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控轧控冷技术在螺纹钢生产中的应用摘要：采用控轧控冷的方法用20Mnsi生产400MPa级的Ⅲ级钢筋,可以降低成本。用热模拟试验机测定了20MnSi钢的动态CCT曲线,确定了开发20MnSiⅢ级钢筋的生产试验方案,所生产的螺纹钢筋的性能指标达到了Ⅲ级钢筋的标准要求。关键词：20MnSi；螺纹钢筋；控轧控冷；钢筋是重要的建筑用钢材,其应用非常广泛,用量也很大。随着建筑行业的迅猛发展,对热轧螺纹钢筋的性能要求越来越高。工业发达国家,如德国、美国等国家的建筑用钢已淘汰了低强度的Ⅱ级钢筋这一等级,并以400MPa级的Ⅲ级钢筋来替代。Ⅲ级钢筋具有强度高,综合性能好的优点,采用Ⅲ级以上钢筋代替Ⅱ级钢筋可节约钢材约10%~15%,而我国建筑用钢筋的80%为20MnSiⅡ级钢筋,为此我国正在大力推广应用400MPa级的Ⅲ级钢筋,研制和开发高强度钢筋已是势在必行。400MPa级的Ⅲ级钢筋的生产工艺目前主要有两种,一是在20MnSi中加入微量合金元素钒(或铌、钛),二是采用控轧控冷的方法,而前者的成本较高。钢筋的控轧控冷是通过控制钢材在轧制过程中的温度变化和轧后冷却过程的工艺参数,以得到细小均匀的相变组织,从而获得强度、塑性、韧性均好的优良产品。采用控轧控冷方法可节约合金元素,降低成本;同时可简化工序,降低能耗,具有显著的经济效益和社会效益。笔者采用控轧控冷的方法进行了Ⅲ级钢筋的试验开发工作。1试验材料及方法为了准确地确定合理的控轧控冷工艺参数,在Gleeble-2000热模拟机上测定了动态CCT曲线。试验用钢20MnSi的化学成分(质量分数,%)为:0.21C,1.44Mn,0.47Si,0.028S,0.023P。CCT曲线的测定:采用10mm×12mm的圆棒试样,在Gleeble-2000热模拟试验机上将试样加热到1150℃,保温5min后以10℃·s-1的冷却速度分别冷却到900℃和1050℃,保温20s后分别进行50%的单道次变形,然后分别以1、2、10、15、50℃·s-1的冷却速度冷却到室温,测得热膨胀曲线,结合金相法绘制出两个变形温度下的动态CCT曲线。在显微镜下观察显微组织,测定组织的体积分数。2试验结果与分析20MnSi钢在900℃和1050℃的变形温度下得到的动态CCT曲线可以看出，当钢在相变区内以小于15℃/s的速度冷却时组织为先共析铁素体和珠光体，没有马氏组织；当以50℃/s的速度冷却时全部为马氏体组织。两相变区的范围为冷速1-15℃/s,随着冷却速度的增加，珠光体的含量增加。变形温度高者与变形温度低者相比,前者发生相变所需的时间长,并且发生相变的温度略高,这样在相变前奥氏体晶粒较粗大,从而相变后的铁素体晶粒较粗大,从而使塑性下降。2试验结果与分析20MnSi钢在900℃和1050℃的变形温度下得到的动态CCT曲线可以看出,当钢在相变区内以小于15℃/s的速度冷却时组织为先共析铁素体和珠光体,没有马氏体组织;当以50℃/s的速度冷却时全部为马氏体组织,微组织的形貌如图2所示。两相区的范围为冷速1~15℃/s,随着冷却速度的增加,珠光体的含量增加。此外,热轧以后钢材的冷却速度对组织也有重要影响。冷却速度过慢,先共析铁素体就会长得粗大,珠光体也为粗片状,造成强度和韧性降低。