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摘  要：GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)的頒布和GB50010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》已于2011年7月1日起開始實(shí)施，為我國高強(qiáng)抗震鋼筋的發(fā)展創(chuàng)造了條件。近年來，承鋼公司利用得天獨(dú)厚的釩鈦資源特點(diǎn)，采用釩微合金化方式，成功的開發(fā)了HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋，產(chǎn)品性能均達(dá)到GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗震要求，成為國內(nèi)生產(chǎn)建筑鋼筋牌號(hào)、規(guī)格最全的企業(yè)之一。

關(guān)鍵詞：HRB500E 抗震鋼筋 研制

1 前言

建筑用鋼材是建筑工程用基礎(chǔ)材料之一，而混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋，則是世界上普遍生產(chǎn)和使用的一種主要鋼材產(chǎn)品，約占世界鋼材產(chǎn)量的13%。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、英國、德國等的建筑用鋼國家標(biāo)準(zhǔn)中已淘汰了335MPa級(jí)及以下等級(jí)鋼筋，均采用400MPa級(jí)以上建筑鋼筋。

我國是地震多發(fā)國家，所以對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的安全性要求也越來越高，而提高建筑安全性的關(guān)鍵之一是提高鋼筋的強(qiáng)度和抗震性能。同時(shí)，GB50010 《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》已于2011

年7月1日起開始實(shí)施，這為我國高強(qiáng)抗震鋼筋的發(fā)展創(chuàng)造了一個(gè)良好契機(jī)。

河北鋼鐵股份有限公司承德分公司（以下簡稱承鋼公司）作為國內(nèi)熱軋帶肋鋼筋的重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)，而且又是全國兩大釩產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)之一，研究含釩的高強(qiáng)抗震鋼筋，滿足抗震建筑結(jié)構(gòu)的需要，是我們義不容辭的責(zé)任。

2 HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋的技術(shù)條件要求

1）HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋化學(xué)成分應(yīng)符合表1的要求，根據(jù)需要，鋼中還可加入V、Nb、Ti等元素。

表1 HRB500E化學(xué)成分要求

2）鋼筋的力學(xué)性能特征值應(yīng)符合表2規(guī)定。

表2 HRB500E力學(xué)性能要求

注：直徑為28～40mm鋼筋的斷后伸長率A可降低1%；直徑大于40mm鋼筋的斷后伸長率A可降低2%。

3 承鋼HRB500螺紋鋼筋生產(chǎn)情況簡介

2008年-2010年承鋼生產(chǎn)HRB500鋼筋規(guī)格涵蓋GB/T1499.2-2007所有規(guī)格，包括φ6～φ12mm盤螺、φ12～φ50mm直螺；通過統(tǒng)計(jì)：φ6～φ12mm盤螺強(qiáng)度值波動(dòng)大，造成成分設(shè)計(jì)難度加大；φ12～φ50mm直螺性能穩(wěn)定，屈標(biāo)比滿足抗震鋼筋要求，但符合強(qiáng)屈比大于1.25的比例只有50%左右；不同規(guī)格的鋼筋Agt均可滿足≥9％的要求。因此，HRB500E抗震鋼筋研究的難點(diǎn)是解決盤條鋼筋的強(qiáng)度值波動(dòng)大、直條鋼筋強(qiáng)屈比不合問題。

4 HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，鋼筋應(yīng)以熱軋狀態(tài)交貨，明確了余熱處理鋼筋不在標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍，同時(shí)規(guī)定了鋼筋金相組織主要是鐵素體+珠光體。因此，承鋼公司利用自有的釩資源優(yōu)勢，采用釩鐵合金化、氮化釩鐵（氮化釩）合金化以及氮化釩鐵（氮化釩）+釩鐵復(fù)合合金化技術(shù)，研制開發(fā)GB1499.2—2007國家標(biāo)準(zhǔn)中HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋。

4.1 鋼筋強(qiáng)屈比的影響因素

4.1.1碳、硅、錳常規(guī)元素對(duì)鋼筋強(qiáng)屈比影響

從鋼的強(qiáng)化機(jī)理來看，碳、硅、錳元素在鋼中的強(qiáng)化作用主要都為固溶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化效果雖然遠(yuǎn)低于沉淀強(qiáng)化的效果，但是固溶強(qiáng)化對(duì)抗拉強(qiáng)度的提高幅度較大；從鋼的組織上看，在亞共析鋼中，碳、錳元素的提高皆有利于提高珠光體的轉(zhuǎn)變，硅元素對(duì)珠光體形成基本無影響，珠光體有著良好的綜合性能，能大幅度提高鋼筋的抗拉強(qiáng)度。因此固溶強(qiáng)化和珠光體強(qiáng)化都能夠提高鋼筋強(qiáng)屈比。

在碳、硅、錳三種元素中，碳對(duì)提高鋼筋強(qiáng)度和強(qiáng)屈比的作用最大；硅元素雖可提高鋼筋強(qiáng)屈比，但其對(duì)鋼筋強(qiáng)度的提高作用不如錳元素。

