專利名稱：一種四切分高強抗震鋼筋的生產方法
一種四切分高強抗震鋼筋的生產方法技術領域
本發明屬于抗震建筑用鋼技術領域。特別涉及一種四切分高強抗震鋼筋的生產方法。
背景技術：
近年在國家發改委、住建部大力推動下，建筑鋼筋進一步高強化。如采用400MPa 和500MPa級取代335MPa級至少可分別減少約10%和19%的鋼筋用量，全國可減約700萬噸和1330萬噸。尤其2008年汶川地震以來，住建部大力倡導使用高強抗震鋼筋，抗震鋼筋要求在滿足GB1499. 2基礎上還應滿足RnZRel彡1. 25，Rel/Rel° (1. 30，Agt彡9%。2009年 GB1499. 2還進一步補充規定“熱軋鋼筋系列基圓不得存在影響其使用性能的低溫相變組幺口 ”^/\ ο
目前國內外小規格四線切分高強抗震鋼筋的生產方法主要有微合金化(MA)工藝、 強余熱處理工藝和理論上研究的超細晶工藝。
這些生產工藝存在的問題有
(DMA工藝是添加微合金V、Nb、Ti或復合使用細化Y晶粒和析出強化實現鋼筋的升級換代。隨著對400、500MPa級別鋼筋需求量的增加，首先需要考慮的是MA技術的資源制約問題，試以O. 10%V含量計算6000萬噸500MPa級鋼筋的用量，需要6萬噸純V，這樣天文數字的用量是資源條件所不允許·的。
(2)傳統軋后強水冷余熱處理工藝生產高強建筑鋼筋基圓邊部組織存在大量貝氏體或馬氏體，其主要是通過單一相變強化提高強度，韌塑性和可焊性降低(部分達不到電渣壓力焊要求)、應變時效敏感性和低溫脆性增大。且傳統強水冷余熱處理工藝下Rel強度提升大，Rffl提高不顯著，強屈比降低，導致部分達不到抗震性能。
(3)真正意義上超細晶是通過形變與相變的耦合可獲得細小的鐵素體和珠光體組織，從而發揮巨大的強韌化效果。理論細晶粒鋼筋的初衷是非微合金化，但在實踐中受裝備條件的限制(要求超低溫、大壓下)，無法充分發揮形變與相變耦合的作用。且研究結果表明鐵素體晶粒尺寸細化至7 μ m時，Rm/Rel僅為1. 26，進一步細化鐵素體晶粒提高強度，Rm/Rel 將會進步一降低。受制于國內外現有軋機裝備水平以及抗震性能指標，難以實現工業化生產。
(4)盡管目前國內已有六線切分，但三線以上小規格高強抗震鋼筋均沒有實現基于基圓邊部組織P+F條件下微合金元素減量化生產，這是因為小規格多線切分控軋控冷工藝面臨冷卻均勻性、低溫切分順行、上冷床彎曲和金相組織精確控制等難題。
首鋼在國內外首次開發了 Φ12ι πι、OUmm的400MPa (牌號為HRB400E)、500MPa (牌號為HRB500E)級抗震鋼筋四線切分控軋控冷裝備及生產工藝，穩定實現了基圓在P+F 組織條件下微合金元素減量化生產。該發明自主研發設計了小規格四線切分控軋控冷核心裝備，包括冷卻器噴嘴結構設計、正反向湍流冷卻管結構設計、氣截冷卻管結構設計、冷卻器的布置等。結合制定的低溫軋制參數、低溫孔型參數、兩級控冷工藝參數等，解決了小規格四線控軋控冷冷卻均勻性差、上冷床條形易彎曲等難題，開創性的實現了微合金元素減量化生產小規格四線切分高強抗震鋼筋的組織、強度、抗震、焊接等性能以及生產效率、綜合成本的最佳匹配。發明內容
本發明的目的在于提供一種四切分高強抗震鋼筋的生產方法。特別針對滿足基圓邊部組織為P+F的Rel為Φ 12mm規格的400MPa和Φ 14mm規格的500MPa級四切分抗震鋼筋的生產方法。
高強抗震鋼筋的冶煉采用轉爐初煉一吹氬站精煉一連鑄(15 Omm X 15 Omm ) — 600°C熱裝熱送一控軋控冷工藝，其關鍵在于控軋控冷過程中參數的控制。
本發明采取控軋控冷技術，其過程為加熱爐低溫開軋一預切分前穿水冷卻一四線預切分一四線切分一終軋一軋后兩級控制冷卻。
控制的具體參數如下
1、預切分前穿水冷卻為了實現高強鋼筋微合金元素減量化，低溫精軋及低溫切分可顯著提高位錯密度、提高珠光體比例、誘導晶內鐵素體析出等提高材料強度，為此，預切分前穿水冷卻在精軋機入口處布置三組冷卻器，每組有兩個冷卻器，該冷卻器為正反向湍流冷卻器；
