建筑鋼筋的微合金化生產(chǎn)

HRB400鋼筋的合金設(shè)計(jì)及微合金化1我國(guó)鋼筋標(biāo)準(zhǔn)的演變我國(guó)熱軋帶肋標(biāo)準(zhǔn)從1952年公布執(zhí)行，經(jīng)歷了9次修訂，鋼鐵工業(yè)剛起步時(shí)，于1952年頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有編號(hào)，1955年采用蘇聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)制定了《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用熱軋螺紋鋼筋》（重HI-55）沿用A3鋼，品種單一，無(wú)等級(jí)，YB171-63引入16Mn鋼筋，至YB171—69,標(biāo)準(zhǔn)中包含了7個(gè)鋼筋的牌號(hào):3號(hào)鋼、16Mn,25MnSi,44Mn2Si,45Si2Ti,40Si2V,45MnSiV。在YB171-69標(biāo)準(zhǔn)中，16Mn采用了原來(lái)德國(guó)st52的成分,C:0.15%?0.20%,S”0.60%。但由于我國(guó)資源特點(diǎn)和冶煉工藝與國(guó)外的差異，如國(guó)外大多用電爐冶煉,在廢鋼中其它合金元素含量較高，還有我國(guó)礦石品位較低，共生礦較少，造成在實(shí)際生產(chǎn)中，強(qiáng)度偏低，不合格率較高。為此,冶金部組織了專(zhuān)題科研攻關(guān)小組?？蒲袑?shí)踐說(shuō)明，原來(lái)從國(guó)外移植的牌號(hào)，在國(guó)內(nèi)嫁接過(guò)程中，即采用我國(guó)的原料和工藝生產(chǎn)，成分和強(qiáng)度就不能很好的匹配。根據(jù)科研攻關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果，在1969年修訂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)將碳從0.12%?0.20%,提高到了0.12%?0.24%,硅從W0.60%提高到了W0.70%。但牌號(hào)的命名沒(méi)有變，仍叫16Mno16Mn的成分調(diào)整后，對(duì)提高鋼筋強(qiáng)度的合格率起了很大的作用。形成了由屈服強(qiáng)度235MPa的I級(jí)鋼筋至屈服強(qiáng)度590MPa的IV級(jí)鋼筋，還包括屈服強(qiáng)度1420MPa的預(yù)應(yīng)力混凝土用熱處理鋼筋的系列。16Mn鋼筋由于強(qiáng)度缺乏，后調(diào)整為20MnSi鋼。GB1499-91將20MnSiV、20MnSiTi納入了標(biāo)準(zhǔn)，將III級(jí)帶肋鋼筋的屈服強(qiáng)度由370MPa.調(diào)至400MPao20世紀(jì)60年代末至70年代初，是我國(guó)鋼筋新品種開(kāi)發(fā)的高峰期，除si—Mn外，研制了si一V、si一Ti、si-Nb、Mn一si一V、Mn一si一Nb等五個(gè)鋼種系列近20個(gè)牌號(hào)，具有中國(guó)特色的是對(duì)硅元素的情有獨(dú)鐘，微合金化元素開(kāi)始應(yīng)用于鋼筋生產(chǎn)。在以后的三十多年的一段時(shí)期內(nèi)，20MnSi鋼筋幾乎一統(tǒng)天下，固步不前。隨著貿(mào)易全球化，參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，鋼筋生產(chǎn)開(kāi)始導(dǎo)入微合金化技術(shù)，并試生產(chǎn)調(diào)質(zhì)型鋼筋和軋后余熱處理鋼筋，GB1499-1998基本上與國(guó)際相接軌。但之后的假設(shè)干年內(nèi)生產(chǎn)與應(yīng)用335Mpall級(jí)鋼筋的比例一直較大，400MPaIH級(jí)鋼筋的比例較小。