hrb400鋼筋軋后水冷工藝試驗(yàn)研究

hrb400鋼筋軋后水冷工藝試驗(yàn)研究

隨著人們需求的增加，國(guó)家建筑業(yè)的大型化和高度化方向迅速發(fā)展，隨著鋼筋等建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化材料的廣泛應(yīng)用，對(duì)鋼筋的綜合能力的要求也越來(lái)越高。鋼筋通過(guò)添加微合金元素,配合以控制軋制技術(shù)使其強(qiáng)度和綜合性能不斷增強(qiáng),常用鋼筋已由早期的16Mn發(fā)展到20MnSi,從25MnSi發(fā)展到HRB400新Ⅲ級(jí)鋼筋。目前,已有很多試驗(yàn)對(duì)鋼筋添加的微合金元素及控制軋制工藝進(jìn)行了研究。有報(bào)道提出控軋后水冷可能提高鋼筋強(qiáng)度,從而可以使得鋼筋在降低合金成分后,仍能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,以減少生產(chǎn)成本?？傊?對(duì)HRB400Ⅲ級(jí)鋼筋的軋制工藝及其軋后控冷工藝進(jìn)行研究,其成果可直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐,有較強(qiáng)的研究意義。該試驗(yàn)利用水城鋼鐵(集團(tuán))有限公司試生產(chǎn)的釩強(qiáng)化鋼筋。通過(guò)一系列試驗(yàn)測(cè)定了這批鋼筋的強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性、高應(yīng)力低周疲勞性能等多種力學(xué)性能指標(biāo),并分析了控軋后不同冷卻速度對(duì)鋼筋這些力學(xué)性能指標(biāo)的影響,并提出了生產(chǎn)實(shí)踐的指導(dǎo)性建議。1試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法1.1提高鋼筋質(zhì)量,試驗(yàn)材料為水城鋼鐵集團(tuán)有限公司試生產(chǎn)的規(guī)格為Φ25mm釩強(qiáng)化鋼筋。鋼坯由水鋼煉鋼廠的80t的轉(zhuǎn)爐冶煉,冶煉過(guò)程中充入氮?dú)?。鋼化學(xué)成分如表1所示,同時(shí)用LecoTC-436型氮氧氣體分析儀對(duì)鋼中氣體進(jìn)行了分析也列于表1中。特別的,為研究軋后水冷對(duì)于低碳含量鋼的影響程度,4號(hào)鋼筋降低了碳含量,其碳含量要低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1499-1998的規(guī)定。兩種鋼筋均采用相同得軋制工藝,軋制分為初軋,中軋及精軋三個(gè)部分,其中初軋機(jī)5臺(tái),中軋和精軋機(jī)各6臺(tái),軋制時(shí)機(jī)組配置如圖1所示:鋼筋的軋制過(guò)程為:鋼坯在加熱爐中加熱至1100～1150℃,出爐后以12m/s的軋制速度進(jìn)行軋制。為了降低進(jìn)精軋溫度,在中軋和精軋機(jī)組之間安裝了對(duì)鋼坯進(jìn)行預(yù)冷的長(zhǎng)為6.7m的冷卻水管,此水管水壓恒定為1.1MPa,使得進(jìn)精軋溫度在870～920℃范圍內(nèi)變化。軋制完成后,為了實(shí)現(xiàn)軋后的控冷工藝,隨后采用兩段長(zhǎng)均為7.2m的冷卻水管對(duì)鋼筋進(jìn)行穿水冷卻,兩段水管間距12m。不同的冷卻速度通過(guò)控制冷卻水管內(nèi)噴嘴提供的水壓大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。如表2所示軋后控冷工藝分為3種:(1)終軋后兩冷卻水管都不提供水壓,鋼筋通過(guò)管道后空冷,即為31,41號(hào)鋼;(2)終軋后冷卻水管同時(shí)提供0.7MPa水壓,鋼筋通過(guò)管道后空冷,即為32,42號(hào)鋼;(3)終軋后冷卻水管同時(shí)提供1.3MPa水壓,鋼筋通過(guò)管道后空冷,即為33,43號(hào)鋼。1.2沖擊試驗(yàn)及材料制備強(qiáng)度和塑性是衡量鋼筋性能好壞的重要指標(biāo),試驗(yàn)通過(guò)對(duì)未加工的鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn),測(cè)定其屈服強(qiáng)度(Rel)抗拉強(qiáng)度(Rm)以及延伸率(A)。