HRB600E高強抗震鋼筋試制開發(fā)

喬國平，張崇民，靳剛強，褚文龍，翁玉娟，韓春良

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

目前，世界主要工業(yè)國家已將高強度鋼筋作為主要建筑用鋼，正在逐漸淘汰強度<400 MPa級的鋼筋。如歐洲發(fā)達國家的建筑鋼筋已經(jīng)升級到500 MPa級為主，日本也已開發(fā)出屈服強度>685 MPa的超高強度抗震鋼筋，并在高層建筑建造中得到應用[1-2]。隨著我國城鎮(zhèn)化、高鐵和建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，對建筑用熱軋帶肋鋼筋的性能要求也越來越高；同時在“十二五”發(fā)展規(guī)劃中已明確提出要“適應減量化用鋼趨勢，升級熱軋螺紋鋼標準，重點發(fā)展400 MPa及以上高強度螺紋鋼筋、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級高強鋼筋。600 MPa級鋼筋具有強度高、安全等級儲備量大和節(jié)省鋼材使用量等優(yōu)點，因此，具備抗震性能的HRB600E級鋼筋已成為建筑用鋼筋發(fā)展的必然趨勢。

為適應建筑鋼筋升級換代的需求，提高河鋼集團承鋼公司建筑用鋼市場競爭力，結合GB 1499.2—2018送審稿和本公司現(xiàn)有設備和工藝技術，在HRB500E基礎上，對600 MPa級高強抗震熱軋帶肋鋼筋(又稱HRB600E高強抗震鋼筋)進行了試制開發(fā)，并采用拉伸試驗機、金相顯微鏡等設備對鋼筋力學性能、顯微組織等進行了檢驗分析。

1 化學成分及工藝設計

1.1 化學成分

根據(jù)相關研究資料[4-6]，參考GB 1499.2—2018中HRB600化學成分控制要求，在本公司現(xiàn)有工藝技術及HRB500E基礎上，制定出釩/氮和鈮復合微合金化工藝試制HRB600E高強抗震鋼筋的化學成分控制要求(見表1)。鋼中采用釩氮合金進行釩微合金化，采用鈮鐵進行鈮微合金化。

表1 HRB600E鋼筋化學成分控制要求(質量分數(shù)) (%)

1.2 力學性能

表2 HRB600E鋼筋力學性能控制要求

1.3 工藝流程

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

2 過程工藝控制

2.1 煉鋼工藝

2.1.1 轉爐冶煉控制

使用含釩鐵水或半鋼、廢鋼在100 t氧氣轉爐中進行頂?shù)讖秃洗禑?，終點控制要求質量分數(shù)為：w(C)≥0.06%，w(P)≤0.020%，出鋼溫度為1 650～1 670 ℃。出鋼過程使用硅鋁鋇復合脫氧劑、硅鐵、硅錳合金、釩氮合金和鈮鐵進行脫氧合金化，全程使用底吹氬工藝，促進鋼水成分、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

精煉過程進行成分微調(diào)，對鋼水溫度進行控制，精煉終點鋼水成分達到成分目標控制要求，溫度控制在1 570～1 585 ℃，以保證鋼水連鑄穩(wěn)定性。精煉結束保證鋼包軟吹氬8 min以上，促進鋼中夾雜物上浮排除。

2.1.3 連鑄澆注控制

澆鑄在8機8流連鑄機上進行，鋼坯斷面為165 mm×165 mm小方坯，全程保護澆鑄。針對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)部質量問題，結合本公司實際控制情況及相關研究[7-8]，連鑄過程結晶器保護渣使用低合金鋼專用保護渣，二冷采用低合金配水模式，中包過熱度≤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合，不僅能夠增加細晶強化效果，同時鈮、釩的析出也能顯著改善鋼的力學性能[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，擴大了高溫析出的溫度區(qū)域，并且在溫降過程中其析出量也顯著增多[11]。為了保證鈮、釩細晶強化和析出強化效果、提高HRB600E高強抗震鋼筋抗震性能，軋制過程采用側進側出雙蓄熱步進梁式加熱爐進行加熱，出爐溫度為1 050～1 100 ℃，采用18機架全連續(xù)棒材軋機軋制，開軋溫度為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 檢驗結果及分析

3.1 力學性能

鈮釩復合微合金化工藝試制的HRB600E高強抗震鋼筋力學性能檢驗結果見表3。

表3 HRB600E鋼筋力學性能

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

3.2 時效性能

對部分HRB60E高強抗震鋼筋分別進行3、7和15 d自然時效力學性能檢驗，檢驗結果見表4。

表4 HRB600E鋼筋時效力學性能

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

3.3 金相組織及夾雜物

利用光學顯微鏡對HRB600E高強抗震鋼筋進行金相組織(見圖1)及夾雜物(見圖2)檢驗，其鋼的組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分數(shù)≥45%，晶粒度≥10級，晶粒均勻。夾雜物主要為A、C和D類夾雜物，均<1.5級，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鋼筋夾雜物

3.4 焊接性能

對試制HRB600E高強抗震鋼筋進行閃光焊和幫條焊試驗。對其鋼筋焊接性能進行檢驗，其拉伸斷裂情況如圖3所示。對其焊接試樣力學性能檢驗結果進行統(tǒng)計，其力學性能情況如圖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，鋼筋斷后伸長率良好，為延性斷裂。由圖4力學性能統(tǒng)計可知，2種焊接方式鋼筋抗拉強度均>803 MPa，即標準抗拉強度的1.1倍，焊接鋼筋力學性能良好。因此，按照JGJ 18—2012《鋼筋焊接及檢驗規(guī)程》要求，該結果說明試制HRB600E高強抗震鋼筋具有良好的焊接性能。

3.5 疲勞性能

經(jīng)國家建筑鋼材質量監(jiān)督檢驗中心檢驗，25 mm規(guī)格HRB600E抗震鋼筋疲勞性能檢驗結果見表5。由表5可知，25 mm規(guī)格HRB600E抗震鋼筋在最大、最小力下500萬次疲勞性能檢驗未發(fā)生斷裂，HRB600E抗震鋼筋疲勞性能達到控制要求。

表5 HRB600E鋼筋疲勞性能

4 結語

通過鈮釩復合微合金化工藝，成功試制了HRB600E高強抗震鋼筋，同時，通過各項檢驗分析，得出如下結論。

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

2)采用鈮釩復合微合金化工藝試制的HRB600E高強抗震鋼筋內(nèi)部顯微組織均為鐵素體和珠光體，珠光體體積分數(shù)≥45%，晶粒度≥10級，晶粒均勻，夾雜物主要為A、C和D類夾雜物，均<1.5級，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)部質量良好。

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

4)采用鈮釩復合微合金化工藝試制的HRB600E高強抗震鋼筋，通過了500萬次疲勞性能試驗，未發(fā)生疲勞破壞，具有較好的疲勞性能。