Tempcore工艺：热轧带肋钢筋高效生产技术

Tempcore工艺生产热机械处理（TMT）钢筋

Tempcore工艺生产钢筋是一种专利工艺：热轧钢筋离开轧机最后机架后立即经水强力表面淬火，随后风冷过程中靠芯部残余热量回火淬硬表层。

Tempcore工艺是20世纪70年代初由比利时列日冶金研究中心（CRM）开发的热机械处理工艺之一，旨在从低碳钢坯生产高屈服强度可焊钢筋，不损害延性且无需添加微合金元素。

钢筋性能要求

强度配合延性、可焊性和成形性是钢筋最基本质量要求。因此屈服强度配合抗拉强度是标准中钢筋第一要求，钢级按规定最小屈服强度分级。使用高等级钢筋经济，因同等荷载条件下用钢量少，总成本降低。保证钢筋屈服强度提高时，给定土木工程用钢筋重量减少，钢筋成本降低。用量减少也降低施工中运输、搬运和安装成本。

许多施工现场钢筋组装技术中，焊接是确保尺寸精度的必要手段。许多情况下绑扎连接不够强，机械连接不总适用。因此焊接成为要求，大量现场焊接发生。故钢筋可焊性也是主要关注点。已知钢筋可焊性要求低碳含量（约0.25%甚至0.22%用于抗点焊工艺）和低碳当量（约0.45%）。可用多种焊接方法如手工电弧焊（MMAW）、气保焊（GMAW）、闪光焊（FW）和电阻焊（RW）。其中搭接和十字焊因热输入低、散热快对热影响区裂纹最敏感。

另一重要性能是弯曲性。良好弯曲性使最优设计成为可能，进一步降低成本。连接钢筋需良好反弯能力。事实上一些标准规定钢筋须通过小芯棒（钢筋直径3-4倍）弯曲和反弯测试，甚至在寒冷天气（-20℃）。

早期混凝土结构设计基于应力概念，假设正常出现荷载仅在钢筋产生弹性应力。此时结构安全可用应力比定义，如工作应力与钢筋屈服应力比（图1a）。但近年研究表明基于应力计算钢筋混凝土不足，因某些情况下须吸收一定程度局部塑性变形而不破坏钢筋（如捣固时）。此时混凝土结构安全用应变比表示，如可能发生局部塑性变形与钢筋均匀伸长率比（图1b）。这种设计现被许多国家采用，要求钢筋具延性，规定收到钢筋和焊接钢筋保证均匀伸长率达4%。

图1 钢筋施工使用安全概念

防止反弯后延性丧失是混凝土结构安全另一重要方面，再次强调良好反弯能力必要性。此外，高屈服强度钢筋也可减小高层建筑主梁宽度或柱尺寸，降低混凝土和搬运成本。加工中为安全需足够延性，对抗震设计结构尤重要。从加工角度，弯曲反弯需良好延性。对延性关注反映在所有标准中，通常规定180°弯曲最小芯棒直径和总伸长率。

其他要求包括疲劳抗力、高低温性能、冲击性能、耐腐蚀性，但各国标准一般不规定，尽管关注度增加。

综上，从钢筋要求和用户角度看，钢筋需具重要性能：(i) 高屈服强度；(ii) 良好可焊性；(iii) 良好弯曲和反弯性；(iv) 延性。

钢筋生产工艺

有多种常规工艺生产高强可焊钢筋，可分两大类（图2）。

钢筋可空冷后作为轧制态使用。生产此类钢筋通过调整化学成分提高屈服强度，但碳锰含量须保持低水平以避免显著降低可焊性。通过微合金化，即添加适量微合金元素如铌、钒实现。

钢筋可热轧后经应变硬化生产，如冷变形。此类钢筋可通过增加应变硬化程度提高屈服强度。此法能从低碳锰钢生产高强可焊钢筋。例为冷扭带肋钢筋（CTD钢筋）。

图2 生产高强可焊钢筋工艺分类

Tempcore工艺

生产钢筋轧机中，钢坯在加热炉加热至约1150℃，经系列轧制单元逐步轧制成最终钢筋尺寸形状。离开最后单元后施加受控冷却，使钢筋经历三阶段冶金转变，如典型连续冷却转变（CCT）图所示（图3）。CCT图显示Tempcore工艺依赖温度和时间。

