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轧制之后采用水冷工艺生产Ⅲ级螺纹钢,能够实现在低成本的前提下提高钢筋的力学性能。然而,采用水冷工艺生产的螺纹钢在储运过程中容易生锈,严重影响产品的外观和表面质量,给生产企业带来巨大的经济损失。同时,已锈蚀钢筋用于混凝土中会缩短建筑物的寿命,而使用之前进行除锈处理又会增加成本和工序,严重限制了水冷螺纹钢的生产和使用。因此,改善水冷螺纹钢的耐蚀性能是降低螺纹钢的生产和使用成本、延长钢筋混凝土建筑物寿命的关键,具有显著的经济效益和社会意义。
本文对螺纹钢的冷却工艺进行改进,研发出一种化学冷却工艺,采用一种新型的化学剂FM用于螺纹钢的冷却工艺中,通过优化钢筋表面氧化皮的组成和结构,来改善钢筋在大气及混凝土环境中的耐蚀性能。主要工作包括以下几方面:
对化学剂FM的成分进行优化,考察化学剂的成分及轧制和冷却时的工艺参数对螺纹钢表面氧化皮质量的影响。结果表明,通过成分优化,得到了有利于氧化皮质量的化学剂FM的成分范围,其中H2O2的浓度在10～16％,溶液pH值在7～9,且二者存在对应关系。当采用化学剂FM冷却工艺,终轧温度控制在1000℃左右、穿水时间为1s时,得到的氧化皮的耐蚀性较好。降低终轧温度,或者延长穿水时间,不利于改善氧化皮的质量。
研究FM冷钢筋的氧化皮的组成和结构对其耐蚀性的影响。对比水冷和空冷钢筋,分析了产生三种氧化皮结构差别的因为。结果表明,氧化皮中Fe3O4层越单一、越厚、越致密,氧化皮的耐锈蚀性能越好。与水冷和空冷比较,采用FM冷却,增加了氧化皮中Fe3O4的相对含量,同时提高了氧化皮外层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,获得了有利于提高耐蚀性的氧化皮结构。
对比水冷和空冷钢筋,采用一系列腐蚀实验方法评价了化学剂FM冷却的螺纹钢在大气中的耐蚀性能。结果表明,在大气曝露试验中,水冷钢筋仅经历4天的曝露,表面就布满锈斑；而采用FM冷却的钢筋经历一个月的曝露,仅在局部肋部发生轻微锈蚀。在干湿交替和盐雾加速腐蚀条件下,采用化学试剂FM冷却钢筋的耐蚀性均远优于水冷钢筋,也略优于空冷钢筋。同时,在模拟酸雨大气和海洋大气的腐蚀体系中,FM冷钢筋电极的阳极电流密度远小于水冷钢筋和空冷钢筋；由电化学阻抗谱获得的电荷转移电阻约为水冷钢筋的4倍、空冷钢筋的2倍。这些结果说明采用FM冷却在很大程度上提高了水冷钢筋在大气中的耐蚀性。
采用电化学阻抗方法,对比裸钢筋、水冷钢筋和空冷钢筋,评价了FM冷钢筋在混凝土中的耐蚀性。结果表明,在浸烘交替加速腐蚀实验中,FM冷钢筋发生腐蚀的周期最晚,且腐蚀进行的最缓慢。经过14周期的浸烘交替加速腐蚀实验,FM冷钢筋的腐蚀程度最轻,并且大部分原氧化皮仍未被破坏,说明FM冷钢筋的耐蚀性最好。在经历了一年多的长期浸泡加速腐蚀实验中,FM冷钢筋、空冷钢筋、裸钢筋和水冷钢筋四种钢筋的腐蚀速率的比例约为1.0:5.6:6.6:20.2。可见,采用FM冷钢筋能够在很大程度上减缓钢筋在混凝土中的腐蚀。四种钢筋在混凝土中的腐蚀过程可以分为四个阶段:初始时处于钝态;随着钝化膜的破损,发生轻微腐蚀,电极过程受电荷转移控制；随着钝化膜破坏面积增加,腐蚀速率加快,同时阳极表面有腐蚀产物累积,电极过程受传质过程控制;最后,钝化膜完全破坏,基体表面生成一层锈层,电极过程由阻挡层扩散控制,腐蚀速率保持恒定。并且,四种钢筋在含有氯离子的混凝土中的腐蚀类型不同,裸钢筋和FM冷钢筋腐蚀初期表现为局部腐蚀,水冷和空冷钢筋表现为均匀腐蚀。
氧化皮的结构特性与氧化温度、氧化时间、供氧程度及冷却速度有关。为了给化学剂FM冷却工艺的制定提供依据,采用有限元方法对螺纹钢在冷却过程中的温度场进行了模拟。综合考虑了冷却速度对钢筋力学性能和耐蚀性能的影响,提出了两段式冷却的方案。采用钢厂水冷工艺参数进行对比,对两段式冷却的工艺参数进行了优化,分析了两段式冷却时工艺参数对螺纹钢综合性能的影响。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,可以实现提高钢筋综合性能的目标。并且,钢筋尺寸减小,或者终轧速度降低,都有利于钢筋综合性能的提高,而终轧温度对钢筋综合性能的影响存在一个临界值。