新化學(xué)冷卻工藝提高熱軋螺紋鋼防銹性能
近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所科研人員研發(fā)了一種化學(xué)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(xué)配方，能顯著提高熱軋螺紋鋼防銹性能。一系列大氣腐蝕評(píng)價(jià)試驗(yàn)均表明，該化學(xué)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(guó)2008年的螺紋鋼產(chǎn)量和消費(fèi)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(xué)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(dá)國(guó)家已采用400MPaⅢ級(jí)螺紋鋼，我國(guó)仍主要使用335MPaⅡ級(jí)螺紋鋼。
為提高我國(guó)建筑安全標(biāo)準(zhǔn)，建設(shè)部已明確規(guī)定要以高強(qiáng)度Ⅲ級(jí)螺紋鋼逐步取代Ⅱ級(jí)螺紋鋼。與微合金強(qiáng)化和控軋控冷強(qiáng)化相比，采用軋后水冷強(qiáng)化技術(shù)生產(chǎn)Ⅲ級(jí)螺紋鋼雖然具有顯著的低成本特點(diǎn)，但產(chǎn)品在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中容易生銹，造成外觀質(zhì)量差而導(dǎo)致銷(xiāo)售困難，給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。同時(shí)，直接使用帶銹螺紋鋼會(huì)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(jì)和社會(huì)效益。
熱軋螺紋鋼表面氧化皮主要形成于終軋后的冷卻過(guò)程，氧化溫度、氧化時(shí)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(xì)結(jié)晶組織，對(duì)螺紋鋼防銹不利；Fe3O4為致密的反尖晶石結(jié)構(gòu)，對(duì)螺紋鋼防銹有利；Fe2O3結(jié)構(gòu)最致密，但生成量少，對(duì)螺紋鋼生銹影響較小。
顯然，提高水冷螺紋鋼防銹性能的關(guān)鍵，在于能否在冷卻過(guò)程中改善表面氧化皮的組成和結(jié)構(gòu)。
相對(duì)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(yuǎn)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(dǎo)致水冷螺紋鋼容易生銹。因此，在不影響水冷螺紋鋼力學(xué)性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)化學(xué)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(xué)冷卻工藝，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的系列正交實(shí)驗(yàn)，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(xué)配方。當(dāng)終軋溫度在1000℃左右、穿水時(shí)間為1秒時(shí)，得到的氧化皮防銹性能較好。終軋溫度過(guò)低或冷卻速度過(guò)快，均不利于改善氧化皮的質(zhì)量。
分析表明，化學(xué)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(xué)阻抗評(píng)價(jià)結(jié)果表明，化學(xué)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(shí)驗(yàn)中，化學(xué)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(xué)冷卻工藝，采用有限元方法模擬了螺紋鋼冷卻過(guò)程中的溫度場(chǎng)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(xué)劑FM冷卻，保證氧化皮的質(zhì)量；后段強(qiáng)穿水冷，滿足力學(xué)性能的要求，可以實(shí)現(xiàn)提高螺紋鋼綜合性能的目標(biāo)。
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