HRB600E高强抗震钢筋试制开发

2018-08-02乔国平张崇民靳刚强褚文龙翁玉娟韩春良

新技术新工艺 2018年7期

乔国平，张崇民，靳刚强，褚文龙，翁玉娟，韩春良

(1.辽宁科技大学材料与冶金学院，辽宁鞍山 114051；2.河钢集团承钢公司，河北承德 067102)

目前，世界主要工业国家已将高强度钢筋作为主要建筑用钢，正在逐渐淘汰强度<400 MPa级的钢筋。如欧洲发达国家的建筑钢筋已经升级到500 MPa级为主，日本也已开发出屈服强度>685 MPa的超高强度抗震钢筋，并在高层建筑建造中得到应用[1-2]。随着我国城镇化、高铁和建筑行业的迅猛发展，对建筑用热轧带肋钢筋的性能要求也越来越高；同时在“十二五”发展规划中已明确提出要“适应减量化用钢趋势，升级热轧螺纹钢标准，重点发展400 MPa及以上高强度螺纹钢筋、抗震钢筋”[3]。目前，GB 1499.2—2018《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》中增加了600 MPa级高强钢筋。600 MPa级钢筋具有强度高、安全等级储备量大和节省钢材使用量等优点，因此，具备抗震性能的HRB600E级钢筋已成为建筑用钢筋发展的必然趋势。

为适应建筑钢筋升级换代的需求，提高河钢集团承钢公司建筑用钢市场竞争力，结合GB 1499.2—2018送审稿和本公司现有设备和工艺技术，在HRB500E基础上，对600 MPa级高强抗震热轧带肋钢筋(又称HRB600E高强抗震钢筋)进行了试制开发，并采用拉伸试验机、金相显微镜等设备对钢筋力学性能、显微组织等进行了检验分析。

1 化学成分及工艺设计

1.1 化学成分

根据相关研究资料[4-6]，参考GB 1499.2—2018中HRB600化学成分控制要求，在本公司现有工艺技术及HRB500E基础上，制定出钒/氮和铌复合微合金化工艺试制HRB600E高强抗震钢筋的化学成分控制要求(见表1)。钢中采用钒氮合金进行钒微合金化，采用铌铁进行铌微合金化。

表1 HRB600E钢筋化学成分控制要求(质量分数) (%)

1.2 力学性能

表2 HRB600E钢筋力学性能控制要求

1.3 工艺流程

HRB600E高强抗震钢筋生产工艺流程如下：高炉铁水→100 t转炉提钒(可选)→100 t转炉冶炼→100 t LF精炼→8机8流方坯保护浇铸→钢坯检验→钢坯加热炉加热→高压水除鳞→棒材轧机轧制→分段剪切→冷床自然冷却→定尺剪切→检验→打捆包装→检斤→入库。

2 过程工艺控制

2.1 炼钢工艺

2.1.1 转炉冶炼控制

使用含钒铁水或半钢、废钢在100 t氧气转炉中进行顶底复合吹炼，终点控制要求质量分数为：w(C)≥0.06%，w(P)≤0.020%，出钢温度为1 650～1 670 ℃。出钢过程使用硅铝钡复合脱氧剂、硅铁、硅锰合金、钒氮合金和铌铁进行脱氧合金化，全程使用底吹氩工艺，促进钢水成分、温度的均匀和非金属夹杂物的上浮排除，挡渣出钢，防止大量下渣、钢水回磷。

2.1.2 LF精炼控制

精炼过程进行成分微调，对钢水温度进行控制，精炼终点钢水成分达到成分目标控制要求，温度控制在1 570～1 585 ℃，以保证钢水连铸稳定性。精炼结束保证钢包软吹氩8 min以上，促进钢中夹杂物上浮排除。

2.1.3 连铸浇注控制

浇铸在8机8流连铸机上进行，钢坯断面为165 mm×165 mm小方坯，全程保护浇铸。针对铌微合金化钢连铸坯裂纹敏感性较高，影响连铸坯表面及内部质量问题，结合本公司实际控制情况及相关研究[7-8]，连铸过程结晶器保护渣使用低合金钢专用保护渣，二冷采用低合金配水模式，中包过热度≤40 ℃，拉速为1.7～2.0 m/min，铸坯矫直区温度>900 ℃。

2.2 轧钢工艺

适量铌微合金化与钒微合金化结合，不仅能够增加细晶强化效果，同时铌、钒的析出也能显著改善钢的力学性能[9]，但铌、钒的碳氮化物析出温度和位置不同，钒的碳氮化物析出温度为700～900 ℃，主要在奥氏体/铁素体相变过程中以及相变后的铁素体中析出，铌的碳氮化物析出温度>950 ℃，主要在奥氏体中析出[10]。铌的加入提高了其全固溶温度，扩大了高温析出的温度区域，并且在温降过程中其析出量也显著增多[11]。为了保证铌、钒细晶强化和析出强化效果、提高HRB600E高强抗震钢筋抗震性能，轧制过程采用侧进侧出双蓄热步进梁式加热炉进行加热，出炉温度为1 050～1 100 ℃，采用18机架全连续棒材轧机轧制，开轧温度为1 020～1 070 ℃，轧制速度为13～15 m/s，上冷床温度≥1 020 ℃，冷床空冷至室温。

3 检验结果及分析

3.1 力学性能

铌钒复合微合金化工艺试制的HRB600E高强抗震钢筋力学性能检验结果见表3。

表3 HRB600E钢筋力学性能

由表3可知，采用铌钒复合微合金化工艺试制的HRB600E钢筋，各项性能指标均达到了抗震钢筋力学性能控制要求，且屈服强度具有30 MPa余量，性能波动较小，钢筋强韧性和抗震性良好，综合性能优异。

3.2 时效性能

对部分HRB60E高强抗震钢筋分别进行3、7和15 d自然时效力学性能检验，检验结果见表4。

表4 HRB600E钢筋时效力学性能

由表4可以看出，其15 d内钢筋力学性能存在小幅波动，但整体性能稳定，且符合抗震钢筋力学性能控制要求。

3.3 金相组织及夹杂物

利用光学显微镜对HRB600E高强抗震钢筋进行金相组织(见图1)及夹杂物(见图2)检验，其钢的组织均为铁素体和珠光体，珠光体体积分数≥45%，晶粒度≥10级，晶粒均匀。夹杂物主要为A、C和D类夹杂物，均<1.5级，夹杂物数量少且尺寸较小，未出现粗系超尺寸夹杂物。

图1 HRB600E钢筋金相组织

图2 HRB600E钢筋夹杂物

3.4 焊接性能

对试制HRB600E高强抗震钢筋进行闪光焊和帮条焊试验。对其钢筋焊接性能进行检验，其拉伸断裂情况如图3所示。对其焊接试样力学性能检验结果进行统计，其力学性能情况如图4所示。

图3 HRB600E钢筋闪光焊和帮条焊拉伸断裂情况

图4 HRB600E钢筋闪光焊和帮条焊力学性能

由图3可知，2种焊接情况下，钢筋拉伸断裂位置均在母材上，且断口缩颈显著，钢筋断后伸长率良好，为延性断裂。由图4力学性能统计可知，2种焊接方式钢筋抗拉强度均>803 MPa，即标准抗拉强度的1.1倍，焊接钢筋力学性能良好。因此，按照JGJ 18—2012《钢筋焊接及检验规程》要求，该结果说明试制HRB600E高强抗震钢筋具有良好的焊接性能。