담금질 및 강화 철근

냉각 및 강화 철근

오늘날 철근(철근)은 압연기에서 생산되는 철근을 담금질 및 템퍼링하는 기술을 적용하여 생산하고 있습니다. 이 기술로 생산된 철근은 널리 알려진 TMT(열기계 처리) 철근입니다.

TMT 철근은 기본적으로 일반 저탄소강으로 만들어지며 항복 강도, 연성, 탄소 또는 탄소 등가물 및 항복 대 인장 비율로 지정됩니다. 최대 및 최소 지정 탄소 함량은 용접성과 경화성을 보장하기 위한 것입니다. 탄소 함량이 너무 낮으면 강철의 경화능이 충분하지 않을 수 있으므로 압연기의 속도, 냉각실의 길이 및 효율성과 같은 압연기 설계에 영향을 미치는 더 심한 담금질이 필요합니다. 탄소 함량이 0.13% – 0.24% 범위이고 탄소 당량(CE)이 0.48% 미만인 탄소강은 위의 고려 사항을 충족하는 최상의 균형으로 입증되었습니다.

TMT 철근은 열팽창이 콘크리트 구조물과 유사하기 때문에 콘크리트 구조물을 보강하는 데 적합한 소재입니다. 또한, 콘크리트와 결합할 때 재료가 호환됩니다. 철근은 또한 구조물에 작용하는 최대 인장 응력을 견딜 수 있는 능력이 있습니다. TMT 철근은 건설 산업의 핵심 제품일 뿐만 아니라 이 응용 분야의 표준 기계적 특성에 대한 소비자의 우려를 충족시킬 수 있는 고품질 재료이기도 합니다. TMT 철근은 굽힘, 기계 가공 및 용접이 필요한 일반 제작 작업에도 유용합니다.

TMT 철근의 생산 공정은 고강도 철근을 생산하는 경제적인 방법입니다. 냉간 비틀림 변형(CTD) 철근에 비해 TMT 철근의 생산 공정은 특히 직경이 작은 철근의 경우 비용이 많이 드는 기계적 비틀림 처리 비용을 절감할 수 있는 명백한 이점이 있습니다. 추가 이점은 감소된 합금 요소 요구 사항, 등급 외 열, 등급 외 제품, 비축 비용 및 기타 사소한 제강 요소에서 비롯됩니다. 비용을 증가시키는 유일한 요인은 담금질 설치 및 운영과 관련된 압연 작업입니다.

대중적인 TMT 철근의 생산에는 두 가지 주요 공정이 있습니다. (i) Tempcore 프로세스 및 (ii) Thermex 프로세스입니다. 강화 철근 제조를 위한 Tempcore 공정은 연강 빌렛에서 높은 항복 강도의 용접 가능한 콘크리트 철근을 제조하기 위해 Centre de Rechaerche Metallurgiques(CRM) 벨기에에서 1970년대에 개발되었습니다. Thermex 공정은 1970년대 독일 엔지니어링 회사인 Hennigsdorfer Stahl Engineering(HSE)에서 개발 및 브랜드화했습니다.

원칙

TMT 철근의 생산 공정은 열 기계 가공을 기반으로 합니다. 열-기계적 공정은 소성 변형 공정과 다양한 속도로 열처리, 수냉각, 가열 및 냉각과 같은 열처리 공정을 하나의 공정으로 결합하는 야금 공정입니다. 이 공정은 Torsteel 보강 철근 제조에 사용되는 냉간 비틀림에 의한 기계적 가공과 달리 열 기계적 처리 기술로 철근에 높은 강도를 부여합니다. 철근의 강도는 강화 마르텐사이트층에 의한 것이고 철근의 연성은 페라이트-펄라이트층에 의한 것입니다.

열 기계적 처리는 철근 표면을 경화된 구조(마르텐자이트)로 변환한 다음 주변 온도에서 냉각하여 상이 발전하여 열 교환을 통해 뜨거운 코어가 표면을 템퍼링할 수 있도록 합니다. 그 결과 주변 구역/케이스의 강화된 마르텐사이트, 마르텐사이트 주변 바로 뒤의 펄라이트와 베이나이트의 전이 구역, 중앙 구역/코어의 미세 입자 페라이트-펄라이트로 구성된 독특한 복합 미세 구조가 생성됩니다(그림 1). 담금질 및 자체 템퍼링 생산 공정으로 인해 생산된 철근을 'QST(담금질 및 자체 템퍼링) 철근'이라고도 합니다.

