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HRB400钢筋的合金设计及微合金化

2009-12-22 00:00    来源:
HRB400钢筋的合金设计及微合金化
 
许宏安1, 2,杜忠泽1,孙颖2,樊建峰2
(1. 西安建筑科技大学,陕西西安 710055,
2. 陕西龙门钢铁集团, 陕西 西安 710021)
 
摘  要: 通过我国钢筋标准的演变,进一步分析了20MnSi钢筋合金设计的不足,讨论了HRB400钢筋的合金设计及微合金化的机理及特点,提出技术上比较先进、经济上比较合理的钢筋生产新工艺,即微合金化加温度控制(含轧后温度控制)。
关键词: HRB400钢筋、合金设计、微合金化
 
1 我国钢筋标准的演变[1] [2] [3]
我国热轧带肋标准从1952年颁布执行,经历了9次修订,钢铁工业刚起步时,于1952年颁发的标准没有编号,1955年采用苏联标准制定了《钢筋混凝土结构用热轧螺纹钢筋》(重Ⅲ-55)沿用A3钢,品种单一,无等级, YB 171-63引入16Mn钢筋,至YB 171—69,标准中包含了7 个钢筋的牌号:3 号钢、16Mn , 25MnSi , 44Mn2Si , 45Si2 Ti , 40Si2V , 45MnSiV 。在YB171 -69 标准中,16Mn 采用了原来德国st52 的成分,C :0.15 %~0.20 % ,Si ≤0.60 % 。但由于我国资源特点和冶炼工艺与国外的差别, 如国外大多用电炉冶炼,在废钢中其它合金元素含量较高,还有我国矿石品位较低,共生矿较少,造成在实际生产中,强度偏低,不合格率较高。为此,冶金部组织了专题科研攻关小组。科研实践表明,原来从国外移植的牌号,在国内嫁接过程中,即采用我国的原料和工艺生产,成分和强度就不能很好的匹配。根据科研攻关的试验结果, 在1969 年修订标准时将碳从0.12 %~0.20 %, 提高到了0.12 %~0.24 %, 硅从≤0.60 % 提高到了≤0.70 % 。但牌号的命名没有变,仍叫16Mn 。16Mn 的成分调整后,对提高钢筋强度的合格率起了很大的作用。形成了由屈服强度235MPa的Ⅰ级钢筋至屈服强度590MPa的Ⅳ级钢筋,还包括屈服强度1420MPa的预应力混凝土用热处理钢筋的系列。16Mn钢筋由于强度不足,后调整为20MnSi钢。GB 1499-91将20MnSiV、20MnSiTi纳入了标准,将Ⅲ级带肋钢筋的屈服强度由370MPa.调至400MPa。
20世纪60年代末至70年代初,是我国钢筋新品种开发的高峰期,除si—Mn外,研制了si—V、si—Ti、si—Nb、Mn—si—V、Mn—si—Nb等五个钢种系列近20个牌号,具有中国特色的是对硅元素的情有独钟,微合金化元素开始应用于钢筋生产。在以后的三十多年的一段时期内,20MnSi钢筋几乎一统天下,固步不前。
随着贸易全球化,参照国际标准,钢筋生产开始导入微合金化技术,并试生产调质型钢筋和轧后余热处理钢筋,GB 1499-1998基本上与国际相接轨。但之后的若干年内生产与应用335MPaⅡ级钢筋的比例一直较大,400MPaⅢ级钢筋的比例较小。在将400MPaⅢ级钢筋纳人国家标准《混凝土结构设计规范》,并编制相应的设计手册后,我国钢筋生产的更新换代跨出了极其重要的一步,以不同工艺生产(表1),年增长率达85%。今年国家发布实施了GB 1499.2-2007标准,GB 1499.2-2007已与国际相接轨,并有许多独到之处,将钢筋分了普通热轧即HRB400、抗震钢筋即HRB400E、细晶粒钢筋HRBF400。对热轧普通钢筋(含HRB400)、细晶粒钢筋HRBF400进行了规定:其金相组织主要是铁素体加珠光体,不得有影响使用性能的其他组织存在。取消了参考成分,对C、Si、Mn、P、S、Ceq只规定了上限,微合金为规定:根据需要,钢种还可以加入V、Nb、Ti等元素。为HRB400钢筋的合金设计及微合金化提供了更大的空间。