图3 CCT图上的Tempcore工艺

Tempcore工艺重要特征是极大通用性。给定直径和钢成分下，通过正确选择第一阶段持续时间（冷却时间）和淬火装置水流量（冷却强度），钢筋性能可大幅调整。正确应用可使屈服强度增加150-230MPa，延性无过度显著下降。Tempcore钢筋在无任何合金元素添加情况下实现高强（可焊）等级和强度提升。

Tempcore工艺能从低碳低锰钢生产高强可焊钢筋，无需添加昂贵微合金元素如钒或铌。因同一钢坯成分可用于不同钢级和直径，厂内可显著合理化。水淬自回火处理直接在精轧机架后在线进行，不降低轧制速度或生产率。通过Tempcore处理和微合金化学成分审慎结合，可生产新高等级（屈服强度>700MPa、抗拉强度>800MPa），特别是大直径钢筋（达75mm）。

Tempcore钢筋生产工艺有三阶段：(i) 表层淬火；(ii) 马氏体自回火；(iii) 芯部转变。正确应用工艺导致钢筋屈服强度增加，增量取决于冷却强度。工艺示意图见图4。

第一阶段：钢筋离开热轧机最后机架通过特殊水冷段。冷却效率使钢筋表层淬火成马氏体而芯部保持奥氏体。当钢筋皮下形成确定厚度马氏体层（外部横截面温度降至马氏体转变起始温度Ms以下）时停止淬火。

第二阶段：钢筋离开强冷段，横截面建立温度梯度，热量从中心向表面传递。表层温度升高导致马氏体自回火。Tempcore名称说明淬火阶段结束时芯部残余热回火马氏体层。

第三阶段：钢筋在冷却床缓慢冷却时，奥氏体芯部转变为铁素体+珠光体或贝氏体+铁素体+珠光体。因此Tempcore钢筋本质为同心复合材料：硬外层、软芯部、中间过渡硬化层。在相对低碳含量下，Tempcore钢筋提供高强度、优异延性和可焊性等优势。

图4 Tempcore钢筋生产工艺示意图

CRM开发了两个Tempcore工艺模型（图5），持续用于新装置调试并改进。第一模型用于装置设计，计算获取生产最小屈服强度（屈服强度+安全余量）所需淬火时间，输入：(i) 钢筋数据（直径、终轧温度）；(ii) 选择冷却喷嘴内径；(iii) 单位水流量。第二模型将力学性能与钢化学成分和钢筋直径关联。

每个新Tempcore装置优化考虑轧机约束、钢筋直线度、工艺可控性，在以下间达最佳妥协：(i) 设备总长度；(ii) 总冷却水流量（名义压力1.2MPa）；(iii) 覆盖全钢筋直径范围所需喷嘴范围数。

图5 Tempcore装置设计模型

另一重要点是减少换径或生产非Tempcore产品所需时间和人力。空间允许时选用侧向移动集水箱。长冷却线可分两三段集水箱（各独立侧向移动），如最近大直径（达75mm）钢筋装置。这是最长54m Tempcore装置（3段各18m），每喷嘴配远程开关阀。空间（宽度、通过线高度）为主要约束时，集水箱可固定配一组喷嘴。

Tempcore装置也可设计为4并行冷却线用于8-12mm钢筋分条轧制。此线有紧凑集水箱，每流配备独立冷却长度和水流量控制。其他特定功能如：保护未用喷嘴防过热（主要在冷却线入口）用外部全锥喷嘴，或下游冷却管沿程水套配两全锥喷嘴冷却喷射器。冷却喷嘴前用防吸装置（钢筋直径25mm以上）防止喷嘴吸气导致钢坯前端冷却效率下降。

Tempcore工艺控制

控制程序基于调试试验得出的屈服强度/回火温度关系。若马氏体层厚度与屈服强度关系变化，须调整淬火线冷却功率获取所需屈服强度值（等级YS+安全余量）。

测温仪是工艺控制核心。回火测温仪位置至关重要，以测尽可能接近表面最大回升温度（表面达到最高温度）。Tempcore箱入口测温仪也重要，测量钢坯终轧温度沿长度或钢坯间变化。终轧温度变化50℃对应等单位水流量下约8%冷却长度变化，进而导致处理后拉伸性能变化。

Tempcore工艺两个易调整且有力控制变量是水流量和淬火时间（图6）。Tempcore线冷却功率控制分两步。第一步（主控）：调整淬火线长度（即使用喷嘴数）。为高效控制并保持冷却均匀性，关闭上游喷嘴。第二步（微调）：通过主调节阀调整水流量。