在將400MPaIH級(jí)鋼筋納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，并編制相應(yīng)的設(shè)計(jì)手冊(cè)后，我國(guó)鋼筋生產(chǎn)的更新?lián)Q代跨出了極其重要的一步，以不同工藝生產(chǎn)（表1）,年增長(zhǎng)率達(dá)85%。今年國(guó)家發(fā)布實(shí)施了GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)，GB1499.2-2007已與國(guó)際相接軌，并有許多獨(dú)到之處，將鋼筋分了普通熱軋即HRB400、抗震鋼筋即HRB400E、細(xì)晶粒鋼筋HRBF400。對(duì)熱軋普通鋼筋（含HRB400）、細(xì)晶粒鋼筋HRBF400進(jìn)行了規(guī)定：其金相組織主要是鐵素體加珠光體，不得有影響使用性能的其他組織存在。取消了參考成分，對(duì)C、Si、Mn、P、S、Ceq只規(guī)定了上限，微合金為規(guī)定：根據(jù)需要，鋼種還可以加入V、Nb、Ti等元素。為HRB400鋼筋的合金設(shè)計(jì)及微合金化提供了更大的空間。表1400MPa熱軋鋼筋不同生產(chǎn)工藝情況工藝方法1牌號(hào)使用情況微合金化20MnSiV多數(shù)企業(yè)已在生產(chǎn)，產(chǎn)品已得到市場(chǎng)認(rèn)可微合金化20MnSiV(N)多數(shù)企業(yè)已在生產(chǎn)，產(chǎn)品已得到市場(chǎng)認(rèn)可微合金化20MnSiNb目前有少數(shù)鋼廠(chǎng)生產(chǎn)，產(chǎn)品已基本得到市場(chǎng)認(rèn)可微合金化20MnSiTi目前僅有少數(shù)鋼廠(chǎng)生產(chǎn)余熱處理20MnSi許多企業(yè)可以生產(chǎn)并出口，因產(chǎn)生馬氏體，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)不認(rèn)可微合金化加溫度控制20MnSiV20MnSiNb國(guó)際上比擬先進(jìn)，目前國(guó)內(nèi)有少數(shù)鋼廠(chǎng)生產(chǎn)，經(jīng)高效冷卻，限制晶粒的長(zhǎng)大，但不產(chǎn)生馬氏體，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已認(rèn)可超細(xì)晶粒碳素鋼軋制Q235目前尚在進(jìn)一步試驗(yàn)中2HRB400鋼筋的合金設(shè)計(jì)及微合金化[2][3]20MnSi鋼筋合金設(shè)計(jì)的缺乏20MnSi鋼筋的化學(xué)成分規(guī)范見(jiàn)表2微合金化m級(jí)鋼筋源自20MnSi鋼，但20MnSi鋼筋的合金設(shè)計(jì)有許多缺乏之處。首先是碳，碳是僅次于鐵的主要元素，它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性等。表220MnSi鋼筋的化學(xué)成分規(guī)范％CSiMnPS0.4?0.81.2~1.6<0.045<0.045碳含量增加，鋼的強(qiáng)度提高，而塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度下降，同時(shí)惡化鋼的可焊性和抗腐蝕性。碳含量較高，對(duì)加工性和焊接性有不利的影響，現(xiàn)代合金設(shè)計(jì)已摒棄增碳作為高強(qiáng)度的主要手段。例如一直無(wú)法推廣的25MnSi,就是例證。第二是硅，硅在鋼中不形成碳化物，而以固溶體的形式存在于奧氏體或鐵素體中，它的主要作用如下：(1)固溶強(qiáng)化，由0.25%增至0.8%使抗拉強(qiáng)度的增量到達(dá)25MPa；(2)促進(jìn)鐵素體的粗化；(3)促進(jìn)柱狀晶開(kāi)展；(4)冷作硬化傾向；(5)降低焊接性。硅在鋼中一定程度上降低鋼的塑性、韌性，并使鋼的焊接性能惡化。對(duì)于普碳鋼A3,硅含量在鋼強(qiáng)化上收益不多，故將它限制在保證脫氧需要的范圍。第三是鎰，鎰在鋼中的作用是提高鋼的強(qiáng)度，并不同程度的降低鋼的塑性。