天鐵高線小規(guī)格HRB500E抗震鋼筋研發(fā)

郭志強，王 震

（1.天津天鐵冶金集團技術(shù)中心，河北涉縣 056404；2.天津天鐵冶金集團棒線廠，河北涉縣 056404）

天鐵高線小規(guī)格HRB500E抗震鋼筋研發(fā)

郭志強1，王 震2

（1.天津天鐵冶金集團技術(shù)中心，河北涉縣 056404；2.天津天鐵冶金集團棒線廠，河北涉縣 056404）

介紹了天鐵集團研發(fā)小規(guī)格HRB500E抗震鋼筋的過程。通過采用V、N微合金化，按照窄成分控制原則設(shè)計化學(xué)成分，嚴格控制鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，制定合理的軋鋼工藝，強化煉鋼、連鑄及軋鋼工序的過程控制，解決了風(fēng)冷線上搭接點對小規(guī)格盤條造成的性能波動，開發(fā)出符合國標(biāo)要求的HRB500E抗震鋼筋，取得了國家質(zhì)檢總局簽發(fā)的鋼筋混凝土用熱軋鋼筋生產(chǎn)許可證。

抗震鋼筋；微合金化；力學(xué)性能；研發(fā)

1 引言

天鐵集團棒線廠于2009年8月5日投產(chǎn)，設(shè)計規(guī)模 60萬 t/年，設(shè)計規(guī)格 ?6 mm～?16 mm，生產(chǎn)主要鋼種是冷鐓鋼及熱軋帶肋鋼筋HRB400等。坯料使用天鐵煉鋼廠提供的合格150mm2方坯。煉鋼廠建于1994年，主要裝備有3座45 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，2座45 t LF精煉爐，3座6 m弧方坯連鑄機。隨著建筑工業(yè)的迅速發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)的安全性、抗震性問題越發(fā)受到重視，而提高建筑安全性和抗震性的關(guān)鍵是提高鋼筋的強度和綜合性能，采用500MPa級鋼筋相比400MPa級鋼筋可節(jié)約用量10%左右，對發(fā)展低碳經(jīng)濟具有積極的推動意義。研制和推廣高強抗震鋼筋對生命財產(chǎn)安全具有重要的意義，是建筑鋼材發(fā)展的必然趨勢，具有很大的市場潛力。為響應(yīng)國家產(chǎn)業(yè)政策，擴大產(chǎn)品種類，提高市場競爭能力，天鐵集團進行了HRB500E抗震鋼筋的開發(fā)。在市場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)?12 mm及以上規(guī)格的HRB500E抗震鋼筋大部分由棒材生產(chǎn)線生產(chǎn)，因此天鐵將HRB500E抗震鋼筋生產(chǎn)規(guī)格定位在?6 mm～?10mm的小規(guī)格產(chǎn)品。

2 HRB500E抗震鋼筋技術(shù)要求[1]

2.1 抗震鋼筋性能特點

抗震鋼筋要求具有良好的綜合機械性能：

（1）高的屈服強度，可以減少建筑結(jié)構(gòu)的截面面積，抵御地震破壞力能力較強。

（2）高的強屈比和優(yōu)良的延伸率指標(biāo)，可以吸收更多的地震能量。

（3）好的疲勞性能，能抵抗地震時的高應(yīng)變低周疲勞破壞。

（4）熱影響區(qū)的韌性更優(yōu)，焊接性能優(yōu)良，滿足施工需要。

2.2 抗震鋼筋標(biāo)準要求

在 GB1499.2—2007中對高強抗震鋼筋HRB500E的技術(shù)要求如下：

（1）成分要求。高強抗震鋼筋HRB500E化學(xué)成分和碳當(dāng)量（熔煉分析）應(yīng)符合表1的規(guī)定。根據(jù)需要，鋼中可加入V、Nb、Ti等元素。

（2）力學(xué)性能要求。鋼筋力學(xué)性能特征值應(yīng)符合表1規(guī)定。

表1 GB1499.2—2007中HRB500E化學(xué)成分和力學(xué)性能要求

（3）冷彎、反彎性能良好。

（4）焊接性能符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準的規(guī)定。

（5）鋼筋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（如基圓上出現(xiàn)回火馬氏體組織）存在。