그림 1 TMT 보강 철근의 미세 구조

Tempcore 및 Thermex 공정은 본질적으로 유사하며 위의 열-기계적 처리 원리를 기반으로 합니다. Tempcore 공정은 물이 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 흐르는 quenching box가 있으며, Thermex 공정의 경우 quenching box의 열간 압연 막대에 물이 분사됩니다.

연속 냉각 변환(CCT) 다이어그램의 공정 개략도는 그림 2에 나와 있습니다.

<강한>

그림 2 연속 냉각 변환(CCT) 다이어그램의 공정 개략도

프로세스

가열된 강재를 압연기에서 압연하여 철근의 최종 크기와 형상으로 철근의 열기계적 처리를 합니다. 이 공정에 영향을 미치는 작동 매개변수는 압연 종료 시 온도, 냉각 속도, 급속 냉각 중 시간 및 강의 화학 조성입니다. 프로세스 흐름은 그림 2에 나와 있으며 아래에 설명된 대로 3단계로 연속적으로 수행됩니다.

철근이 최종 공장 스탠드를 떠나는 즉시 첫 번째 단계가 시작됩니다. 열연 제품의 빠른 수냉을 구성합니다. 보강 철근은 표면 경화를 거치는 냉각 설비를 통해 물로 빠르고 강력하게 냉각(급냉)됩니다. 냉각설비의 효율성은 마텐자이트 형성의 임계속도보다 높은 철근표면의 냉각속도를 달성할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다. 이 작업이 끝나면 철근은 마르텐사이트-오스테나이트 혼합물 층으로 둘러싸인 오스테나이트 구조로 구성된 미세 구조를 갖습니다. 필요한 두께의 마르텐사이트 층을 얻는 것이 이 공정 단계의 목적입니다.

두 번째 단계는 철근이 수냉식 구역(담금질 상자)을 벗어나 공랭식 구역으로 이동하는 즉시 시작됩니다. 이 지점에서 코어의 온도는 표면의 온도보다 높습니다. 이 온도 구배로 인해 열이 코어에서 표면으로 흐르기 시작하여 첫 번째 단계에서 형성된 마르텐사이트 층을 템퍼링합니다. 이 때문에 철근의 코어에 남아있는 잔류열을 이용하여 표면의 마르텐사이트층을 템퍼링(마르텐사이트층 자체 템퍼링)합니다. Tempcore 공정은 이 단계에서 이름을 따왔습니다(Tempcore라는 이름은 담금질 단계가 끝날 때 'CORE'에 남은 열에 의해 마르텐사이트 층이 'TEMPered'라는 사실을 나타냅니다). 코어는 이 단계에서 여전히 오스테나이트 단계에 남아 있습니다. 템퍼링 공정은 재료의 적절한 연성을 보장하는 동시에 높은 항복 강도를 유지합니다.

세 번째 단계는 냉각 베드에서 철근이 자유 냉각되는 동안 발생하며 철근 코어에서 연성 페라이트 및 펄라이트 구조로의 오스테나이트 변태로 구성됩니다. 따라서 TMT 강철 철근은 본질적으로 동심원으로 배치된 단단한 외부 층과 중간 및 중간 경화 층이 있는 연질 코어로 구성된 복합 재료입니다.

최종 조직은 표면의 외층에 강한 강화 마르텐사이트 조직과 코어에 연성 페라이트-펄라이트 조직으로 구성됩니다. 이것은 강화 철근에 연성과 함께 고유한 강도 속성을 부여합니다. 구조 구성 요소의 형태는 철강 화학 조성, 철근 직경, 시간 및 냉각 효과에 따라 다릅니다.

TMT 철근 생산에 대한 일반적인 담금질 수류 다이어그램은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 일반적인 담금질 수류 다이어그램

TMT 철근의 속성

위의 공정으로 생산된 TMT 철근은 CTD 철근보다 우수한 물성을 가지고 있습니다. TMT 철근의 특성은 아래와 같습니다.

