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      HRB600E高強抗震鋼筋制備工藝及特點分析

      2022-12-18 09:23:15呂昕暉紀興華
      中國金屬通報 2022年9期
      關(guān)鍵詞:合金化氮化高強

      呂昕暉,紀興華

      1 HRB600E高強抗震鋼筋特點和優(yōu)勢

      我國是一個地震頻發(fā)的國家,地震對我國人民的生命和財產(chǎn)造成了巨大的損失。據(jù)統(tǒng)計,自20世紀以來,我國發(fā)生6級以上的破壞性大地震的次數(shù)有800余次。死于這些地震的人數(shù)高達55萬之多,占全球地震死亡人數(shù)的一半以上。特別是在“汶川”地震后,提升建筑物抗震性能的問題已引起政府和企業(yè)的高度重視,相關(guān)地區(qū)的建筑抗震等級要求不斷提升,國際地震局也要求部分地震帶房屋建筑抗震等級需要達到一定標(biāo)準,針對人員密集場所的建筑,需要根據(jù)高于地方房屋建筑的抗震設(shè)防要求來進行,以此切實提升建筑抗震性能。

      以門型側(cè)向抗震支吊架結(jié)構(gòu)為例來說,抗震連接構(gòu)件主要是以高強抗震鋼筋為主,這些連接構(gòu)件在整個建筑抗震中具有重要的作用,其性能和質(zhì)量也關(guān)系整個抗震結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和質(zhì)量。600MPa帶肋高強鋼筋是新一代建筑用鋼,與HRB400鋼筋相比,具有強度高,延伸性好,抗震性優(yōu),安全儲備大,混凝土振搗易,防腐性能更佳,綜合成本低,施工簡便等優(yōu)點;高強鋼筋是引領(lǐng)鋼鐵與建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級具有革命性的新材料,代表未來建筑用鋼的方向。鋼筋強度從335MPa的II級上升到400MPa的III級,這樣可以有效節(jié)約15%左右的鋼材原料。要是將400MPa等級的鋼筋強度提升到500MPa等級,這樣還能在此基礎(chǔ)上節(jié)約10%左右的鋼材原料。據(jù)測算,如今鋼鐵行業(yè)的二氧化碳排放量占全球的7%,在過去十年中,每生產(chǎn)一噸鋼,就會排放1.83噸二氧化碳以及大量的二氧化硫、粉塵、等其它污染物。提升鋼筋的性能水平,節(jié)約鋼材料,推廣高強鋼筋已是大勢所趨,因此高強鋼筋的制備是經(jīng)濟節(jié)約與綠色制造的需求。

      我國建筑主要部位的抗震等級要求顯示,大部分建筑的重要部位都要求抗震等級達到一級,這是高標(biāo)準的抗震要求。我國建筑事業(yè)發(fā)展規(guī)模較大,每年需要大量的鋼筋產(chǎn)品,年鋼筋消耗量接近一億噸,若能提升鋼筋強度等級,則至少可節(jié)約鋼筋原材料1000萬噸,這種節(jié)約帶來的社會效益、經(jīng)濟效益以及環(huán)境效益等都是巨大的,同時也是國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。鋼筋牌號后加E,表示較高要求的抗震鋼筋,從性能來看,HRB600E高強抗震鋼筋具有很好的市場應(yīng)用前景,在進行研制中,其所能帶來的社會效益也是顯著的。

      2 HRB600E高強抗震鋼筋化學(xué)成分和力學(xué)性能要求

      HRB600E高強抗震鋼筋的化學(xué)成分中,C含量要求不大于0.28%,Si含量不大于0.8%,Mn含量不大于1.6%,P、S含量不大于0.035%,根據(jù)需要,鋼中還可單獨或復(fù)合添加不同含量的V、Ti、Nb等元素。此外,鋼筋要求碳當(dāng)量不超過0.58,所謂碳當(dāng)量是指把鋼中合金元素(包括碳)的含量按其作用換算成碳的相對含量,作為一種參考指標(biāo)來評定鋼筋的焊接性能。鋼的化學(xué)成分允許偏差應(yīng)符合GB/T222《鋼的化學(xué)成分允許偏差》的規(guī)定,碳當(dāng)量的允許偏差為+0.03%。

      就力學(xué)性能而言,HRB600E的Rel(抗拉強度)不應(yīng)小于600MPA,Rm(屈服強度)不應(yīng)小于750MPA。非抗震鋼筋伸長率類型可從A和Agt中選定,但仲裁檢驗時應(yīng)采用Agt,抗震鋼筋的伸長率類型為A和Agt。HRB600E的斷后延長率(A) 不小于15%,Agt(最大力總伸長率)不小于9%.

