沙鋼600MPa 級(jí)抗震螺紋鋼筋的開(kāi)發(fā)

1、沙鋼600MPa 級(jí)抗震螺紋鋼筋的開(kāi)發(fā) 目前我國(guó)正處于城鎮(zhèn)化建設(shè)的關(guān)鍵階段，隨著大批市政基礎(chǔ)設(shè)施的興建，螺紋鋼市場(chǎng)展現(xiàn)了巨大的發(fā)展前景。而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中低級(jí)別二級(jí)鋼筋所占比重較大，三級(jí)以上螺紋鋼的應(yīng)用程度較低，落后于國(guó)外螺紋鋼的發(fā)展水平，在建筑安全，節(jié)能降耗等方面帶來(lái)不利影響，嚴(yán)重制約著建筑行業(yè)的發(fā)展。鋼鐵“十二五”規(guī)劃中明確提出了“400MPa 及以上高強(qiáng)度螺紋鋼筋比例超過(guò)80%”的目標(biāo)，預(yù)計(jì)今后幾年HRB400 及以上產(chǎn)品的產(chǎn)量將大幅增加。GB 1499.2 新標(biāo)準(zhǔn)中將增加600MPa 級(jí)鋼筋HRB600，將該標(biāo)準(zhǔn)提高到國(guó)際先進(jìn)水平，為鋼筋的高強(qiáng)化指明了方向，同時(shí)也為鋼筋的研發(fā)指明了方向，高強(qiáng)

2、度鋼筋不僅能減少鋼筋使用量，降低建筑本身承重，同時(shí)可減輕鋼廠盲目追求產(chǎn)量帶來(lái)的環(huán)境污染等問(wèn)題。與此同時(shí)，近年來(lái)我國(guó)地震頻發(fā)且災(zāi)情嚴(yán)重，四川汶川、雅安地震，甘肅玉樹(shù)、定西地震都給當(dāng)?shù)厝嗣駧?lái)了巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失，而建筑物坍塌是地震中危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要因素。眾所周知，鋼筋的抗震性能是混凝土建筑抵御地震的關(guān)鍵保證，所以研發(fā)生產(chǎn)一種強(qiáng)度高，抗震性能好的螺紋鋼筋成為迫切需求。正是基于上述需求，江蘇沙鋼集團(tuán)開(kāi)發(fā)了600MPa 級(jí)抗震螺紋鋼筋產(chǎn)品。 1 成分設(shè)計(jì)材料的強(qiáng)化方式包括沉淀析出強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、位錯(cuò)及亞晶強(qiáng)化等。細(xì)晶強(qiáng)化是鋼主要的強(qiáng)化方式之一，同時(shí)也是大幅度提高鋼材韌性

3、的主要韌化方式。細(xì)晶強(qiáng)化之所以可提高強(qiáng)度主要是由于位錯(cuò)除克服晶格阻力、滑移面上雜質(zhì)原子對(duì)位錯(cuò)的阻力外，還需克服晶界阻力，而晶界原子排列紊亂，晶界兩邊晶粒取向不同，因此晶粒愈小，晶界就愈多，而晶界阻力愈大。固溶強(qiáng)化通過(guò)溶質(zhì)原子溶入鐵的基體中，造成晶格畸變，從而使基體強(qiáng)度提高，以及溶質(zhì)原子與運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)相互作用，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，提高強(qiáng)度，常見(jiàn)的固溶元素有C、Si、Mn、P 等。析出沉淀強(qiáng)化依靠細(xì)小的沉淀物分散于基體中，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而產(chǎn)生強(qiáng)化作用。相變強(qiáng)化是通過(guò)相變產(chǎn)生不同的相而產(chǎn)生的強(qiáng)化效應(yīng)。螺紋鋼組織為鐵素體、珠光體組織，結(jié)合冷床空冷的生產(chǎn)特點(diǎn)，相變強(qiáng)化作用不明顯，主要可通過(guò)細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和析出