2、四線預切分采用低溫精軋的四線切分使金屬流變速度降低，Φ12·ι HRB400E (400MPa抗震鋼筋)采用低溫開軋，開軋溫度960-980°C ； Φ 14mm HRB500E (500MPa抗震鋼筋)考慮V的充分固溶，采用較低溫開軋，開軋溫度1000-1020°C ;預切分孔型的設計為切分楔間距為5. 57mm，配合切分孔的楔角為72°，兩邊切分孔半楔角為36°，輥縫為3mm ;
3、四線切分切分孔型的設計為考慮在裝配軋輥時對切分楔的保護，楔間距為 Imm ;為避免在軋制時切分帶過寬,楔角半徑為O. 8mm,楔角為54° ,考慮四線差的控制,切分孔型的邊孔半楔角為38° ;四線實際線差在50mm以內，增強了低溫切分順行的穩定性；
4、終軋Φ 12mm HRB400E 終軋溫度 820-850 °C，Φ 14mm HRB500E 終軋溫度 820-860 0C ；
5、軋后兩級控制冷卻考慮避開貝氏體或馬氏體相變組織，在終軋之后布置八組可獨立調節的冷卻器，每組有三個冷卻器，該冷卻器為單向氣截湍流冷卻器；Φ 12mm HRB400E兩級控制冷卻為軋后一次冷卻將表面冷至690-720°C，軋后二次冷卻將表面冷至 630-650°C，上冷床回復溫度為730-770°C，基圓邊部組織為P+F ;Φ14πιπι HRB500E兩級控制冷卻為軋后一次冷卻將表面冷至660-700°C，軋后二次冷卻將表面冷至600-620°C，上冷床回復溫度為700-730°C。
Φ 12mm四線切分400MPa抗震鋼筋不添加V、Nb等微合金元素，Φ 14mm四線切分 500MPa 抗震鋼筋加入 V 0. 05-0. 06wt% 和 N 0. 010-0. 012wt%。
冷卻器結構設計冷卻器結構設計的關鍵參數包括入射角Θ1、出口角Θ 2、環縫角Θ、環縫距離δ、喉口直徑d和單截湍流管長度I。
(I) I的確定當湍流管由擴張段至喉口段速度逐漸增加時，多節湍流管內速度隨管徑的擴張收縮呈周期性的波動，且幾乎不衰減。當湍流管由擴張段至喉口段由于尺寸的縮小，壓力逐漸下降時，多節湍流管內壓力則隨管徑的擴張收縮呈周期性的波動，并且不斷的衰減。由于湍流管壓力衰減快，單位長度內湍流管個數并非越多越好，而是存在一個最佳值，I為li+l2+l3 (I1為單截湍流管收縮段長度，I2為單截湍流管吼口段長度，I3為單截湍流管擴張段長度)，I取值為200mm，l2=50mm且I1=I3 ；
(2) Θ1、Θ 2、Θ角度的確定當入射角Θ I較小時，流體在入口處速度分布比較均勻，當Θ i增大時，軋件表面的流場速度分量增加，有利于增加入口處的換熱系數，然而，如果入射角太大，則會導致部分冷卻水回流和管體內壓力的快速衰減，減小換熱和阻礙生產順行，數值計算和實踐證明9^28°，且Q2=Q1，環縫角Θ為12°。
(3)d的確定喉口直徑d會顯著影響換熱系數，在水壓IMPa、流量100mVh條件下， 對比分析了 d分別為15mm、22mm、30mm對流換熱系數,差距較大，15mm的入口表面換熱系數最大值為1. 6 X IO4 ff/ (m2°C )、25mm 為1. 2X104 ff/ (m2°C )、30mm 為1.1 X IO4 ff/ (m2°C ), 可見在一定范圍內，隨喉口直徑的減小，入口處換熱效果增強，然而同時考慮軋件冷卻彎頭等因素，設計Φ 12mm成品鋼筋使用的冷卻器d為18mm, Φ 14mm成品鋼筋使用的冷卻器d為 21mm。
(4)環縫距離δ調節范圍的確定調節環縫距離δ可以實現流量與壓力的微調， 模擬計算了在特定壓力和流量下環縫調節的開度，主要目的是防止冷卻器返水，從而提高冷卻均勻性和保證生產順行，通過Fluent軟件模擬了在預置水壓IMPa、流量80m3/h條件下環縫水平調節分別為5mm、10mm、15mm、20mm、25_的冷卻器出口速度矢量圖，結果顯示環縫水平調節為5mm、10mm、15mm不發生返水，20mm、25mm發生返水。所以δ < 20mm。
