喬國(guó)平，張崇民，靳剛強(qiáng)，褚文龍，翁玉娟，韓春良

(1.遼寧科技大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 鞍山 114051；2.河鋼集團(tuán)承鋼公司，河北 承德 067102)

目前，世界主要工業(yè)國(guó)家已將高強(qiáng)度鋼筋作為主要建筑用鋼，正在逐漸淘汰強(qiáng)度<400 MPa級(jí)的鋼筋。如歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家的建筑鋼筋已經(jīng)升級(jí)到500 MPa級(jí)為主，日本也已開(kāi)發(fā)出屈服強(qiáng)度>685 MPa的超高強(qiáng)度抗震鋼筋，并在高層建筑建造中得到應(yīng)用[1-2]。隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化、高鐵和建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)建筑用熱軋帶肋鋼筋的性能要求也越來(lái)越高；同時(shí)在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中已明確提出要“適應(yīng)減量化用鋼趨勢(shì)，升級(jí)熱軋螺紋鋼標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)發(fā)展400 MPa及以上高強(qiáng)度螺紋鋼筋、抗震鋼筋”[3]。目前，GB 1499.2—2018《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》中增加了600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋。600 MPa級(jí)鋼筋具有強(qiáng)度高、安全等級(jí)儲(chǔ)備量大和節(jié)省鋼材使用量等優(yōu)點(diǎn)，因此，具備抗震性能的HRB600E級(jí)鋼筋已成為建筑用鋼筋發(fā)展的必然趨勢(shì)。

為適應(yīng)建筑鋼筋升級(jí)換代的需求，提高河鋼集團(tuán)承鋼公司建筑用鋼市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，結(jié)合GB 1499.2—2018送審稿和本公司現(xiàn)有設(shè)備和工藝技術(shù)，在HRB500E基礎(chǔ)上，對(duì)600 MPa級(jí)高強(qiáng)抗震熱軋帶肋鋼筋(又稱(chēng)HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋)進(jìn)行了試制開(kāi)發(fā)，并采用拉伸試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡等設(shè)備對(duì)鋼筋力學(xué)性能、顯微組織等進(jìn)行了檢驗(yàn)分析。

1 化學(xué)成分及工藝設(shè)計(jì)

1.1 化學(xué)成分

根據(jù)相關(guān)研究資料[4-6]，參考GB 1499.2—2018中HRB600化學(xué)成分控制要求，在本公司現(xiàn)有工藝技術(shù)及HRB500E基礎(chǔ)上，制定出釩/氮和鈮復(fù)合微合金化工藝試制HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋的化學(xué)成分控制要求(見(jiàn)表1)。鋼中采用釩氮合金進(jìn)行釩微合金化，采用鈮鐵進(jìn)行鈮微合金化。

表1 HRB600E鋼筋化學(xué)成分控制要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)

1.2 力學(xué)性能

表2 HRB600E鋼筋力學(xué)性能控制要求

1.3 工藝流程

HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋生產(chǎn)工藝流程如下：高爐鐵水→100 t轉(zhuǎn)爐提釩(可選)→100 t轉(zhuǎn)爐冶煉→100 t LF精煉→8機(jī)8流方坯保護(hù)澆鑄→鋼坯檢驗(yàn)→鋼坯加熱爐加熱→高壓水除鱗→棒材軋機(jī)軋制→分段剪切→冷床自然冷卻→定尺剪切→檢驗(yàn)→打捆包裝→檢斤→入庫(kù)。

2 過(guò)程工藝控制

2.1 煉鋼工藝

2.1.1 轉(zhuǎn)爐冶煉控制

使用含釩鐵水或半鋼、廢鋼在100 t氧氣轉(zhuǎn)爐中進(jìn)行頂?shù)讖?fù)合吹煉，終點(diǎn)控制要求質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：w(C)≥0.06%，w(P)≤0.020%，出鋼溫度為1 650～1 670 ℃。出鋼過(guò)程使用硅鋁鋇復(fù)合脫氧劑、硅鐵、硅錳合金、釩氮合金和鈮鐵進(jìn)行脫氧合金化，全程使用底吹氬工藝，促進(jìn)鋼水成分、溫度的均勻和非金屬夾雜物的上浮排除，擋渣出鋼，防止大量下渣、鋼水回磷。

2.1.2 LF精煉控制

精煉過(guò)程進(jìn)行成分微調(diào)，對(duì)鋼水溫度進(jìn)行控制，精煉終點(diǎn)鋼水成分達(dá)到成分目標(biāo)控制要求，溫度控制在1 570～1 585 ℃，以保證鋼水連鑄穩(wěn)定性。精煉結(jié)束保證鋼包軟吹氬8 min以上，促進(jìn)鋼中夾雜物上浮排除。

2.1.3 連鑄澆注控制

澆鑄在8機(jī)8流連鑄機(jī)上進(jìn)行，鋼坯斷面為165 mm×165 mm小方坯，全程保護(hù)澆鑄。針對(duì)鈮微合金化鋼連鑄坯裂紋敏感性較高，影響連鑄坯表面及內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題，結(jié)合本公司實(shí)際控制情況及相關(guān)研究[7-8]，連鑄過(guò)程結(jié)晶器保護(hù)渣使用低合金鋼專(zhuān)用保護(hù)渣，二冷采用低合金配水模式，中包過(guò)熱度≤40 ℃，拉速為1.7～2.0 m/min，鑄坯矯直區(qū)溫度>900 ℃。

