化学冷却工艺 提高螺纹钢防锈性能

2010-8-12 00:10 来源: 科学时报
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  近期,中国科学院金属研究所科研人员研发了一种化学冷却工艺,优化了能够改善水冷螺纹钢表面氧化皮组成和处理液的结构化学配方,能显著提高热轧螺纹钢防锈性能。一系列大气腐蚀评价试验均表明,该化学冷却螺纹钢的防锈性能明显好于水冷螺纹钢。

  螺纹钢是建筑行业用量最大的钢材产品。我国2008年的螺纹钢产量和消费量均已接近1亿吨,约占钢材总产量的1/6。螺纹钢的力学性能直接决定建筑结构的安全性和耐久性,目前发达国家已采用400MPaⅢ级螺纹钢,我国仍主要使用335MPaⅡ级螺纹钢。

  为提高我国建筑安全标准,建设部已明确规定要以高强度Ⅲ级螺纹钢逐步取代Ⅱ级螺纹钢。与微合金强化和控轧控冷强化相比,采用轧后水冷强化技术生产Ⅲ级螺纹钢虽然具有显著的低成本特点,但产品在储运过程中容易生锈,造成外观质量差而导致销售困难,给企业带来经济损失。同时,直接使用带锈螺纹钢会降低混凝土整体结构的性能,而使用前除锈又将增加成本和工序。因此,在低成本下提高水冷螺纹钢的防锈性能将产生显著的经济和社会效益。

  热轧螺纹钢表面氧化皮主要形成于终轧后的冷却过程,氧化温度、氧化时间、供氧程度及冷却速度是影响其组成和结构的主要因素。氧化皮由FeO、Fe3O4和Fe2O3组成,其结构决定螺纹钢的防锈性能。

  研究结果表明,FeO为疏松多孔的细结晶组织,对螺纹钢防锈不利;Fe3O4为致密的反尖晶石结构,对螺纹钢防锈有利;Fe2O3结构最致密,但生成量少,对螺纹钢生锈影响较小。

  显然,提高水冷螺纹钢防锈性能的关键,在于能否在冷却过程中改善表面氧化皮的组成和结构。

  相对热轧螺纹钢的空气冷却,穿水冷却大大加快了终轧后螺纹钢的降温速度,也大大降低了螺纹钢的环境氧分压。冷却水的氧分压只有大约0.35~0.7kPa,远低于空气的氧分压(约21kPa),这使得氧化皮的组成和结构发生了变化,导致水冷螺纹钢容易生锈。因此,在不影响水冷螺纹钢力学性能的基础上,通过化学方法提高冷却水的氧分压,可以改变终轧后水冷螺纹钢氧化皮的形成条件,改善其组成和结构,提高螺纹钢的防锈性能。  

  中科院金属所科研人员研发了一种化学冷却工艺,通过实验室内的系列正交实验,优化出了能够改善水冷螺纹钢表面氧化皮组成和处理液的结构化学配方。当终轧温度在1000℃左右、穿水时间为1秒时,得到的氧化皮防锈性能较好。终轧温度过低或冷却速度过快,均不利于改善氧化皮的质量。

  分析表明,化学冷却增加了氧化皮中Fe3O4的含量,提高了氧化皮外层Fe3O4的致密性,并且在氧化皮/基体界面也形成一层较厚的Fe3O4层,提高了氧化皮与基体之间的结合力。电化学阻抗评价结果表明,化学冷却螺纹钢在混凝土中的耐蚀性也明显好于水冷螺纹钢。在一年多的浸泡加速腐蚀实验中,化学冷却螺纹钢的腐蚀速率仅是水冷螺纹钢的1/20。为了制定化学冷却工艺,采用有限元方法模拟了螺纹钢冷却过程中的温度场变化。结果表明,采用两段式冷却,前段采用冷速较慢的化学剂FM冷却,保证氧化皮的质量;后段强穿水冷,满足力学性能的要求,可以实现提高螺纹钢综合性能的目标。