鎰阻止FeS的形成而生成MnS,改善了鋼的加工性能。對(duì)提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度有顯著的作用。Mn能改善鐵水流動(dòng)性，對(duì)轉(zhuǎn)爐煉鋼帶來(lái)了很大的好處。鎰與碳的結(jié)合力略強(qiáng)于鐵，一局部形成(Fe,Mn)3C,存在于珠光體內(nèi)，更主要的是進(jìn)入固溶體，起固溶強(qiáng)化作用，每增加0.01%鎰大致產(chǎn)生IMPa的強(qiáng)度增量。類(lèi)似于硅的作用，在高溫下促進(jìn)晶粒的粗化，抑制鐵素體形成而促進(jìn)中溫轉(zhuǎn)變。所以，20MnSi的成分并不合理，以其為基礎(chǔ)生產(chǎn)HI級(jí)鋼筋并不理想，應(yīng)當(dāng)改變觀(guān)念，將碳、硅、鋅含量往下限調(diào)，加人微合金化元素并適當(dāng)?shù)目刂栖堉七^(guò)程即軋后的溫度，以晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化機(jī)制取代固溶的強(qiáng)化方式。鋁、機(jī)、鈦在鋼筋中的作用微合金化元素主要作用有以下四點(diǎn):(1)減少夾雜，改善鋼的純潔度，提高鋼的延性；(2)利用晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化，降低鋼的碳當(dāng)量；(3)通過(guò)組織均勻化實(shí)現(xiàn)性能的均勻化；(4)獲得較低的成本/性能比的新型鋼材。鋸、釵、鈦對(duì)強(qiáng)韌化因素比擬見(jiàn)表3。表3銅和鋼、鈦鋼比擬2.3微合金化鋼筋的主要強(qiáng)化機(jī)制強(qiáng)韌化因素NbVTi細(xì)化鑄造組織qXq抑制高溫奧氏體晶粒長(zhǎng)大Xq高溫析出抑制再結(jié)晶長(zhǎng)大有限X形變誘導(dǎo)析出有限X奧氏體內(nèi)部析出有限有限鐵素體內(nèi)部析出有限X對(duì)鐵素體再結(jié)晶影響XX(1)細(xì)化晶粒。晶粒細(xì)化是不同強(qiáng)化機(jī)制中唯一的既能提高強(qiáng)度又能降低脆性轉(zhuǎn)變溫度的方法，微合金元素通過(guò)析出質(zhì)點(diǎn)在從冶煉凝固過(guò)程到焊接加熱冷卻過(guò)程中影響晶粒成核和晶界遷移來(lái)影響晶粒尺寸。含鈦鋼的晶粒長(zhǎng)大溫度最高，依次為銀、鋁及機(jī)。但是從加入量講，在控軋和正火鋼中，鋁含量比擬低，即鋸對(duì)晶粒細(xì)化的獨(dú)特影響表現(xiàn)在它對(duì)奧氏體再結(jié)晶有強(qiáng)烈的延遲作用，0.03%銀即可將完全再結(jié)晶所需的最低溫度提高到950C左右，從而顯著降低控軋對(duì)軋機(jī)負(fù)荷的要求。(2)析出強(qiáng)化。微合金元素中僅銀、機(jī)、鈦有析出強(qiáng)化作用。銅的強(qiáng)度增量主要靠晶粒細(xì)化(G),而且在0.04%以下增加很快。而鋼的強(qiáng)度增量主要靠析出強(qiáng)化(P),晶粒細(xì)化的分量很小。鈦的作用居中，特點(diǎn)是O.08%以下主要靠晶粒細(xì)化，超過(guò)O.08%析出強(qiáng)化起主要作用。由于晶粒細(xì)化能降低脆性轉(zhuǎn)折溫度，而析出強(qiáng)化提高脆性轉(zhuǎn)折溫度，綜合影響的結(jié)果是，鋸在0.03%—0.04%以下，鈦在0.08%以下降低脆性轉(zhuǎn)折溫度，但是釵不管含量多少都將提高脆性轉(zhuǎn)折溫度。(3)組織強(qiáng)化。微合金元素影響奧氏體轉(zhuǎn)變可以通過(guò)多種途徑。如果合金元素在奧氏體中處于固溶狀態(tài)，那么如許多其他合金元素一樣會(huì)延遲奧氏體轉(zhuǎn)變。有時(shí)雖然數(shù)量很低，但作用很大。例如硼所起的通過(guò)抑制在奧氏體晶界上的形核而延遲轉(zhuǎn)變。O.002%硼就足以使轉(zhuǎn)變由鐵素體移至貝氏體區(qū)。