（6）抗震鋼筋的特殊要求。抗震鋼筋除了必須滿足上述要求外，還應(yīng)滿足以下抗震性能指標(biāo)：①鋼筋實測抗拉強度與實測屈服強度之比R0m/R0el不小于1.25；②鋼筋實測屈服強度與標(biāo)準中表2規(guī)定的屈服強度之比R0m/R0el不大于1.30；③鋼筋的最大力總伸長率Agt不小于9%。

3 HRB500E抗震鋼筋生產(chǎn)工藝設(shè)計

要實現(xiàn)鋼筋性能的嚴格穩(wěn)定控制，必須嚴格控制冶煉、連鑄和軋制等整個工藝流程，保證成分穩(wěn)定性、潔凈度、鋼坯內(nèi)部質(zhì)量和金相組織，同時還應(yīng)考慮負差率和搭接點對力學(xué)性能的影響。根據(jù)天鐵生產(chǎn)裝備情況，設(shè)計HRB500E抗震鋼筋的生產(chǎn)工藝路線如下：

45 t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐→吹氬→150方坯連鑄→雙蓄熱步進梁加熱爐→摩根5代高速線材生產(chǎn)線軋制→穿水冷卻→吐絲→斯太爾摩風(fēng)冷線→集卷→檢驗→打包。

3.1 HRB500E抗震鋼筋成分設(shè)計

根據(jù)抗震鋼筋的技術(shù)要求，鋼筋不僅要有高的強度，同時要有良好的塑性；而且屈服強度設(shè)有上限要求，還要有好的強屈比。因此必須采用微合金化路線。

（1）C、Mn、Si元素的確定。C、Si、Mn 元素都可以提高鋼的強度，考慮到鋼的焊接性能和塑性要求，碳當(dāng)量不宜太高，應(yīng)控制在0.53%以下。在影響相同強度性能情況下，Mn元素增加成本要遠遠高于C元素，因此采用高碳低錳的設(shè)計原則。為保證鋼筋的性能穩(wěn)定性，必須實行窄成分控制。

（2）微合金元素的確定。目前國內(nèi)生產(chǎn)HRB500E抗震鋼筋微合金元素主要為Nb、V、Ti。Nb微合金化工藝要求最為苛刻，冶煉工序需要嚴格控制N含量以增加Nb的固溶強化效果，連鑄工序的連鑄坯裂紋傾向大，軋鋼工序需要根據(jù)Nb含量來確定加熱工藝和控冷工藝，易導(dǎo)致鋼筋性能不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)冷彎開裂或脆斷現(xiàn)象。就本公司煉鋼、軋鋼的工藝裝備水平而言，Nb微合金化工藝很難達到抗震鋼筋的性能要求。Ti存在收得率不穩(wěn)定情況，也很難被采用。V微合金化工藝相對簡單，對連鑄工藝、鋼坯加熱和控軋控冷工藝均沒有苛刻的要求。氮作為微合金化，可通過優(yōu)化釩的析出和細化鐵素體晶粒，充分發(fā)揮細晶強化和沉淀強化兩種強化方式的作用，顯著改善鋼的強韌性配合。采用V-N微合金化技術(shù)，可明顯減少釩的含量，降低生產(chǎn)成本。不同V微合金化方式對鋼筋力學(xué)性能影響的回歸結(jié)果可定性參考表2[2]。

由表2可看出，V微合金化對強度貢獻值依次為氮化釩＞氮化釩鐵＞釩鐵,同時釩微合金化會降低鋼筋強屈比，氮化釩鐵＞氮化釩＞釩鐵。因此，選擇VN合金來實現(xiàn)HRB500E抗震鋼筋的微合金化工藝是最經(jīng)濟合理的。