表1 400MPa热轧钢筋不同生产工艺情况
工艺方法
┃牌号
使用情况
微合金化
20MniV
多数企业已在生产,产品已得到市场认可
微合金化
20MnSiV(N)
多数企业已在生产,产品已得到市场认可
微合金化
20MnSiNb
目前有少数钢厂生产,产品已基本得到市场认可
微合金化 
20MnSiTi
目前仅有少数钢厂生产
余热处理
20MnSi
许多企业可以生产并出口,因产生马氏体,国内市场不认可 
微合金化加温度控制
20MnSiV
20MnSiNb
国际上比较先进,目前国内有少数钢厂生产,经高效冷却,限制晶粒的长大,但不产生马氏体,国内市场已认可
超细晶粒碳素钢轧制
Q235
目前尚在进一步试验中
2  HRB400钢筋的合金设计及微合金化[2] [3]
2.1  20MnSi钢筋合金设计的不足
20MnSi钢筋的化学成分规范见表2
微合金化Ⅲ级钢筋源自20MnSi钢,但20MnSi钢筋的合金设计有许多不足之处。
首先是碳,碳是仅次于铁的主要元素,它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。
表2   20MnSi钢筋的化学成分规范                      %
C
Si 
Mn
P  
S
O.17~0.25
0.4~O.8
1.2~1.6
≤0.045
≤0.045
碳含量增加,钢的强度提高,而塑性、韧性和疲劳强度下降,同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。碳含量较高,对加工性和焊接性有不利的影响,现代合金设计已摒弃增碳作为高强度的主要手段。例如一直无法推广的25MnSi,就是例证。
第二是硅,硅在钢中不形成碳化物,而以固溶体的形式存在于奥氏体或铁素体中,它的主要作用如下:
(1)固溶强化,由0.25%增至0.8%使抗拉强度的增量达到25MPa;(2)促进铁素体的粗化;(3)促进柱状晶发展;(4)冷作硬化倾向;(5)降低焊接性。
硅在钢中一定程度上降低钢的塑性、韧性,并使钢的焊接性能恶化。对于普碳钢A3,硅含量在钢强化上收益不多,故将它限制在保证脱氧需要的范围。
第三是锰,锰在钢中的作用是提高钢的强度,并不同程度的降低钢的塑性。锰阻止FeS的形成而生成MnS,改善了钢的加工性能。对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。Mn能改善铁水流动性,对转炉炼钢带来了很大的好处。
锰与碳的结合力略强于铁,一部分形成(Fe,Mn)3C,存在于珠光体内,更主要的是进入固溶体,起固溶强化作用,每增加0.01%锰大致产生lMPa的强度增量。类似于硅的作用,在高温下促进晶粒的粗化,抑制铁素体形成而促进中温转变。
所以,20MnSi的成分并不合理,以其为基础生产Ⅲ级钢筋并不理想,应当改变观念,将碳、硅、锰含量往下限调,加人微合金化元素并适当的控制轧制过程即轧后的温度,以晶粒细化和析出强化机制取代固溶的强化方式。
2.2  铌、钒、钛在钢筋中的作用
微合金化元素主要作用有以下四点:
(1)减少夹杂,改善钢的纯净度,提高钢的延性;(2)利用晶粒细化和析出强化,降低钢的碳当量;(3)通过组织均匀化实现性能的均匀化;(4)获得较低的成本/性能比的新型钢材。
铌、钒、钛对强韧化因素比较见表3。
表3铌和钒、钛钢比较

强韧化因素
Nb
V
Ti 
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