但是如果微合金元素形成質(zhì)點(diǎn)在奧氏體中析出，那么由于加速形核而對(duì)奧氏體轉(zhuǎn)變起相反的作用。2.4微合金化元素銀、釵、鈦的特點(diǎn)微合金化是少量添加某些元素，通過(guò)沉淀硬化或鐵素體晶粒細(xì)化來(lái)增加強(qiáng)度。用來(lái)產(chǎn)生這種效應(yīng)的元素包括鈦、錫和鋼。這三種元素都可產(chǎn)生所希望的強(qiáng)化效果，但由于他們的機(jī)制不同，所采用的工藝也不相同。鈦：鈦?zhàn)钜籽趸诿撗鹾瓦B鑄過(guò)程中應(yīng)加以注意。世界上大多數(shù)鋼筋的制造用硅鎰鋼連鑄。鈦回收率很不穩(wěn)定，而且可能發(fā)生流程阻斷問(wèn)題。原因是在鋼從鋼水包到鑄造模具的澆鑄過(guò)程中鈦的再氧化。另外，鈦在再加熱過(guò)程中必須處于溶解狀態(tài)以便在軋制過(guò)程中沉淀為'FiC質(zhì)點(diǎn)以產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。但是由于鈦與氮、硫更易結(jié)合，TiC沉淀作用可能會(huì)減弱。鋸：銅的作用通常是作為低碳鋼微合金化元素，它也是工藝過(guò)程中各種變量的函數(shù)。微合金化鋼強(qiáng)度的變化是在各種溫度下合金溶解量的直接結(jié)果。1150℃-1250C是軋制鋼筋的正常再加熱溫度，再加熱溫度的少量變動(dòng)就會(huì)影響含銅熱軋鋼筋的最后性能。銀通過(guò)細(xì)化鐵素體晶粒尺寸，起到強(qiáng)化作用。通過(guò)以低于再結(jié)晶停止溫度進(jìn)行終軋來(lái)完成。這一工藝又稱(chēng)為正火控制軋制。這種控制軋制工藝很難在現(xiàn)代高速軋機(jī)上實(shí)施，因?yàn)樵谲堉七^(guò)程中對(duì)平衡鋼筋溫度的時(shí)間有要求。它還要求在軋機(jī)系統(tǒng)增加額外水冷能力。凱：與鈦相比，凱的氮化可能性低，所以機(jī)回收率穩(wěn)定而且可預(yù)測(cè)。軋制工藝與軋制普碳鋼鋼筋沒(méi)有根本變化。正常再加熱溫度(1150C--1250C)足以使鋼處于溶解狀態(tài)?？梢允褂谜＼堉茰囟?，因?yàn)殇摰奶嫉锏某恋韽?qiáng)化發(fā)生在奧氏體轉(zhuǎn)化為鐵素體/珠光體的相變過(guò)程之中或之后。機(jī)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)氮有較強(qiáng)的親和力?；钴S的氮或“自由”氮具有應(yīng)變時(shí)效性，這是一種發(fā)生在塑性變形后室溫下的脆化過(guò)程。在鋼筋應(yīng)用中，經(jīng)常根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行彎曲。這局部鋼筋會(huì)隨時(shí)間失去韌性，無(wú)法抗大地震。因此，某些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了最大氮含量。實(shí)際上，不高于0.012%的未結(jié)合氮是允許的，高于此限的氮應(yīng)與其他合金元素結(jié)合。在某些冶煉過(guò)程中，例如電弧爐，很難保持氮低于O.012%,添加鈕就成為到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的手段。氮對(duì)釵的親和力還有第二個(gè)作用。釵的碳氮化物的沉淀顆粒的大小和分布決定著鋼的沉淀強(qiáng)化作用的效果。大量研究證實(shí)，鋼碳氮化物V（c,N）中氮的增加會(huì)使沉淀顆?？s小，從而增加沉淀顆粒的數(shù)量。這些細(xì)小和大量的析出質(zhì)點(diǎn)使強(qiáng)化效果更有效。這樣引入了機(jī)氮鋼，不但強(qiáng)度高性能穩(wěn)定，而且使用經(jīng)濟(jì)節(jié)約社會(huì)資源。3結(jié)語(yǔ)目前，國(guó)際上采用的技術(shù)上比擬先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上比擬合理的鋼筋生產(chǎn)新工藝，就是微合金化加溫度控制（