鋼材低溫脆斷,常造成災(zāi)難性事故。鋼筋韌性的大小與鋼筋的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)直接相關(guān)。把鋼筋加工分別加工成標(biāo)準(zhǔn)的夏氏V形缺口沖擊試樣,分別在-40℃,-20℃,0℃及室溫(27℃)條件下按照GB4195-84進(jìn)行系列沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)采用乙醇加液氮降溫,達(dá)到設(shè)定的溫度后,保溫20min左右。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),冷卻溫度與設(shè)定溫度之差(過(guò)冷度)取2～4℃。由能量法(Akv=27J時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度)在沖擊曲線上截取獲得韌脆轉(zhuǎn)變溫度。試驗(yàn)在InstronModel1342液壓伺服材料試驗(yàn)機(jī)上按照GB3075-82(金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法)進(jìn)行。試驗(yàn)采用軸向應(yīng)變控制,控制4個(gè)應(yīng)力水平分別為±1%、±1.5%、±2%、±2.5%,應(yīng)變頻率為0.1～0.4Hz,采用對(duì)稱正弦波循環(huán)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)條件為大氣環(huán)境,室溫。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1冷卻速度對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表3的數(shù)據(jù)可以看出,試驗(yàn)鋼筋的總伸長(zhǎng)率A達(dá)到28%以上,4字頭的鋼筋甚至達(dá)到了30%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)GB1499—1998規(guī)定的14%。碳含量為0.19%的鋼筋,無(wú)論其控冷工藝如何,都達(dá)到了GB1499—1998中對(duì)Ⅲ級(jí)鋼筋的技術(shù)要求。但碳含量為0.14%的鋼筋,雖然屈服強(qiáng)度Rel都在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的400MPa以上。但其抗拉強(qiáng)度Rm只有編號(hào)為43的鋼筋達(dá)到了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的570MPa。試驗(yàn)鋼筋的Rm/Rel值都大于GB50011—2001(建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范)規(guī)定的1.25,3號(hào)鋼筋已達(dá)到國(guó)家各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于Ⅲ級(jí)鋼筋的要求。較高碳含量的鋼筋在0.7MPa水冷后鋼筋的強(qiáng)度和塑性都有所降低,1.3MPa水冷后強(qiáng)度提高,塑性降低;碳含量較低的鋼筋隨著冷卻速度的提高,強(qiáng)度逐漸提高,塑性逐漸降低。這是由于表面高的冷卻速度使得馬氏體、貝氏體組織在鋼筋表面的形成,穿水冷卻時(shí)表面冷卻速度高于心部,穿水后心部的余熱傳向表面,使得表面溫度重新升高,最終得到回火馬氏體組織。這種馬氏體類型組織可以使鋼筋得強(qiáng)度和硬度得到提高。同時(shí)從表2可以看出,32鋼筋比較異常,其強(qiáng)度和塑性都比空冷鋼筋低。為了研究其原因,對(duì)3字頭鋼筋橫截面心部開(kāi)始沿半徑進(jìn)行維氏硬度測(cè)量。如圖2所示。顯微硬度的分布實(shí)際上反映了冷卻時(shí)冷卻速度的分布,冷卻速度高的地方晶粒越細(xì)小硬度也大。由圖2可以看出,31號(hào)樣品表面和心部的硬度差最小,而32和33號(hào)樣品的表面與心部硬度差較大。特別是冷卻水壓力為0.7MPa的32號(hào)試樣,其表面硬度甚至比冷卻速度更高的鋼筋高出很多。這表明,當(dāng)冷卻水壓較低時(shí),因冷卻能力不足使得截面上的冷卻速度分布更不均勻。另外,不同位置的鋼筋表面上的冷卻速度也不均勻。