      在抗震鋼筋的原牌號后面加上E,相應(yīng)的力學(xué)要求也會提升,主要應(yīng)該達到以下幾點要求:

      第一,實測鋼筋抗拉強度和實測屈服強度的比應(yīng)該大于等于1.25;

      第二,實測鋼筋屈服強度和屈服強度特征比應(yīng)該小于等于1.30;

      第三,鋼筋的最大力總伸長率應(yīng)該大于等于9%。

      第四,抗震鋼筋應(yīng)進行反向彎曲試驗,反向彎曲試驗的彎芯直徑比彎曲試驗相應(yīng)增加一個鋼筋直徑,先正向彎曲90。,再反向彎曲20。。經(jīng)反彎試驗后,鋼筋受彎曲部位表面不得產(chǎn)生裂紋??捎梅磸澰囼灤鎻澢囼?。

      3 HRB600E高強抗震鋼筋生產(chǎn)方案設(shè)計

      結(jié)合GB1499.2-2018的標(biāo)準要求,鋼筋應(yīng)以熱軋狀態(tài)交貨,確定了相應(yīng)余熱處理鋼筋不在標(biāo)準使用范圍內(nèi),且要確保鋼筋金相組織以鐵素體和珠光體為主。所以,相關(guān)鋼鐵廠可以結(jié)合自身的鈦資源優(yōu)勢,使用鈦鐵合金化、氮化釩鐵合金化以及氮化釩鐵+釩鐵復(fù)合合金化技術(shù),按照標(biāo)準要求來提升HRB600E高強抗震鋼筋的抗震強度。

      3.1 鋼筋強屈比影響因素

      在鋼筋強屈比影響因素中,碳、硅、錳這三類元素是最主要的,其中,碳元素對于鋼筋的強度和強屈比的影響最為明顯;硅元素能夠有效提升鋼筋強屈比,但是對于鋼筋強度的提升作用沒有錳元素好。在相應(yīng)成分設(shè)計中,需要綜合把握相關(guān)強度和塑性、焊接性能指標(biāo),從而科學(xué)確定相應(yīng)元素的含量。

      其次,釩微合金化方式也會影響鋼筋的強屈比。通過對于不同釩微合金化方式對鋼筋強屈比以及抗拉強度、屈服強度等的回歸分析,對比相關(guān)回歸數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)氮化釩鐵、氮化釩以及釩鐵都會影響鋼筋的強屈比、抗拉強度以及屈服強度回歸結(jié)果。在鋼材中釩含量確定的情況下,釩鐵合金化對于鋼材的強屈比降低效果最不明顯。在鋼材中的氮含量不斷升高時,釩析出強化以及細晶強化的作用越來越突出,這對于降低強屈比作用也會越來越明顯。在鋼材中,釩的沉淀強化效果與析出相的數(shù)量、質(zhì)點數(shù)量多少、彌散度等密切相關(guān),一般質(zhì)點越多,彌散越小,相應(yīng)的沉淀強度就會越大。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),鋼材中釩的比例越高,沉淀度就越好。例如,某鋼材廠中鋼水中的原始氮含量越高,這時候加入氮化釩或者是氮化釩鐵帶入的氮元素,這樣釩和氮的比例都超過理想值。簡單來看,鋼水不管是氮化釩還是氮化釩鐵合金化,釩在鋼材中的沉淀強化作用都會達到最大化,氮化釩鐵中多余的氮對于細晶強化有很好的促進效果。

      結(jié)合相應(yīng)的回歸統(tǒng)計數(shù)據(jù),以及相關(guān)鋼鐵廠中鐵水中還有釩的特征,在生產(chǎn)HRB600E高強抗震鋼筋中采用釩微合金化方式。針對小規(guī)格鋼筋,可以通過氮化釩鐵合金化方式,而對于大規(guī)格的鋼筋制造,可以使用氮化釩鐵+釩鐵復(fù)合合金化方式。

      3.2 HRB600E高強抗震鋼筋制備工藝

      3.2.1 工藝路線

      HRB600E高強抗震鋼筋重要的工藝步驟如下:

      高爐鐵水——轉(zhuǎn)爐冶煉——脫氧合金化——LF爐精煉——方坯連鑄——加熱——棒線材機組壓制——冷卻——收集——產(chǎn)品檢驗——包裝——入庫。

      3.2.2 工藝控制

      要確保 HRB600E高強抗震鋼筋的屈服強度控制效果,確保其強度能夠達到相應(yīng)抗震標(biāo)準,同時,確保鋼筋強度和塑性匹配度最理想,所以,必須要對加工中的C/Mn/V元素含量進行嚴格控制。針對C/Mn一般根據(jù)中線控制,按照不同軋制規(guī)格來對于V的加入方式進行調(diào)整。

      其次,是做好冶煉環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。要確保HRB600E高強抗震鋼筋的鋼坯質(zhì)量,有效降低鋼水氧化鋅,需要對于冶煉重點中的C含量進行準確把控,要確保鋼中夾雜物能夠充分上浮,還要確保吹氬時間足夠,與此同時,進行連鑄到時候,要實施全過程保護澆注,確保鋼坯拉速的穩(wěn)定性和可靠性。

