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構化學配方，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)用量最大的鋼材產品。我國2008年的螺紋鋼產量和消費量均已接近1億噸，約占鋼材總產量的1/6。螺紋鋼的力學性能直接決定建筑結構的安全性和耐久性，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生產Ⅲ級螺紋鋼雖然具有顯著的低成本特點，但產品在儲運過程中容易生銹，造成外觀質量差而導致銷售困難，給企業(yè)帶來經濟損失。同時，直接使用帶銹螺紋鋼會降低混凝土整體結構的性能，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生顯著的經濟和社會效益。

　　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構的主要因素。氧化皮由FeO、Fe₃O₄和Fe₂O₃組成，其結構決定螺紋鋼的防銹性能。

　　研究結果表明，FeO為疏松多孔的細結晶組織，對螺紋鋼防銹不利；Fe₃O₄為致密的反尖晶石結構，對螺紋鋼防銹有利；Fe₂O₃結構最致密，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構。

　　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構發(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，改善其組成和結構，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構化學配方。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合力。電化學阻抗評價結果表明，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，保證氧化皮的質量；后段強穿水冷，滿足力學性能的要求，可以實現提高螺紋鋼綜合性能的目標。