新化學冷卻工藝提高熱軋螺紋鋼防銹性能

　　近期，中國科學院金屬研究所科研人員研發(fā)了一種化學冷卻工藝，優(yōu)化了能夠改善水冷螺紋鋼表面氧化皮組成和處理液的結(jié)構(gòu)化學配方，能顯著提高熱軋螺紋鋼防銹性能。一系列大氣腐蝕評價試驗均表明，該化學冷卻螺紋鋼的防銹性能明顯好于水冷螺紋鋼。

　　螺紋鋼是建筑行業(yè)用量最大的鋼材產(chǎn)品。我國2008年的螺紋鋼產(chǎn)量和消費量均已接近1億噸，約占鋼材總產(chǎn)量的1/6。螺紋鋼的力學性能直接決定建筑結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，目前發(fā)達國家已采用400MPaⅢ級螺紋鋼，我國仍主要使用335MPaⅡ級螺紋鋼。

　　為提高我國建筑安全標準，建設部已明確規(guī)定要以高強度Ⅲ級螺紋鋼逐步取代Ⅱ級螺紋鋼。與微合金強化和控軋控冷強化相比，采用軋后水冷強化技術(shù)生產(chǎn)Ⅲ級螺紋鋼雖然具有顯著的低成本特點，但產(chǎn)品在儲運過程中容易生銹，造成外觀質(zhì)量差而導致銷售困難，給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。同時，直接使用帶銹螺紋鋼會降低混凝土整體結(jié)構(gòu)的性能，而使用前除銹又將增加成本和工序。因此，在低成本下提高水冷螺紋鋼的防銹性能將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。

　　熱軋螺紋鋼表面氧化皮主要形成于終軋后的冷卻過程，氧化溫度、氧化時間、供氧程度及冷卻速度是影響其組成和結(jié)構(gòu)的主要因素。氧化皮由FeO、Fe₃O₄和Fe₂O₃組成，其結(jié)構(gòu)決定螺紋鋼的防銹性能。

　　研究結(jié)果表明，F(xiàn)eO為疏松多孔的細結(jié)晶組織，對螺紋鋼防銹不利；Fe₃O₄為致密的反尖晶石結(jié)構(gòu)，對螺紋鋼防銹有利；Fe₂O₃結(jié)構(gòu)最致密，但生成量少，對螺紋鋼生銹影響較小。

　　顯然，提高水冷螺紋鋼防銹性能的關鍵，在于能否在冷卻過程中改善表面氧化皮的組成和結(jié)構(gòu)。

　　相對熱軋螺紋鋼的空氣冷卻，穿水冷卻大大加快了終軋后螺紋鋼的降溫速度，也大大降低了螺紋鋼的環(huán)境氧分壓。冷卻水的氧分壓只有大約0.35～0.7kPa，遠低于空氣的氧分壓（約21kPa），這使得氧化皮的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導致水冷螺紋鋼容易生銹。因此，在不影響水冷螺紋鋼力學性能的基礎上，通過化學方法提高冷卻水的氧分壓，可以改變終軋后水冷螺紋鋼氧化皮的形成條件，改善其組成和結(jié)構(gòu)，提高螺紋鋼的防銹性能。

　　中科院金屬所科研人員研發(fā)了一種化學冷卻工藝，通過實驗室內(nèi)的系列正交實驗，優(yōu)化出了能夠改善水冷螺紋鋼表面氧化皮組成和處理液的結(jié)構(gòu)化學配方。當終軋溫度在1000℃左右、穿水時間為1秒時，得到的氧化皮防銹性能較好。終軋溫度過低或冷卻速度過快，均不利于改善氧化皮的質(zhì)量。

　　分析表明，化學冷卻增加了氧化皮中Fe₃O₄的含量，提高了氧化皮外層Fe₃O₄的致密性，并且在氧化皮/基體界面也形成一層較厚的Fe₃O₄層，提高了氧化皮與基體之間的結(jié)合力。電化學阻抗評價結(jié)果表明，化學冷卻螺紋鋼在混凝土中的耐蝕性也明顯好于水冷螺紋鋼。在一年多的浸泡加速腐蝕實驗中，化學冷卻螺紋鋼的腐蝕速率僅是水冷螺紋鋼的1/20。為了制定化學冷卻工藝，采用有限元方法模擬了螺紋鋼冷卻過程中的溫度場變化。結(jié)果表明，采用兩段式冷卻，前段采用冷速較慢的化學劑FM冷卻，保證氧化皮的質(zhì)量；后段強穿水冷，滿足力學性能的要求，可以實現(xiàn)提高螺紋鋼綜合性能的目標。