在成分設(shè)計(jì)中要綜合考慮強(qiáng)度、塑性及焊接性能的各項(xiàng)指標(biāo)，確定其具體含量。

4.1.2釩微合金化方式對(duì)強(qiáng)屈比的影響

1）不同釩微合金化方式下鋼筋強(qiáng)屈比、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的回歸統(tǒng)計(jì)

通過數(shù)據(jù)分析，得出氮化釩鐵、氮化釩和釩鐵對(duì)鋼筋強(qiáng)屈比、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度的回歸結(jié)果，見表3～表5。

表3  鋼筋強(qiáng)屈比與化學(xué)成份回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4  鋼筋抗拉強(qiáng)度與化學(xué)成分回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表5  鋼筋屈服強(qiáng)度與化學(xué)成分回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2）釩鐵、氮化釩、氮化釩鐵微合金化影響鋼筋強(qiáng)屈比的分析

釩在鋼中可以起到固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，但在鋼中氮含量很少的情況下，釩主要固溶在鋼中，只有少部分釩形成碳氮化物析出。也就是說鋼中氮含量在較低的情況下，釩析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用較小，而析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化都是大幅提高鋼的屈服強(qiáng)度的，對(duì)抗拉強(qiáng)度的提高相對(duì)要低很多，所以在鋼中釩含量一定的情況下，釩鐵合金化對(duì)鋼強(qiáng)屈比降低的程度最小。

當(dāng)釩鋼中的氮逐漸增加時(shí)，由于氮和釩具有很強(qiáng)的親和力，促進(jìn)了VC、VN的析出，使鋼中固溶狀態(tài)的釩更多的轉(zhuǎn)變?yōu)槲龀鰻顟B(tài)，起到了更多的沉淀強(qiáng)化作用；而且氮的增加還會(huì)促進(jìn)碳（氮）化釩在奧氏體-鐵素體界面的析出，有效阻止鐵素體晶粒的長大，起到了細(xì)化鐵素體晶粒的作用。因此當(dāng)鋼中氮含量增多時(shí)，釩析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用逐漸增大，其對(duì)強(qiáng)屈比降低的作用也進(jìn)一步增強(qiáng)。

釩在鋼中沉淀強(qiáng)化的效果取決于析出相的數(shù)量和彌散度，質(zhì)點(diǎn)越多、越細(xì)小彌散，沉淀強(qiáng)化的效果越大。有研究表明：V和N比例越接近理想當(dāng)量比4：1，鋼中V(C，N)中VN比例越高，即VN多、VC少，強(qiáng)化沉淀效果越好。而承鋼公司的鋼水中原始氮含量較高，一般均大于70ppm，加上氮化釩或氮化釩鐵帶入的氮，其釩和氮的比例均已達(dá)到或超過V／N=4：1的理想值。也就是說，承鋼的鋼水無論采用氮化釩還是氮化釩鐵合金化，釩在鋼中沉淀強(qiáng)化的作用都達(dá)到了理想狀態(tài)，氮化釩鐵中多余的氮更多地起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用。

3）釩微合金化方式的確定

根據(jù)表3～表5回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合我公司鐵水含V的特點(diǎn)，確定了生產(chǎn)HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋的釩微合金化方式。對(duì)于小規(guī)格鋼筋，采用氮化釩鐵合金化方式，對(duì)于大規(guī)格鋼筋，采用氮化釩鐵+釩鐵復(fù)合合金化方式。

4.2 HRB500E化學(xué)成分設(shè)計(jì)

4.2.1常規(guī)元素  根據(jù)表4～表5統(tǒng)計(jì)，鋼中每增加0.01%C，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度可分別提高7MPA和8MPA,但對(duì)鋼的塑性和焊接性能均不利。因此,要控制鋼中的C含量,防止碳當(dāng)量過高。Mn的加入可提高固溶強(qiáng)化效果, 降低相變溫度,細(xì)化鋼的組織,提高強(qiáng)度及韌性,且Mn能提高V在奧氏體中的固溶度積,增強(qiáng)其沉淀強(qiáng)化效果，但含量太高會(huì)增加碳當(dāng)量,不利于焊接。

4.2.2 V元素含量對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響

通過對(duì)大量的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，確定V元素含量對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響程度，其散點(diǎn)圖如下：

圖1   釩元素與屈服強(qiáng)度散點(diǎn)圖(高強(qiáng)抗震鋼筋的研制)

圖2    釩元素與抗拉強(qiáng)度散點(diǎn)圖(高強(qiáng)抗震鋼筋的研制)

通過散點(diǎn)圖我們可以看到，當(dāng)鋼中釩元素含量超過0.12%后，其對(duì)鋼筋抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)的絕對(duì)值都呈下降趨勢，因此釩元素加入量不宜超過0.12%。

4.2.3由于鋼筋規(guī)格從φ6～φ50mm，跨度非常大，用同一種成分顯然不可能滿足所有規(guī)格的生產(chǎn)要求。因此，根據(jù)不同規(guī)格確定不同的化學(xué)成分，規(guī)格相近的采用相同的化學(xué)成分。