這些冷卻速度的不均勻?qū)е铝擞捕确植嫉牟痪鶆?進(jìn)而導(dǎo)致鋼筋表面、心部間殘余應(yīng)力的產(chǎn)生,從而影響鋼筋的強(qiáng)度和塑性。32號(hào)鋼筋正是因?yàn)檫@種冷卻的不均勻,使得其強(qiáng)度和塑性都偏低。同時(shí),為了研究不同冷卻速度對(duì)鋼筋表面的晶粒度大小和組織的影響,對(duì)鋼筋橫截面邊緣部分進(jìn)行了金相觀察,如圖3所示。由圖3可以看出,試樣邊緣的晶粒隨著冷速的提高而明顯變小。晶粒大小的不同也解釋了邊緣硬度的差異。正如前面的分析,觀察到33和43號(hào)鋼筋邊緣部分由于冷卻速度較大,已經(jīng)產(chǎn)生了灰色的非珠光體組織。這種組織可能會(huì)對(duì)鋼筋的服役的安全產(chǎn)生不利影響,在鋼筋生產(chǎn)中應(yīng)避免出現(xiàn)這種組織。由以上試驗(yàn)結(jié)果可知,按照上述冷卻裝置控冷后,軋后較快速度水冷可以使得鋼筋的強(qiáng)度提高,冷卻水壓不足時(shí)不但不能提高強(qiáng)度,反而會(huì)由于組織更加不均勻而同時(shí)降低鋼筋強(qiáng)度和塑性。在獲得了一定的冷速后,隨著冷速提高,鋼筋強(qiáng)度會(huì)逐步提高,塑性逐步降低。但是,強(qiáng)度的提高量和塑性的降低量并不明顯,冷卻水壓到達(dá)1.3MPa時(shí)鋼筋邊緣部分有明顯的灰色異常組織產(chǎn)生。鋼筋碳含量較低(0.14%)時(shí)提高其水冷壓力至1.3MPa以上雖然可以使其強(qiáng)度可達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,但由于鋼筋中產(chǎn)生了不宜出現(xiàn)的非珠光體組織,也不利于工程應(yīng)用。2.2沖擊韌性試驗(yàn)進(jìn)行夏比系列沖擊試驗(yàn),分別繪制3字頭和4字頭號(hào)鋼的沖擊曲線,如圖4-5所示。可以看出各號(hào)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)都達(dá)到了-20℃以下,3號(hào)鋼筋在國(guó)內(nèi)大部分地區(qū)服役都不會(huì)因?yàn)闇囟葐?wèn)題而造成脆性斷裂?？绽涞?1和41號(hào)鋼,沖擊韌性在各溫度都要高出同系列的另兩種鋼筋,這是由于水冷加大了鋼筋內(nèi)部的內(nèi)應(yīng)力,這種內(nèi)應(yīng)力會(huì)使得鋼筋韌性降低。其韌脆轉(zhuǎn)變溫度都要低于-40℃,其中碳含量較低時(shí)低溫韌性較高。軋制后水冷會(huì)使鋼筋韌性下降,但冷卻水壓的大小對(duì)低溫韌性和韌脆轉(zhuǎn)變溫度的影響并無(wú)明顯規(guī)律,對(duì)于碳含量較高的鋼筋,較高的冷卻速度其沖擊韌性也較高;碳含量較低的鋼筋,冷卻速度低時(shí)在絕大多數(shù)的溫度區(qū)間都擁有較高的韌性,冷卻速度較高時(shí)只是在0℃附近的韌性比冷速低的鋼筋高。取31號(hào)鋼筋韌性最低時(shí)(-40℃時(shí))的沖擊斷口進(jìn)行掃面斷口分析。分析區(qū)域?yàn)閳D6中的1、2、3、4區(qū),可以清楚的觀察到韌性斷口形貌和脆性斷口形貌的轉(zhuǎn)變,如圖7所示。通過(guò)圖7可以觀察到,在靠近缺口的區(qū)域1,斷口形貌為明顯的韌窩狀韌性斷口;在放射區(qū)中心區(qū)域2為代表脆性斷裂的解理斷裂;遠(yuǎn)離缺口的區(qū)域3為脆性與韌性斷口并存的斷口形貌;剪切唇中央?yún)^(qū)域4為韌窩狀斷口?？梢?jiàn)試樣總體上應(yīng)屬于韌性斷裂,這與沖擊試驗(yàn)結(jié)果相一致。2.3鋼筋抗震性能分析地震是交變載荷,有資料稱,地震可作為高應(yīng)變低周疲勞處理。為了測(cè)定水鋼HRB400鋼筋的抗震性能和控冷工藝對(duì)鋼筋抗震性能的影響,對(duì)3字頭鋼筋的高應(yīng)變低周疲勞性能進(jìn)行了測(cè)試。在交變載荷作用時(shí),每個(gè)應(yīng)變值都會(huì)有一個(gè)應(yīng)力值與之對(duì)應(yīng),通常在一定周次后,連接各應(yīng)力,應(yīng)變點(diǎn)可形成一個(gè)封閉的曲線,稱為應(yīng)力-應(yīng)變滯回曲線。按照吸能的觀點(diǎn),該環(huán)的面積越大,則表示鋼筋在受到循環(huán)載荷的時(shí)吸收的能量越多,從而反映了材料抵抗地震的能力。