抗氫脆超大規(guī)格貝氏體預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋的研制

韓子光，關(guān)成祥

（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津300312）

抗氫脆超大規(guī)格貝氏體預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋的研制

韓子光，關(guān)成祥

（天津市天鐵軋二制鋼有限公司，天津300312）

為滿足市場需求，研制開發(fā)出合金體系PSB830Y。對煉鋼成分和工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用兩火成材的工藝生產(chǎn)母材，保證其壓縮比。設(shè)計(jì)了Φ63.5 mm、Φ75 mm兩種規(guī)格的精軋螺紋鋼筋外形尺寸及軋制孔型系統(tǒng)，采用專業(yè)的熱處理線進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，大幅度降低了氫元素在較大應(yīng)力狀態(tài)下對鋼筋造成的損害。經(jīng)試樣組織性能分析，開發(fā)出的Φ63.5 mm、Φ75 mm超大規(guī)格精軋鋼筋淬透性良好，內(nèi)外組織均勻，最高性能可達(dá)到PSB930級別。

精軋鋼筋；氫脆；超大規(guī)格；貝氏體；預(yù)應(yīng)力；混凝土;螺紋鋼筋

1 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋（也稱精軋螺紋鋼筋，以下均簡稱精軋螺紋鋼筋）是在整根鋼筋上軋有外螺紋的大直徑、高強(qiáng)度、高尺寸精度的直條鋼筋。該鋼筋在任意截面處都可擰上帶有內(nèi)螺紋的連接器進(jìn)行連接，或擰上帶螺紋的螺帽進(jìn)行錨固。精軋螺紋鋼筋廣泛應(yīng)用于大型水利工程、工業(yè)和民用建筑中的連續(xù)梁和大型框架結(jié)構(gòu)，公路、鐵路大中跨橋梁、核電站及地錨等工程。它具有連接、錨固簡便，粘著力強(qiáng)，張拉錨固安全可靠，施工方便等優(yōu)點(diǎn)，而且節(jié)約鋼筋，減少構(gòu)件面積65-2006《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》中精軋螺紋鋼筋的公稱直徑范圍為18～50 mm。為了滿足我國建筑工程對更大直徑精軋螺紋鋼筋的需求，迫切要求開發(fā)出新的超大直徑精軋螺紋鋼筋品種。世界矚目的“港珠澳”大橋工程，就于2012年提出Φ75 PSB930級別精軋螺紋的需求。但由于國內(nèi)無法生產(chǎn)與檢測，工程只能改用其他材料。近一段時(shí)間國內(nèi)外一些大型港口工程也多次提出欲采購Φ63.5、Φ75的精軋產(chǎn)品，同時(shí)其使用的現(xiàn)場條件也超出國標(biāo)的要求，較為苛刻。為此，我們通過與鋼鐵研究總院就超大規(guī)格精軋鋼筋進(jìn)行了“產(chǎn)學(xué)研”的聯(lián)合攻關(guān)，研制開發(fā)出抗氫脆超大規(guī)格貝氏體預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋。

2 研制準(zhǔn)備

2.1 目標(biāo)性能指標(biāo)

直徑Φ63.5、Φ75 mm，性能指標(biāo)滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用螺紋鋼筋》（GB/T 20065-2006）中PSB83級別相關(guān)要求：屈服強(qiáng)度：≥830 MPa；抗拉強(qiáng)度：≥1 030 MPa；斷后伸長率：≥6%；