本發明的優點在于國內外首次實現了 Φ12ι πι、Φ 14mm四線切分在滿足基圓邊部組織為P+F條件下的微合金元素減量化。避免了四線低溫切分和水冷過程中出現的彎曲、 水冷產生的低溫相變組織、四線線差和力學性能差等。該技術發明是在低成本、高效率條件下生產出來的高質量產品(與MA工藝質量水平相當)，經濟效益顯著，噸鋼綜合成本比MA工藝降低約55元/噸。


圖1為冷卻器結構參數示意圖。其中，入射角Q1、出口角θ2、環縫角Θ、環縫距離S、喉口直徑d，單截湍流管長度I。
圖2為Φ 12mm四線切分預切分孔型參數值示意圖。
圖3為Φ 12_四線切分切分孔型參數值示意圖。
具體實施方式
實施例1:
Φ 12mm HRB400E四線切分采用的鋼坯化學成分為C :0. 22wt%, Mn :1. 40wt%, Si O. 53wt%，P :0. 032wt%，S :0. 021wt%，Ceq :0. 46wt%。
1、預切分前穿水冷卻為了實現高強鋼筋微合金元素減量化，低溫精軋及低溫切分可顯著提高位錯密度、提高珠光體比例、誘導晶內鐵素體析出等提高材料強度，為此，預切分前穿水冷卻在精軋機入口處布置三組冷卻器，每組有兩個冷卻器，該冷卻器為正反向湍流冷卻器；
2、四線預切分采用低溫精軋的四線切分使金屬流變速度降低，Φ12πιπι HRB400E(400MPa抗震鋼筋)采用低溫開軋，開軋溫度970°C ;預切分孔型的設計為切分楔間距為 5. 57_，配合切分孔的楔角為72°，兩邊切分孔半楔角為36°，輥縫為3_ ;
3、四線切分切分孔型的設計為考慮在裝配軋輥時對切分楔的保護，楔間距為 Imm ;為避免在軋制時切分帶過寬,楔角半徑為O. 8mm,楔角為54° ,考慮四線差的控制,切分孔型的邊孔半楔角為38° ;四線實際線差在40mm以內，增強了低溫切分順行的穩定性；
4、終軋Φ 12mm HRB400E 終軋溫度為 820°C ；
5、軋后兩級控制冷卻考慮避開貝氏體或馬氏體相變組織，在終軋之后布置八組可獨立調節的冷卻器，每組有三個冷卻器，該冷卻器為單向氣截湍流冷卻器；Φ 12mm HRB400E兩級控制冷卻為軋后一次冷卻將表面冷至700 °C，軋后二次冷卻將表面冷至 640°C，上冷床回復溫度為750°C，基圓邊部組織為P+F ；
冷卻器結構設計為入射角Q1S 28°、出口角92為28°、環縫角Θ為12°、環縫距離δ為10mm、喉口直徑d為18mm、單截瑞流管長度I為200mm。
實施例2
Φ 14mm HRB500E四線切分采用的鋼坯化學成分為C :0. 22wt%, Mn :1. 40wt%, Si O. 53wt%，P :0. 032wt%，S :0. 021wt%，V :0. 052wt%，N :0. 011wt%，Ceq :0. 46 wt%。
1、預切分前穿水冷卻為了實現高強鋼筋微合金元素減量化，低溫精軋及低溫切分可顯著提高位錯密度、提高珠光體比例、誘導晶內鐵素體析出等提高材料強度，為此，預切分前穿水冷卻在精軋機入口處布置三組冷卻器，每組有兩個冷卻器，該冷卻器為正反向湍流冷卻器；
2、四線預切分采用低溫精軋的四線切分使金屬流變速度降低，Φ14πιπι HRB500E (500MPa抗震鋼筋)考慮V的充分固溶，采用較低溫開軋，開軋溫度1000°C ;預切分孔型的設計為切分楔間距為5. 57_，配合切分孔的楔角為72°，兩邊切分孔半楔角為36°，輥縫為 3mm ；
3、四線切分切分孔型的設計為考慮在裝配軋輥時對切分楔的保護，楔間距為 Imm ;為避免在軋制時切分帶過寬,楔角半徑為O. 8mm,楔角為54° ,考慮四線差的控制，K3 孔的邊孔半楔角設計為38° ;四線實際線差在40mm以內，增強了低溫切分順行的穩定性；