表2 鋼筋力學(xué)性能與化學(xué)成分回歸統(tǒng)計結(jié)果

（3）鋼水中的P、S作為雜質(zhì)元素，含量高時，鋼的脆性增大，根據(jù)本公司鐵水和冶煉工藝實際情況，要求降低到0.030%以下。

綜合以上因素，確定HRB500E抗震鋼筋的內(nèi)控化學(xué)成分應(yīng)符合表3規(guī)定。

3.2 煉鋼連鑄工藝要點

天鐵為氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，在現(xiàn)有工藝下脫P能力有限，煉鋼首先應(yīng)把好原料質(zhì)量關(guān)，鐵水中P含量不能超過100×10-6，廢鋼P含量不超過35×10-6。轉(zhuǎn)爐鋼水的終點碳控制在0.09%以上，出鋼過程嚴格控制下渣。由于采用不過LF精煉爐工藝，氬站必須保證吹氬攪拌時間不小于8 min，保證夾雜物上浮時間。均勻后取樣進行成分分析，等成分出鋼。連鑄要做到全程保護澆注，控制好中間包液面高度和過熱度，拉速不宜過高。

3.3 軋鋼工藝要點

軋鋼工藝是微合金化的一項重要內(nèi)容，大量實踐表明，軋鋼工藝對性能的影響比V含量對性能的影響更為明顯，體現(xiàn)在對產(chǎn)品的內(nèi)部組織和V的析出強化影響上，合理的軋鋼工藝是保證產(chǎn)品性能的主要因素。

3.3.1 溫度制度

對于微合金化鋼來說，合理制定加熱溫度是性能穩(wěn)定的關(guān)鍵，為保證V、N溶入奧氏體并且均勻化，加熱溫度必須控制在固溶溫度以上，考慮到微合金元素充分固溶需要擴散時間等因素，加熱溫度要比理論上高一些，相關(guān)的資料[3]指出，為了確保V的作用充分發(fā)揮，加熱一般控制在1 150～1 200℃。但是加熱溫度的提高，會相應(yīng)提高吐絲溫度，不僅能夠?qū)е戮Я３叽玳L大，影響產(chǎn)品性能，還可能使線材材表面加重氧化，影響了產(chǎn)品的外觀質(zhì)量。因此，一方面通過控制終軋溫度來控制吐絲溫度，另一方面對線材適當(dāng)進行弱水冷。由于小規(guī)格線材冷卻速度較快，為抑制貝氏體產(chǎn)生，冷卻速度控制在10℃/s。這樣吐絲溫度可控制980℃左右，不會對V的析出造成較大影響。

根據(jù)規(guī)格不同，制定軋鋼過程溫控如表4所示。

表3 HRB500E抗震鋼筋內(nèi)控化學(xué)成分 /%

3.3.2 負公差軋制對力學(xué)性能的影響

鋼筋負公差軋制是指鋼筋按照標(biāo)準規(guī)定的負公差尺寸進行生產(chǎn)，對下游用戶、中間商和生產(chǎn)企業(yè)都有積極的意義。但是負公差軋制會造成力學(xué)性能的變化，GB 1499.2—2007標(biāo)準中第8.2.2條明確規(guī)定“計算鋼筋強度用截面面積采用表2所列公稱截面面積”。由于帶肋鋼筋采用負公差軋制，實際截面面積會小于公稱截面面積，在鋼坯成分和軋制工藝不變的情況下，勢必會造成強度指標(biāo)性能下降，因此帶肋鋼筋進行負公差軋制必須具有一定的強度過剩值，設(shè)計成分和軋鋼工藝時必須考慮增加強度指標(biāo)20～30MPa左右。

3.3.3 搭接點對力學(xué)性能影響

通過對盤螺生產(chǎn)情況進行統(tǒng)計，存在力學(xué)性能波動大的問題，同卷強度差可達40～60MPa，顯然無法滿足HRB500E抗震鋼筋的生產(chǎn)要求。造成這種現(xiàn)象主要原因，一是鋼坯加熱溫度不均，二是風(fēng)冷輥道上搭接點與中部的溫度差，其中搭接點的影響尤為嚴重，在同一圈上就可以造成高達60MPa左右的性能差。由于高線吐絲的生產(chǎn)特點，再加上小規(guī)格鋼筋散熱快，目前還沒有特別行之有效的方法來解決搭接點造成的性能差。經(jīng)過多次試驗后，優(yōu)化了風(fēng)冷輥道速度，采用先慢后快的方式，使鋼筋在風(fēng)冷輥道上盡量被拉開；合理設(shè)定風(fēng)機開啟數(shù)量、開口度，保溫罩開合方式，加靈裝置開度等各項參數(shù)，確保鋼筋均勻冷卻，可以減少搭接點的影響。經(jīng)過不斷調(diào)整，鋼筋的通條性能差成功控制在30MPa以內(nèi)，滿足了抗震鋼筋的生產(chǎn)需要。