• 철근은 봉 주변의 강화 마르텐사이트 층으로 인해 강도가 높습니다. 이 레이어의 두께를 제어하여 철근의 강도를 변경할 수 있습니다.
• 철근은 코어의 페라이트-펄라이트 구조로 인해 연성이 높습니다. 이러한 특성으로 인해 철근은 건설 현장에서 쉽게 구부러질 수 있습니다. 철근은 균열이나 인장 특성의 손실 없이 구부리거나 다시 구부릴 수 있고 아연도금하고 곧게 펴는 기능이 있습니다. 철근의 심한 굽힘 능력은 그림 4에 나와 있습니다.
• 철근은 결합 강도가 우수하여 콘크리트 구조물에 사용하기에 이상적입니다.
• 철근은 기계적 손상이나 용접 아크 스트라이크에도 낮은 온도에서 높은 연성과 인성을 가지고 있습니다.
• 철근은 굽힘 및 아연 도금 후 상당한 변형 시효 취성이 없음을 보여줍니다.
• 철근은 완전히 용접 가능합니다. 철근은 '탄소 당량'(CE)이 낮은 강철로 생산됩니다.
• 철근은 압축 및 인장 하중 모두에 대해 철근을 결합하는 데 일반적으로 사용할 수 있는 모든 기계적 보강 철근 이음과 호환됩니다.
• 철근은 고온에서 강도 손실을 방지합니다. 이 속성은 화재 시 매우 중요합니다. 실제 결과에 따르면 TMT 철근은 항복 강도가 평방 밀리미터당 415뉴턴(N/sq mm)인 철근의 경우 항복 강도의 70% 이상을 유지하고 항복 강도가 500N/sq인 철근의 경우 40% 이상을 유지하는 것으로 나타났습니다. mm.
• 철근은 유럽 표준에 따른 피로 강도 요구 사항을 충족합니다.
• 대부분의 강의 전단 강도는 인장 강도의 60~80% 범위에 속합니다. 철근은 범위의 상단을 향하는 전단 강도를 가지고 있습니다.
• CTD 철근과 달리 철근은 비틀림 응력이 없습니다. 그 결과 철근의 내식성이 향상됩니다. 또한 철근은 기계적 가공을 하지 않기 때문에 철근 표면에 파란색 보조 눈금이 유지됩니다. 이는 대기 부식으로부터 철근을 보호합니다.
• 이 철근은 내진성이 우수합니다. 이러한 철근을 사용하여 수행한 테스트에 따르면 에너지 소산이 각 주기에 대해 거의 동일하고 균일한 연성이 파손될 때까지 유지되기 때문에 비탄성 변형(일반적으로 지진 중에 발생)이 있는 반복적인 역하중에서 성능이 더 좋습니다.
• TMT 철근의 다른 특성으로는 저온 인성이 우수하고 표면 손상에 덜 민감하다는 점입니다.

그림 4 TMT 철근의 심한 굽힘 능력

TMT 철근의 일반적인 에칭 단면은 3개의 야금 영역을 보여줍니다. 마르텐사이트 형태의 박판 패킷 형태의 강화 마르텐사이트는 경화층의 특징입니다. 중간경화층에는 베이나이트와 폴리곤페라이트의 혼합물이 존재하고 코어에는 폴리곤페라이트 영역이 펄라이트가 발달한다. 코어의 상대적으로 빠른 냉각과 공정에 수반되는 열-기계적 처리로 인해 미세 구조는 일반적으로 미세합니다.

마텐자이트 층이 더 두꺼우면 철근을 담금질하는 동안 유지되는 열이 더 적고 템퍼링은 완만하며 철근은 더 높은 항복 강도와 더 낮은 연신율을 나타냅니다. 공정 매개변수와 강철 조성은 최종 속성에 영향을 미칩니다. 더 긴 담금질 시간, 더 낮은 마무리 온도 및 더 높은 담금질 강도는 더 두꺼운 마르텐사이트 층과 더 낮은 템퍼링 온도를 초래합니다. 탄소 및 망간 함량이 높을수록 강의 경화성이 증가하므로 더 많은 마르텐사이트가 형성됩니다. 또한 탄소 함량이 증가함에 따라 강화 마르텐사이트의 강도가 증가합니다.

TMT 철근의 일반적인 항복 강도 범위는 415 N/sq mm ~ 550 N/sq mm이고 5d 게이지 길이의 연신율은 같은 순서로 30%에서 25%입니다. 인장 강도에 대한 항복 응력의 비율은 약 0.85입니다.

장점

담금질 및 템퍼링 공정으로 생산되는 철근은 (i) 철근이 온라인 공정으로 생산되기 때문에 일관된 품질을 얻을 수 있고, (ii) 이러한 철근의 고강도와 고연성의 조합이 철근에 안전성을 부여하는 등의 여러 이점이 있습니다. 이 철근으로 만든 구조물, (iii) 이 철근을 사용한 제작 작업이 간단하고 쉽습니다. (iv) 철근의 강도가 높아 철강이 절약됩니다.