為了計(jì)算方便,試驗(yàn)通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)Coffin-Manson公式及Hollomon公式擬和,計(jì)算出循環(huán)穩(wěn)定后(本試驗(yàn)取100周時(shí))總應(yīng)變(Δεt)與應(yīng)力幅值(σa)。并把它們的乘積用以近似表示滯回曲線所包圍區(qū)域的面積。高應(yīng)變低周疲勞壽命如表4所示:Hollomon公式用來(lái)描述應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。公式如(1)和(2)所示σa=kεna,(1)σa=hεmpa。(2)σa=kεna,(1)σa=hεmpa。(2)公式(1)和(2)中σa表示應(yīng)力幅值,εa表示應(yīng)變幅,εpa表示塑性應(yīng)變幅,k、h、m、n為材料參數(shù)。對(duì)此公式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下線性擬和結(jié)果如表5所示:Coffin-Mason公式用以描述疲勞壽命與總應(yīng)變的關(guān)系。其公式如(3)所示:Δεt=B(2Νf)-b+C(2Νf)-c。(3)Δεt=B(2Nf)?b+C(2Nf)?c。(3)公式(3)中,Δεt表示總應(yīng)變,Nf表示循環(huán)周數(shù),B、b、C、c分別為疲勞強(qiáng)度系數(shù)、疲勞強(qiáng)度指數(shù)、疲勞塑性系數(shù)和疲勞塑性指數(shù),它們都為材料參數(shù)。對(duì)其進(jìn)行雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)軸下線性擬和,結(jié)果如表6所示:將Nf=100周代入表6中的Coffin-Manson公式,得到疲勞圈數(shù)為100周時(shí)所對(duì)應(yīng)的總應(yīng)變?chǔ)う舤,由此得到總應(yīng)變幅εa=Δεt/2,將εa值代入表5中的循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,即可求出相對(duì)應(yīng)的σa值。由此計(jì)算得到鋼筋抗震性能主要指標(biāo):Δεt·σa,定義該值為循環(huán)韌度,計(jì)算結(jié)果如表7所示。循環(huán)韌度是鋼筋的主要抗震性能指標(biāo),其大小表示鋼筋應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)一周的吸能多少,可用來(lái)評(píng)價(jià)鋼筋抗震性能的好壞。由表7可知,31號(hào)鋼與33號(hào)鋼循環(huán)韌度幾乎相同,由于33號(hào)鋼循環(huán)周數(shù)比31號(hào)鋼略高,可以認(rèn)為33號(hào)鋼的抗震性能比31號(hào)鋼略好,也即是說(shuō),較大的水壓可以略微提高鋼筋的抗震性能,但是效果并不顯著。這是由于水冷細(xì)化了鋼筋表面的晶粒,增大了表面硬度,而疲勞裂紋往往在表面首先形成,這種晶粒的細(xì)化和表面強(qiáng)度的提高有助于阻礙裂紋的形成與擴(kuò)展,從而提高了鋼筋抗震性能。鋼筋在較低冷卻速度下,由于冷速過(guò)低,如圖2所示,鋼筋邊緣部分有較高內(nèi)應(yīng)力,這使得鋼筋邊緣裂紋形成更加容易,從而降低了鋼筋的抗震性能。3軋后水冷對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響軋后冷卻速度過(guò)低會(huì)使得鋼筋的塑性和強(qiáng)度都降低,之后繼續(xù)增大冷卻水壓強(qiáng)度略微提高性,塑性略微降低,同時(shí)使得鋼筋邊緣產(chǎn)生非珠光體組織;軋后水冷會(huì)降低鋼筋的韌性,并略微優(yōu)化鋼筋抗震性能。總之,軋后水冷無(wú)論冷速快慢,上述的冷卻水管控冷工藝都不能明顯改善鋼筋的力學(xué)性能。但軋后水冷反而會(huì)增加生產(chǎn)線長(zhǎng)度,從而降低了生產(chǎn)效率,提高了鋼筋生產(chǎn)成本,并嚴(yán)重增加了廠房噪聲。因此,在沒(méi)有更好控冷設(shè)備前提下,建議在實(shí)際生產(chǎn)中不采用軋后控冷工藝。4冷卻速度對(duì)鋼筋強(qiáng)度和韌性的影響1)生產(chǎn)的31號(hào)鋼筋可以達(dá)到HRB400Ⅲ級(jí)鋼筋的要求,實(shí)際生產(chǎn)可按照此成分和軋制溫度控制。2)