％，强屈比σ_b/σ_s＝1.36，组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒尺寸为10μm，珠光体晶粒尺寸7μm。性能达到III级钢筋的国家标准。
实施例2
所选钢种成分0.22％C-0.35％Si-0.60％Mn，开轧温度950℃，中精轧机组间和机架间水冷控温，出精轧机温度为850℃，接着以≥10℃/S的冷速冷到550℃。得到屈服强度平均为σ_s＝450Mpa，抗拉强度σ_b＝610Mpa，延伸率＝25％，强屈比σ_b/σ_s＝1.35，组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒尺寸为8μm，珠光体晶粒尺寸5μm。性能达到III级钢筋的国家标准。
实施例3
所选钢种成分0.21％C-0.53％Si-0.8％Mn，开轧温度920℃，中精轧机组间和机架间水冷控温，出精轧机温度为830℃，接着以≥10℃/S的冷速冷到500℃。得到屈服强度平均为σ_s＝520Mpa，抗拉强度σ_b＝660Mpa，延伸率＝22％，强屈比σ_b/σ_s＝1.26，组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒尺寸为7.5μm，珠光体晶粒尺寸5μm。性能达到IV级钢筋的国家标准。
   表1  实施例低碳钢螺纹钢筋的化学成分与现有技术对比表(wt％)