4、終軋Φ 14mm HRB500E 終軋溫度為 830°C ；
5、軋后兩級控制冷卻考慮避開貝氏體或馬氏體相變組織，在終軋之后布置八組可獨立調節的冷卻器，每組有三個冷卻器，該冷卻器為單向氣截湍流冷卻器；Φ 14mm HRB500E兩級控制冷卻為軋后一次冷卻將表面冷至680 °C，軋后二次冷卻將表面冷至 610°C，上冷床回復溫度為720°C，軋材基圓邊部組織為F+P，橫肋和縱肋存在少量的B。
冷卻器結構設計為入射角Q1S 28°、出口角92為28°、環縫角Θ為12°、環縫距離δ為15mm、喉口直徑d為21mm、單截湍流管長度I為200mm。
權利要求
1.一種四切分高強抗震鋼筋的生產方法，采取控軋控冷工藝，其特征在于，工藝步驟中控制的技術參數如下1)預切分前穿水冷卻在精軋機入口處布置三組冷卻器，每組有兩個冷卻器，該冷卻器為正反向湍流冷卻器；2)四線預切分Φ12πιπιHRB400E鋼筋開軋溫度960-980 ;Φ 14mm HRB500E鋼筋開軋溫度1000-1020°C ;預切分孔型的設計為切分楔間距為5. 57mm，配合切分孔的楔角為72°，兩邊切分孔半楔角為36° ,棍縫為3mm ；3)四線切分切分孔型的設計為在裝配軋輥時對切分楔保護，楔間距為Imm;為避免在軋制時切分帶過寬，楔角半徑為O. 8mm，楔角為54°，考慮四線差的控制，切分孔型的邊孔半楔角為38° ;四線實際線差在50mm以內；4)終軋Φ12mm HRB400E 終軋溫度 820-850°C，Φ 14mm HRB500E 終軋溫度 820_860°C ；5)軋后兩級控制冷卻在終軋之后布置八組可獨立調節的冷卻器，每組有三個冷卻器，該冷卻器為單向氣截湍流冷卻器；Φ 12mm HRB400E兩級控制冷卻為軋后一次冷卻將表面冷至690-720°C，軋后二次冷卻將表面冷至630-650°C，上冷床回復溫度為730_770°C，基圓邊部組織為P+F ； Φ 14mm HRB500E兩級控制冷卻為軋后一次冷卻將表面冷至660_700°C，軋后二次冷卻將表面冷至600-620°C，上冷床回復溫度為700-730°C。
2.根據權利要求1所述的生產方法，其特征在于，所述的Φ12πιπι四線切分400MPa抗震鋼筋不添加V和Nb微合金元素，Φ 14mm四線切分500MPa抗震鋼筋加入V :0. 05-0. 06wt%和 N 0.010-0. 012wt%o
3.根據權利要求1所述的生產方法，其特征在于，所述的冷卻器的結構設計關鍵參數包括入射角(91)、出口角(92)、環縫角(Θ )、環縫距離(δ )、喉口直徑(d)和單截湍流管長度(I);其中，(Θ !>=28°，且(θ2) = ( Θ 丨)，環縫角(Θ )為 12° ;( δ ) < 20mm ;Φ 12mm成品鋼筋使用的冷卻器(d)為18mm, Φ 14mm成品鋼筋使用的冷卻器(d)為21mm ; (I)為200mmo
全文摘要
一種四切分高強抗震鋼筋的生產方法，屬于抗震建筑用鋼技術領域。控軋控冷過程為加熱爐低溫開軋→預切分前穿水冷卻→四線預切分→四線切分→終軋→軋后兩級控制冷卻。優點在于實現了Φ12mm、Φ14mm四線切分在滿足基圓邊部組織為P+F條件下的微合金元素減量化。避免了四線低溫切分和水冷過程中出現的彎曲、水冷產生的低溫相變組織、四線線差和力學性能差等。
文檔編號C21D11/00GK102989763SQ20121048825
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月26日 優先權日2012年11月26日
發明者邸全康, 周玉麗, 程四華, 鄭福印, 王立峰, 吳曉春, 郭新文, 吳明安, 徐濱偉, 王曉晨, 晁月林, 王勇, 魯麗燕, 李睿英 申請人:首鋼總公司