4 產(chǎn)品實物質(zhì)量

4.1 產(chǎn)品性能指標(biāo)（見表5）

由表5可以看出，?6 mm規(guī)格相對?8 mm和?10mm規(guī)格鋼筋性能穩(wěn)定性要差一些，最大力總伸長率Agt相對國標(biāo)不小于9%的要求，富余量不是很大，這與小規(guī)格盤條軋后溫度控制相對困難有關(guān)。

表5 HRB500E抗震鋼筋力學(xué)性能統(tǒng)計

4.2 內(nèi)部組織

對HRB500E抗震鋼筋內(nèi)部組織進行檢測，全部為鐵素體加珠光體（見圖1），晶粒度9.5～11級，滿足國標(biāo)GB1499.2-2007要求。

圖1 HRB500E抗震鋼筋金相組織

4.3 鋼筋的焊接性能

對成品鋼筋進行焊接型式試驗，在不同焊接方法下，試樣接頭力學(xué)性能、拉伸斷裂位置、端口特征和彎曲性能等指標(biāo)全部合格。

5 結(jié)論

天鐵在現(xiàn)有裝備工藝條件下，通過嚴格控制煉鋼、連鑄、軋鋼等工藝環(huán)節(jié)，采用VN微合金化、合理的工藝參數(shù)，有能力生產(chǎn)出HRB500E抗震鋼筋，各項性能指標(biāo)滿足國標(biāo)GB1499.2—2007的要求，并于2013年11月順利取得生產(chǎn)許可證。

HRB500E抗震鋼筋采用VN微合金化，化學(xué)成分設(shè)計合理，生產(chǎn)工藝要求相對簡單，在保證了產(chǎn)品性能的同時，又兼顧了生產(chǎn)成本，符合大批量生產(chǎn)的要求。

通過HRB500E抗震鋼筋，解決了鋼筋通條性能差問題，為其他產(chǎn)品開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

HRB500E抗震鋼筋用于建筑工程，不僅可以增加建筑物安全儲備，而且可以減少鋼材用量，節(jié)約資源，緩解環(huán)境壓力，具有很大的經(jīng)濟效益和社會效益。HRB500E抗震鋼筋的成功開發(fā)不僅提高了天鐵的產(chǎn)品檔次和技術(shù)含量，更提高了天鐵的市場美譽度。

[1]GB1499.2—2007，鋼筋混凝土用鋼第2部分熱軋帶肋鋼筋[S].

[2] 趙徹，孟憲珩，齊宏智.不同釩微合金化方式對鋼筋屈強比的影響[J].中國冶金，2009（7）：9-12.

Research and Development of HRB500E Aseismic Reinforcement of Small Size at Tiantie High Speed Wire Rod Mill

GUO Zhi-qiang1and WANG Zhen2

(Technology Center1and Wire and Rod Mill2of Tianjin Tiantie Metallurgical Group,She County,Hebei Province056404,China)

The process that Tiantie Group developed small size HRB500E aseismic rebar is introduced.After taking measures such as adopting V and Nmicro alloying,designing chemical composition with the principle of narrow composition range control,strictly controlling billet internal quality,formulating reasonable rolling process and enhancing the process control of steel making,casting and rolling,solving the problem of big performance fluctuation of small sized wire rod caused by lapping points on air cooling line,HRB500E aseismic rebar in accordance with national standard was developed and the production permit for hot rolled bar for the reinforcement of concrete issued by AQSIQ acquired.

aseismic rebar;micro alloying;mechanical property;research and development

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.03.003

2014-01-15

2014-02-20

郭志強（1978—），男，工程師，主要從事品種研發(fā)及軋鋼工藝研究工作。