2.2 軋鋼工藝

適量鈮微合金化與釩微合金化結(jié)合，不僅能夠增加細(xì)晶強(qiáng)化效果，同時(shí)鈮、釩的析出也能顯著改善鋼的力學(xué)性能[9]，但鈮、釩的碳氮化物析出溫度和位置不同，釩的碳氮化物析出溫度為700～900 ℃，主要在奧氏體/鐵素體相變過(guò)程中以及相變后的鐵素體中析出，鈮的碳氮化物析出溫度>950 ℃，主要在奧氏體中析出[10]。鈮的加入提高了其全固溶溫度，擴(kuò)大了高溫析出的溫度區(qū)域，并且在溫降過(guò)程中其析出量也顯著增多[11]。為了保證鈮、釩細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化效果、提高HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋抗震性能，軋制過(guò)程采用側(cè)進(jìn)側(cè)出雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐進(jìn)行加熱，出爐溫度為1 050～1 100 ℃，采用18機(jī)架全連續(xù)棒材軋機(jī)軋制，開(kāi)軋溫度為1 020～1 070 ℃，軋制速度為13～15 m/s，上冷床溫度≥1 020 ℃，冷床空冷至室溫。

3 檢驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 力學(xué)性能

鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 HRB600E鋼筋力學(xué)性能

由表3可知，采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E鋼筋，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到了抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求，且屈服強(qiáng)度具有30 MPa余量，性能波動(dòng)較小，鋼筋強(qiáng)韌性和抗震性良好，綜合性能優(yōu)異。

3.2 時(shí)效性能

對(duì)部分HRB60E高強(qiáng)抗震鋼筋分別進(jìn)行3、7和15 d自然時(shí)效力學(xué)性能檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 HRB600E鋼筋時(shí)效力學(xué)性能

由表4可以看出，其15 d內(nèi)鋼筋力學(xué)性能存在小幅波動(dòng)，但整體性能穩(wěn)定，且符合抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求。

3.3 金相組織及夾雜物

利用光學(xué)顯微鏡對(duì)HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋進(jìn)行金相組織(見(jiàn)圖1)及夾雜物(見(jiàn)圖2)檢驗(yàn)，其鋼的組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分?jǐn)?shù)≥45%，晶粒度≥10級(jí)，晶粒均勻。夾雜物主要為A、C和D類(lèi)夾雜物，均<1.5級(jí)，夾雜物數(shù)量少且尺寸較小，未出現(xiàn)粗系超尺寸夾雜物。

圖1 HRB600E鋼筋金相組織

圖2 HRB600E鋼筋?yuàn)A雜物

3.4 焊接性能

對(duì)試制HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋進(jìn)行閃光焊和幫條焊試驗(yàn)。對(duì)其鋼筋焊接性能進(jìn)行檢驗(yàn)，其拉伸斷裂情況如圖3所示。對(duì)其焊接試樣力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其力學(xué)性能情況如圖4所示。

圖3 HRB600E鋼筋閃光焊和幫條焊拉伸斷裂情況

圖4 HRB600E鋼筋閃光焊和幫條焊力學(xué)性能

由圖3可知，2種焊接情況下，鋼筋拉伸斷裂位置均在母材上，且斷口縮頸顯著，鋼筋斷后伸長(zhǎng)率良好，為延性斷裂。由圖4力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)可知，2種焊接方式鋼筋抗拉強(qiáng)度均>803 MPa，即標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的1.1倍，焊接鋼筋力學(xué)性能良好。因此，按照J(rèn)GJ 18—2012《鋼筋焊接及檢驗(yàn)規(guī)程》要求，該結(jié)果說(shuō)明試制HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋具有良好的焊接性能。

3.5 疲勞性能

經(jīng)國(guó)家建筑鋼材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢驗(yàn)，25 mm規(guī)格HRB600E抗震鋼筋疲勞性能檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知，25 mm規(guī)格HRB600E抗震鋼筋在最大、最小力下500萬(wàn)次疲勞性能檢驗(yàn)未發(fā)生斷裂，HRB600E抗震鋼筋疲勞性能達(dá)到控制要求。

表5 HRB600E鋼筋疲勞性能

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)鈮釩復(fù)合微合金化工藝，成功試制了HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋，同時(shí)，通過(guò)各項(xiàng)檢驗(yàn)分析，得出如下結(jié)論。

1)采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋的力學(xué)性能，及其自然時(shí)效15 d后鋼筋力學(xué)性能，均符合其抗震鋼筋力學(xué)性能控制要求，且屈服強(qiáng)度具有30 MPa余量，鋼筋強(qiáng)韌性和抗震性良好，綜合性能優(yōu)異。

2)采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋內(nèi)部顯微組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分?jǐn)?shù)≥45%，晶粒度≥10級(jí)，晶粒均勻，夾雜物主要為A、C和D類(lèi)夾雜物，均<1.5級(jí)，夾雜物數(shù)量少且尺寸較小，未出現(xiàn)粗系超尺寸夾雜物，鋼筋內(nèi)部質(zhì)量良好。

3)采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋焊接性能符合JGJ 18—2012《鋼筋焊接及檢驗(yàn)規(guī)程》要求，具有良好的焊接性能。

4)采用鈮釩復(fù)合微合金化工藝試制的HRB600E高強(qiáng)抗震鋼筋，通過(guò)了500萬(wàn)次疲勞性能試驗(yàn)，未發(fā)生疲勞破壞，具有較好的疲勞性能。