應(yīng)力松弛率：1 000 h后≤3%。

要攻克大規(guī)格精軋鋼筋易產(chǎn)生淬透性、組織均勻性差，張拉施工過程后偶發(fā)“脆斷”的問題。

2.2 研制步驟

（1）分析現(xiàn)有規(guī)格精軋產(chǎn)品的性能、組織特性。

（2）探究大規(guī)格精軋鋼筋在張拉施工過程后偶發(fā)的“脆斷”問題。

（3）針對超大規(guī)格產(chǎn)品及超高強(qiáng)度要求明確攻關(guān)目標(biāo)。

（4）通過廣泛檢索國內(nèi)外超高強(qiáng)棒材生產(chǎn)工藝方法，結(jié)合自主創(chuàng)新確定工藝路線。

3 研發(fā)過程

3.1 分析現(xiàn)有規(guī)格精軋產(chǎn)品的性能、組織特性

精軋螺紋鋼筋最早開發(fā)只有PSB785級別，現(xiàn)已開發(fā)出多種強(qiáng)度級別的產(chǎn)品，包括PSB830 PSB930、PSB1080，以及德國DIN488標(biāo)準(zhǔn)的BSt500S級別的產(chǎn)品，以滿足用戶的不同需求。

我國GB/T 20065-2006精軋鋼筋國標(biāo)中，對化學(xué)成分的要求為S、P含量不大于0.035%，對N、H O含量并無要求，對成品微觀組織也沒有要求。為此，國內(nèi)現(xiàn)此產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝為：PSB785、PSB83級別鋼筋的一般是采用40Si2MnV牌號原料，經(jīng)過在線余熱處理+時(shí)效處理，滿足性能要求；PSB930 PSB1080級別鋼筋的生產(chǎn)是將加“V”原料熱軋后根據(jù)不同的規(guī)格選擇不同的淬火熱處理工藝，通過對冷卻水的流量、壓力調(diào)整，保證工藝要求的自回火溫度，即通過調(diào)質(zhì)處理升級到此級別。此工藝生產(chǎn)的鋼筋一般成品金相組織為邊部回火索氏體，心部鐵素體+珠光體（見圖1）。

圖1 金相組織對比圖

3.2 大規(guī)格精軋鋼筋在張拉施工過程后偶發(fā)的“脆斷”問題

按傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的大規(guī)格精軋螺紋鋼筋（直徑大于36 mm）在張拉施工過程后會(huì)偶發(fā)“脆斷”的現(xiàn)象。經(jīng)與專業(yè)科研機(jī)構(gòu)長期的共同研究分析，總結(jié)出這種“脆斷”現(xiàn)象實(shí)質(zhì)上為氫脆所引起的。鋼筋的1/2半徑和心部的取樣拉伸試驗(yàn)表明，心部拉伸試樣的斷后伸長率和斷面收縮率遠(yuǎn)低于1/2半徑處，表明材料心部韌塑性較差，整體組織分布不均勻。而氫致延遲斷裂的源頭正是這些硬度、脆性過高的區(qū)域。

3.3 坯料工藝制定

針對大規(guī)格精軋螺紋鋼筋易產(chǎn)生淬透性、組織均勻性差及易氫脆的問題，借鑒“飛機(jī)起落架”防氫脆工藝，研發(fā)了新的合金體系PSB830Y。煉鋼采用轉(zhuǎn)爐+LF+VD+連鑄工藝路線，采用全保護(hù)連鑄。連鑄坯緩冷或避風(fēng)處堆冷處理，同時(shí)采用兩火成材工藝，增大產(chǎn)品壓縮比，細(xì)化組織，以保證產(chǎn)品性能。

在煉鋼成分中，適量添加了B、Cr、Ti等增加淬透性的元素和Al、Ni等細(xì)化晶粒的元素，以及M等對形成貝氏體高強(qiáng)鋼，降低回火脆性起重要作用的元素，嚴(yán)格控制坯料中N、H、O的含量，鋼中氮≤70×10-6，鋼中氧≤25×10-6，經(jīng)VD后鋼水氫≤2×10-6連鑄坯低倍中心疏松、中心偏析均要求≤2.0級。

3.4 鋼筋的外形設(shè)計(jì)