尤其是当钢的加热温度过高又缓慢冷却时,先共析铁素体优先在奥氏体晶界上析出,然后沿晶界长大,形成网状铁素体。但冷速过快,又会出现少量贝氏体、马氏体等组织,所以冷却速度应控制在15℃/s以内。3工艺方案及其实验结果结合某工厂的实际情况,在原有工艺的基础上采用两个工艺试制20MnSiⅢ级钢筋。对冶炼不作特殊要求,满足标准的要求即可。3·1方案1工艺1:整个轧制过程按常规进行轧制,但在终轧后进行穿水冷却替代空冷。该厂目前生产Ⅱ级螺纹钢筋时,轧后直接在冷床上空冷,由于冷却速度较慢,相变前奥氏体晶粒的长大,使相变后的铁素体晶粒也粗大;另外由于相变温度高,在相变时容易形成魏氏体、铁素体和珠光体组织。相变后的铁素体晶粒在高温和长时间的冷却中容易长大。为此在终轧后用冷却设备进行水冷,并在水冷时对轧制的冷却速度和温度进行控制,根据冷却作用的不同将轧后控冷分为3个阶段进行,以降低奥氏体向铁素体的转变温度和阻止相变后的铁素体晶粒的长大,从而在提高材料强度的同时又不降低它的韧性,获得良好的综合力学性能。20MnSi螺纹钢筋的终轧温度为1050℃,轧后控冷的第1阶段是轧后立即进行快冷,使轧件快冷到相变温度800℃左右,防止相变前奥氏体晶粒的长大。第2阶段是在800℃时减少水流量,降低冷却速度,将冷却速度控制在15℃/s以下,避免奥氏体向马氏体转变从而降低轧件的性能,此时的组织为铁素体、珠光体,冷却到500℃,进行第3阶段的空冷。以这种工艺得到的钢筋的屈服强度平均为450MPa,抗拉强度为650MPa。3·2方案2工艺2:降低各道次的轧制温度,并在中轧机组和精轧机组之间加入冷却水,使精轧在未再结晶区进行。在控制轧制的实验过程中,保持现有孔型系统和轧制速度不变,适当降低轧制温度,开轧温度由原来的1150~1180℃降至1050~1120℃,粗轧和中轧过程按常规进行轧制,中轧机组的轧后温度为990℃,使钢坯在较低的温度下进行粗轧和中轧以细化奥氏体晶粒,然后在中轧机组与精轧机组之间增设了强制冷却器,使钢筋迅速冷却到再结晶温度以下,在未再结晶区(800℃左右)进行精轧,终轧后轧件温度在860℃左右,轧后空冷。在未再结晶奥氏体中由于有变形带的存在,铁素体不仅在晶界上成核而且在变形带上成核[3]。在变形带上形成的铁素体晶粒细小,呈点列状析出。在奥氏体晶界生成的铁素体晶粒在奥氏体晶粒的内部互相接触时就停止成长,即铁素体晶粒是以伸长了的奥氏体晶粒的短轴尺寸的一半为界终止其长大的。其结果就突破了单纯细化再结晶奥氏体晶粒而使铁素体晶粒细化的限度,得到了细小的铁素体晶粒。但是变形带上的铁素体先行析出并且细小,而不在变形带上的奥氏体发生转变较晚,转变后会形成较前者粗的铁素体晶粒。若未再结晶区的总变形量小,得到的变形带就少,而且分布不均。为了保证获得细小均匀的铁素体晶粒,需要在未再结晶区保证总压下率大于约45%[4]。进入精轧,温度虽然很低,但并未发生相变,依然为奥氏体组织,根据动态CCT曲线,冷却后得到的轧件组织为细小均匀的铁素体和珠光体。晶粒细化可以使材料的强度和韧性同时得到提高。以这种工艺得到的钢筋的屈服强度为430MPa,抗拉强度为620MPa左右。4结论整个轧制过程按常规进行轧制,但在终轧后进行穿水冷却替代空冷,可以生产出合格的20MnSiⅢ级钢筋。另外,降低粗、中轧各道次的轧制温度,在中轧和精轧机组之间加入水冷装置进行水冷,使精轧在未再结晶区进行,也可以生产出合格的20MnSiⅢ级钢筋。