4、沉淀強(qiáng)化等手段來(lái)提高強(qiáng)度。鈮、釩、鈦為常用的微合金化元素，可通過(guò)析出沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化提高鋼材基體強(qiáng)度，高強(qiáng)度螺紋鋼同樣需引入微合金化元素，但結(jié)合不同合金元素的強(qiáng)化機(jī)理，加入量有所不同。鈮的碳氮化物在1200以上時(shí)能大部分溶解于奧氏體中，釩的碳化物在900以上即可完全溶于奧氏體，而鈦的溶解溫度最高，1250以上仍存在穩(wěn)定細(xì)小的顆粒。鋼筋的生產(chǎn)工藝條件決定鈮難以發(fā)揮其細(xì)晶強(qiáng)化效果，但鈮的析出也有較強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。在形成碳化鈦之前，鈦首先與氧、硫、氮結(jié)合為化合物，因此鋼中鈦含量的穩(wěn)定控制較為困難，可利用細(xì)小的氮化鈦改善焊接性能。釩的溶解度高，在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過(guò)程中可形成大量的碳氮化

5、釩的析出物，尤其適合鋼筋這種軋制速度快，軋制溫度高的生產(chǎn)特點(diǎn)。因此螺紋鋼的合金成分設(shè)計(jì)應(yīng)在碳、硅、錳等元素的基礎(chǔ)上，加入適量微合金元素，并且以釩為主，輔以少量的鈮和鈦。2 實(shí)驗(yàn)室研究沙鋼根據(jù)螺紋鋼軋制特點(diǎn)和合金元素強(qiáng)化機(jī)理設(shè)計(jì)了7 種成分的試驗(yàn)鋼，如表1 所示，并開(kāi)展了顯微組織與力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)合金元素的作用以及相關(guān)工藝的影響進(jìn)行了全面的分析。1-7 號(hào)試驗(yàn)鋼是用實(shí)驗(yàn)室真空感應(yīng)爐冶煉的80kg 小鋼錠，將小鋼錠加熱鍛造成 150mm×150mm的方錠，并焊接至車間生產(chǎn)的HRB400 方坯尾部。然后按照一定生產(chǎn)工藝在車間軋制成公稱直徑為25mm 的螺紋鋼棒。對(duì)螺紋鋼試樣進(jìn)行切割鑲樣

6、，研磨拋光之后采用4% 的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，采用Zeiss光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法從鋼筋上截取500-600mm 試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。力學(xué)性能結(jié)果顯示，1、2 號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度達(dá)到了500MPa 以上，3-7 號(hào)鋼的屈服強(qiáng)度則達(dá)到了600MPa 以上，同時(shí)強(qiáng)屈比滿足大于等于1.25 的要求。可見(jiàn)，通過(guò)添加適量的Nb、V、Ti 等合金元素，屈服強(qiáng)度能夠達(dá)到600MPa以上。對(duì)比分析結(jié)果顯示，在提高強(qiáng)度的作用方面，V起到了主要作用，而Nb 和Ti 的作用并不明顯。與車間生產(chǎn)的螺紋鋼相比，利用實(shí)驗(yàn)室真空冶煉爐生產(chǎn)

7、的小鋼錠在成分相同的情況下也存在塑性偏低的問(wèn)題，這主要是由于小鋼錠采用模鑄生產(chǎn)，后續(xù)經(jīng)過(guò)高溫加熱、鍛造的生產(chǎn)過(guò)程導(dǎo)致小鋼錠的晶粒粗大，粗大的奧氏體晶粒會(huì)延長(zhǎng)鐵素體和珠光體的相變時(shí)間，促進(jìn)貝氏體形成，在螺紋鋼組織中，貝氏體屬于有害組織，會(huì)嚴(yán)重降低螺紋鋼塑性。實(shí)驗(yàn)室冶煉的小鋼錠中，6 號(hào)和7 號(hào)雖然滿足了屈服強(qiáng)度大于600MPa 的強(qiáng)度要求，但塑性較低，僅為13%，一方面就是由于其組織中貝氏體較多，而在車間工業(yè)生產(chǎn)時(shí)，由于采用“轉(zhuǎn)爐+ 連鑄+ 加熱爐+ 控軋控冷”的生產(chǎn)工藝，可細(xì)化奧氏體晶粒，減少甚至消除貝氏體組織，有利于提高螺紋鋼強(qiáng)度和塑性，另一方面微合金化元素含量較高，固溶在鋼材基體中，降低了塑性，因此在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)控制合金元素的加入量。綜上所述，結(jié)合微合金化元素強(qiáng)化機(jī)理和螺紋鋼的生產(chǎn)特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)合金成分完全可以使螺紋鋼屈服強(qiáng)度達(dá)到600Mpa級(jí)以上，同時(shí)，通過(guò)車間“轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)+ 連鑄小方坯+ 加熱爐加熱+ 控軋控冷