4.2.4綜合以上因素，確定了鋼坯化學(xué)成分應(yīng)符合表6的規(guī)定。

表6 HRB500E化學(xué)成分控制要求/%

注：根據(jù)不同規(guī)格，釩的加入方式分為三種：釩鐵、氮化釩鐵（氮化釩）、氮化釩鐵（氮化釩）+釩鐵

4.3 盤條鋼筋控軋控冷工藝

通過針對(duì)HRB500盤螺生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)，盤螺生產(chǎn)中存在強(qiáng)度值波動(dòng)大，同一卷最大值與最小值相差40～50Mpa，無法保證屈標(biāo)比合格，因此解決盤螺強(qiáng)度值波動(dòng)大是HRB500E抗震鋼筋研制另一個(gè)難題。解決措施：控制加熱通條鋼坯溫度差，以及降低散冷線盤卷搭接點(diǎn)與中間部位溫度差。

4.4 工藝路線

高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐冶煉→脫氧合金化→LF爐精煉→方坯連鑄→加熱→棒線材機(jī)組軋制→冷卻→收集→產(chǎn)品檢驗(yàn)→包裝、入庫

4.5 工藝控制

4.5.1化學(xué)成分

為保證鋼筋的屈服強(qiáng)度控制在500～650MPa之間，同時(shí)保證鋼筋的強(qiáng)度和塑性的最佳匹配，主要控制C、Mn、V的含量。一般C、Mn含量按中限控制，根據(jù)不同的軋制規(guī)格調(diào)整V的加入方式。

4.5.2冶煉

為保證鋼坯質(zhì)量，降低鋼水氧化性，嚴(yán)格控制冶煉終點(diǎn)C含量，為使鋼中夾雜物充分上浮，保證吹氬時(shí)間，同時(shí)連鑄時(shí)實(shí)行全過程保護(hù)澆注，并穩(wěn)定鋼坯拉速。

4.5.3軋制

1）制定合理的加熱制度。根據(jù)不同生產(chǎn)線及不同軋制規(guī)格控制不同的鋼坯出爐溫度，確保終軋溫度穩(wěn)定，盡量避免鋼筋組織粗大、不均勻現(xiàn)象造成力學(xué)性能下降。

2）盤條鋼筋制定合理的控軋控冷參數(shù)，根據(jù)盤條鋼筋實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，制定吐絲溫度以及散冷線參數(shù)，通過設(shè)定風(fēng)機(jī)開啟臺(tái)數(shù)、風(fēng)量大小、佳靈裝置開度，確保盤條鋼筋均勻冷卻，降低通條性能差。

3）對(duì)大規(guī)格鋼筋的外形設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，確保冷彎性能合格。

5 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量

5.1 產(chǎn)品性能指標(biāo)

采用不同的釩加入方式生產(chǎn)的HRB500E高強(qiáng)度抗震鋼筋，力學(xué)性能指標(biāo)如表7所示。

表7 HRB500E鋼筋的實(shí)際力學(xué)性能

5.2 表面質(zhì)量

生產(chǎn)的HRB500E抗震鋼筋表面沒有有害的缺陷，外形尺寸全部符合GBl499.2-2007的要求。

5.3 內(nèi)部組織

對(duì)鋼筋內(nèi)部組織進(jìn)行檢驗(yàn)，均為鐵素體加珠光體。

圖3  HRB500E抗震鋼筋金相組織

Fig.3 The microstructure of HRB500E

5.4 鋼筋的焊接性能、機(jī)械連接性能試驗(yàn)

對(duì)成品鋼筋進(jìn)行不同焊接方法的焊接型式試驗(yàn)，接頭試樣力學(xué)性能、拉伸斷裂位置、斷口特征、彎曲等指標(biāo)全部合格。

為檢驗(yàn)成品鋼筋的機(jī)械連接性能, 分別做單向拉伸、高應(yīng)力反復(fù)拉壓、大變形反復(fù)拉壓性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果均符合機(jī)械連接的要求,說明鋼筋的機(jī)械連接性能良好。

6 結(jié) 語

1）HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋的成功生產(chǎn)標(biāo)志著承鋼公司高強(qiáng)度抗震鋼筋生產(chǎn)水平再上新的臺(tái)階，同時(shí)也為國家高強(qiáng)抗震鋼筋的全面推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2）HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋采用不同釩合金加入方式生產(chǎn)，化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，既保證了鋼筋性能達(dá)到GB1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，又達(dá)到了節(jié)省合金的目的。

3）高強(qiáng)抗震鋼筋用于建筑工程，不僅可大大提高安全性，而且由于強(qiáng)度的提高，價(jià)格比下降，從而可節(jié)約鋼材，提高資源利用率，并且減少了對(duì)環(huán)境的污染，具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

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[3] 樊曉雷，王學(xué)忠，400、500 MPa級(jí)鋼筋的抗震性能研究，金屬材料與冶金工程，2009，第30-34頁.

 (河北鋼鐵集團(tuán)承鋼公司技術(shù)中心)