超大規(guī)格精軋螺紋鋼筋參考美國SA Thread-Bars螺紋鋼筋產(chǎn)品規(guī)格書中此種鋼筋的尺寸規(guī)格和國內(nèi)對鋼筋尺寸的要求，設(shè)計(jì)了Φ63.5 Φ75兩種規(guī)格的精軋螺紋鋼筋外形尺寸及軋制孔型系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了配套使用的錨具、連接器。為鋼筋與錨具配合緊密，其間隙量不得大于1 mm。設(shè)計(jì)鋼筋外形尺寸見表1。

表1 鋼筋外形尺寸表

3.5 軋制工藝流程

采用220×300連鑄坯原料，經(jīng)開坯成145×135矩形坯，保證其壓縮比，后軋制完成。Φ63.5精軋螺紋鋼筋共軋制8個(gè)道次，Φ75精軋螺紋鋼筋共軋制6個(gè)道次。

通過以上兩種規(guī)格的調(diào)試，表明孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，鋼筋尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，錨具檢驗(yàn)旋進(jìn)順暢。其實(shí)測鋼筋尺寸為Φ63.5規(guī)格：dh為62.9～63.1 mm，dv為60.8～63.2 mm，肋高h(yuǎn)為2.5～2.8 mm，螺距l(xiāng)為21.9 mm。Φ75規(guī)格：dh為74.6～74.8 mm，dv為73.8～74.2 mm，肋高h(yuǎn)為3.0～3.2mm，螺距l(xiāng)為23.9 mm。

3.6 熱處理工藝流程

為滿足高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋的性能要求，需要對軋制冷卻后的鋼筋通過高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋熱處理線做調(diào)質(zhì)處理。經(jīng)通過式燃?xì)饧訜釥t（日本技術(shù)）加熱至850～950℃，淬火后回火，回火溫度控制在600～650℃。其流程為上料→輥道輸送→淬火加熱→噴水淬火→輥道輸送→回火加熱與保溫→回火出爐到指定位→撥料機(jī)撥料→料框收集入庫。

4 試樣組織性能分析

通過6組不同熱處理工藝的調(diào)整、試驗(yàn)、分析，最終的力學(xué)性能見表2。通過力學(xué)性能對比，表明鋼筋淬透性良好。

表2 力學(xué)性能表

5 結(jié)束語

研發(fā)了新的合金體系PSB830Y，在煉鋼成分及工藝上進(jìn)行了優(yōu)化，采用兩火成材的工藝生產(chǎn)母材，保證其壓縮比。設(shè)計(jì)了Φ63.5、Φ75兩種規(guī)格的精軋螺紋鋼筋外形尺寸及軋制孔型系統(tǒng)。使用專業(yè)的熱處理線進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，降低了氫元素對鋼筋在較大應(yīng)力狀態(tài)下造成損害的可能性，可使直徑63.5、75 mm的超大規(guī)格精軋鋼筋，具有良好淬透性，內(nèi)外組織均勻?yàn)樨愂象w，最高能夠達(dá)到PSB93級別。

Development of Hydrogen Brittleness Resistant Large Size Bainite Rebar for Pre-stressed Concrete

HAN Zi-guang and GUAN Cheng-xiang
(Tianjin Tiantie Zha'er Steel-making Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China)

PSB830Y alloy system was developed in order to fulfill market demand.The composition and process of steel-making were optimized and double reheat process was adopted to produce base metal to ensure compression ratio.Outline dimension and rolling pass system for Φ63.5 mm and Φ75 mm finish rolled rebar were designed and professional heat treatment line was adopted for quenching and tempering treatment,substantially alleviating hydrogen damage to rebar under big stress state.The structure and property of the sample were analyzed,which showed that the developed Φ63.5 mm and Φ75 mm large size finish rolled rebar possessed good hardenability and uniform internal and external structure and their highest property could reach the level of PSB930 grade.

finish rolled rebar;hydrogen brittleness;large size;bainite;pre-stressed;concrete;rebar

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.008

2016-06-08

2016-06-23

韓子光（1985—），男，主要從事金屬材料方面的研究工作。