图6 Tempcore工艺在线控制

冷却长度和淬火时间由精轧机架轧制速度关联。该速度须在钢坯通过淬火设备期间保持恒定，特别是钢坯尾部离开精轧机架时。这由位于Tempcore箱出口和分剪之间的夹辊保证。无此夹辊时，钢坯尾部离开精轧机架时，小直径钢筋被水减速，大直径被加速。

给定直径下，输入参数（冷却长度、水流量、终轧温度、钢化学成分）影响输出参数（回火温度、屈服强度、抗拉强度、TS/YS比）。影响见图7。

图7 输入参数对输出参数影响

Tempcore装置正确使用

为获得均匀处理，冷却强度（单位线长水流量）须足够高，获得完整规则马氏体外环，沿钢坯长度恒定。良好钢筋直线度靠均匀Tempcore处理获得。若马氏体环开口，冷却床观测到波浪形钢筋。Tempcore装置正确使用不应做的重要事项如下。

• 过小直径钢筋经过大冷却喷嘴处理，填充系数F极低，导致马氏体环开口。喷嘴过度磨损（常因错位）也出现此现象。
• 用全可用冷却长度但低单位水流量，冷却强度太低。
• 设计冷却长度超必要两倍以上时上述现象更显著。
• 冷却线入口始终用激活喷嘴，后接一些关闭喷嘴，最后给定激活冷却长度至剥离器。冷却速率中断变太低无法获均匀马氏体层。
• 上述错误常用于保护关闭喷嘴防热钢坯（约1000℃）入口过热，导致漏水。故须正确设计严肃保护喷嘴避免垫圈烧毁。
• 部分酷或完全堵塞喷嘴导致产品周向冷却不均。
• 剥离器部分酷或完全堵塞导致钢筋过冷，因冷却未在装置出口停止。下游导轨水也影响驱动夹辊或剪切的光电检测。
• 回火测温仪位置错误导致无可见性控制工艺。
• 无测温仪维护（电子冷却保护、定期清洁镜头、定期黑体炉前校准）导致温度漂移，产出钢筋被拒收。
• 淬火线出口无夹辊或夹持/速度设置错误导致钢坯长度方向力学性能大幅变化。

Tempcore钢筋特性

钢材类型

Tempcore钢筋用钢基本为普通低碳钢，规定屈服强度、延性、碳或碳当量和屈强比。碳含量最大最小值旨在确保可焊性和淬透性。碳过低淬透性一般不足，需更剧烈淬火，影响轧机设计如轧机速度、冷却室长度和效率。碳含量0.13%-0.24%、碳当量（CE）<0.45%碳钢被证明是最佳平衡满足上述考量。

冶金相与微观组织

硬化层呈薄片包状回火马氏体，具马氏体形貌。中间硬化层为贝氏体和多边形铁素体混合物，芯部发育多边形铁素体和珠光体。

微观组织通常细小，因芯部相对快冷及Tempcore工艺涉及热机械处理，如芯部区多边形铁素体晶粒可达8μm甚至3μm（用较低回火温度时）。但芯部粗大拟共析和魏氏铁素体集合体也是工艺可能结果。Tempcore钢筋微观组织见图8。

图8 Tempcore钢筋微观组织

因较高均质化温度可能形成魏氏铁素体。高终轧温度或许也轧制变形不足是形成此类微观组织主因。高终轧温度和轧制变形不足导致轧制末期大奥氏体晶粒，后续淬火中硬化层和中间硬化层发育粗大马氏体和贝氏体。芯部大奥氏体晶粒阻碍晶界铁素体相互阻碍，允许魏氏铁素体生长。

典型腐蚀横截面显示三冶金区域、典型微观组织及Tempcore钢筋微观组织均匀性见图9。

图9 Tempcore钢筋微观组织及均匀性

工艺参数与钢成分影响

工艺参数和钢成分影响最终性能。通常马氏体层越厚残余热越少，回火越温和，钢筋屈服强度越高、伸长率越低。长淬火时间、低终轧温度、高淬火强度导致马氏体层增厚、回火温度降低。高碳锰含量增加钢淬透性，形成更多马氏体。此外，回火马氏体强度随碳含量增加而提高。

图5模型描述屈服强度与所有影响参数关系。模型原用于装置设计。虽回火温度不直接出现，但终轧温度、淬火时间、钢筋直径、水流量与其强相关。Tempcore钢筋伸长率与屈服强度近似线性对应。

拉伸性能

Tempcore工艺可使给定成分屈服应力增加150-200MPa而不损失太多伸长率。钢筋拉伸性能取决于工艺参数和钢成分。Tempcore钢筋典型屈服强度范围415-550MPa，5d标距伸长率同序30%降至25%。典型应力应变曲线特征：(i) 弹性模量200,000MPa；(ii) 明显屈服点和吕德斯型屈服，故0.01%证明应力与0.2%证明应力重合；(iii) 屈服应力/抗拉强度比约0.85；(iv) 大伸长率（25-30%）、大吕德斯应变和大均匀应变。

Tempcore钢筋拉伸性能对比常规钢筋有两大特征：(i) 更高屈强比，0.85对常规钢0.65；(ii) 更大伸长率，25%对常规钢4.5%-22%。

成形性

Tempcore钢筋另一显著性能是优异弯曲反弯性能。尽管有硬化外层，12-28mm钢筋180°单向弯曲最小弯曲直径规定为1d，32-36mm为2d。

部分Tempcore钢筋（20、28mm）甚至可无芯棒弯曲。钢筋经时效后仍通过所有弯曲反弯测试满足标准。且弯曲操作因低抗拉/屈服比需能量少，估计节省10%-20%弯曲能量。Tempcore钢筋弯曲性能对比常规钢筋见表1。

表1 Tempcore钢筋与常规钢筋弯曲性能对比
	弯曲测试	典型D值
		常规钢（CE=0.61%）	Tempcore钢筋（CE=0.30%）
1	180°弯曲	3	0.5
2	时效后90°弯曲反弯	6	3.2
3	电渣对焊后90°弯曲	15	4
4	电渣十字焊后90°弯曲	>20	7

注：弯曲性用最小弯曲直径D表示（D为最小可能弯曲直径与钢筋直径之比）

可焊性

钢可焊性对化学成分极敏感，特别是碳含量和碳当量（CE）。两常用公式：国际焊接学会（IIW）公式和Ito-Besseyo公式，分别适用高低碳范围。

IIW公式：CE=C+(Mn+Si)/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15（碳>0.18%）；Ito-Besseyo公式：CE=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B（碳<0.18%）。IIW碳当量公式对置换合金元素容忍度低于Ito-Besseyo方程。钢筋可焊性通常用IIW公式或简化IIW公式（CE=C+Mn/6），因碳含量关系。

用IIW公式，CE<0.45%钢用现代技术视为可焊。Tempcore钢筋CE远低于0.45%临界值，再次优于其他钢筋类型。

Tempcore钢筋优异可焊性由十字焊弯曲测试证明（图10）。20mm钢筋十字焊后在3d芯棒上180°弯曲，焊接热影响区无裂纹迹象。Tempcore钢筋低温和/或潮湿状态显示卓越可焊性。无需预热和后热。

图10 带十字焊Tempcore钢筋弯曲

优异可焊性也由焊后拉伸性能证明。对接焊通常未见屈服强度下降，断裂位于焊缝外。不同焊接工艺下焊缝均无裂纹。

其他性能

除高抗拉强度、优异延性、卓越可焊性外，Tempcore钢筋显示良好低温韧性、对表面损伤敏感性低、疲劳抗力和热敏感性也极具竞争力。证明-60℃下20mm钢筋有1mm深切口，落锤试验吸收190卡不破坏。12、16、20mm电弧烧损Tempcore钢筋落锤测试-75℃无断裂。类似缺口损伤和应变时效钢筋-60℃落锤测试存活。

Tempcore钢筋疲劳测试有限。测试显示疲劳性能满足标准。12mm Tempcore钢筋疲劳测试显示优于冷加工钢筋。也研究镀锌对Tempcore钢筋疲劳性能影响。所有结果表明Tempcore钢筋疲劳强度与同等屈服强度其他钢筋相当。

Tempcore钢筋耐热性能重要，因可能火灾损伤。用两法评估：(i) 先加热后室温抗拉强度损失；(ii) 高温抗拉强度损失。实验室条件250-900℃加热半小时后，室温抗拉强度500℃前随预热略增强，以上显著下降。此性能如冷扭钢筋、优于部分热轧钢筋。冷加工钢筋300-400℃开始失强。热轧钢筋350℃起显著失强。热轧低碳微合金钢筋600℃起显示失强。Tempcore钢筋高温抗拉强度类似冷加工和微合金钢筋，300℃和500℃屈服强度分别下降20%和40%。