      LF 爐精煉過程主要是對鋼水進行去除雜質(zhì)、脫氧以及脫硫等,對其化學(xué)成分、溫度進行微調(diào)或調(diào)整,以保證鋼水質(zhì)量,全力保障為連鑄過程穩(wěn)定澆注。由于高強鋼筋對 P、S 含量要求不是很高,若使用低硫鐵水制備鋼筋,則無需經(jīng) LF 爐精煉,這樣便可縮短制備工藝流程,大幅度提高制備效率,但需要注意的是,不經(jīng) LF 爐精煉的鋼筋,其化學(xué)成分波動較大,這樣將影響鋼筋質(zhì)量穩(wěn)定性。經(jīng) LF 爐精煉工藝,不僅可解決高硫鐵水導(dǎo)致的轉(zhuǎn)爐脫硫困難問題,同時可對鋼筋化學(xué)成分進行微調(diào),使得鋼筋化學(xué)成分和質(zhì)量穩(wěn)定性提高。

      連鑄過程主要是對中包溫度、拉速、二次冷卻強度等進行控制,從而進一步保證鑄坯質(zhì)量,澆注出符合棒材軋制的坯料,為棒材鑄坯軋制做好準備。澆注前期,中間包和浸入式水口應(yīng)烘烤至紅熱狀態(tài),中間包內(nèi)需保持潔凈無雜物,防止鋼水污染和粘結(jié);連鑄過程采用全程保護澆注,即鋼包到中間包使用保護套管保護澆注,中間包鋼水液面覆蓋中包覆蓋劑,中包到結(jié)晶器使用浸入式水口保護澆注,結(jié)晶器鋼水液面添加低合金鋼結(jié)晶器保護渣,從而對鋼水進行保溫和防止鋼水二次氧化。

      軋制對于HRB600E高強抗震鋼筋的抗震強度也有重要影響,在軋制中,需要進行合理的加熱制度制定,結(jié)合不同生產(chǎn)線和不同軋制規(guī)格來對于鋼坯出爐溫度進行控制,保證終軋的溫度穩(wěn)定,防止出現(xiàn)鋼筋組織粗大或者是組織不均勻的情況,避免這些問題導(dǎo)致HRB600E高強抗震鋼筋性能下降。針對盤條鋼筋的制備,需要對于控軋控冷參數(shù)執(zhí)行嚴格控制,按照盤條鋼筋的實際生產(chǎn)特性,制定吐絲溫度和散冷線參數(shù),對于相應(yīng)風(fēng)機開啟臺數(shù)、風(fēng)量等進行調(diào)節(jié),真正保證盤條鋼筋能夠均勻冷卻,提升鋼筋的通條性能。此外,針對大規(guī)格鋼筋的外形設(shè)計和改進中,要確保冷彎性達到要求。

      為確定 HRB600E 高強抗震鋼筋生產(chǎn)工藝,應(yīng)從HRB600E高強抗震鋼筋拉伸及彎曲性能、組織、焊接性能及疲勞性能等方面做好檢驗和分析,對制備工藝進行優(yōu)化,最終達到批量穩(wěn)定生產(chǎn)的目的。

      4 HRB600E高強抗震鋼筋制備質(zhì)量提升對策

      4.1 注重技術(shù)研發(fā),提升生產(chǎn)制備質(zhì)量

      傳統(tǒng)的鋼筋連接方式通常采用手工電弧焊、電阻對焊等工藝技術(shù),由于受操作人員技術(shù)水平的影響,往往焊接質(zhì)量不穩(wěn)定,焊接接頭受熱后容易發(fā)生脆性斷裂,接頭延性難以滿足使用要求,特別是十字形連接和T字形連接,傳統(tǒng)焊等工藝技術(shù)難以實現(xiàn)等強連接。這樣引發(fā)的后果是,一旦發(fā)生地震、樓房垮塌等事故,混凝土先發(fā)生松散,導(dǎo)致鋼筋散開,如果此時箍筋箍得不緊,將加速樓房的垮塌速度和受損程度,增加危險系數(shù)。要促進高強抗震鋼筋的性能不斷提升,優(yōu)化高強鋼筋的抗震性能,提升抗震等級等,必須要加強新技術(shù)研發(fā),在高強鋼筋生產(chǎn)中,不斷加快技術(shù)研發(fā)步伐,加速新專利技術(shù)在高強抗震鋼筋制備中的應(yīng)用,提升生產(chǎn)效益。目前,高強抗震鋼筋的技術(shù)研發(fā)工作還在進一步開展中,例如,新型的焊接箍筋是經(jīng)專用焊接設(shè)備進行等強焊接,由此可節(jié)約復(fù)合箍筋的彎鉤和重復(fù)段材料,使箍筋的整體性和現(xiàn)場使用的便捷性更好,增強穩(wěn)定性和抗壓性,有效提高結(jié)構(gòu)工程的質(zhì)量。針對云南地震多發(fā)的實際和建設(shè)節(jié)約型社會的舉措,2008年武鋼集團昆明鋼鐵股份有限公司開始研發(fā)500兆帕高強度抗震鋼筋,目前該產(chǎn)品生產(chǎn)及推廣應(yīng)用技術(shù)處于全國領(lǐng)先水平,項目研究成果獲2011年云南省科技進步一等獎。昆鋼先后開展了500兆帕高強度鋼筋強化機理研究、產(chǎn)業(yè)化集成技術(shù)開發(fā)、施工技術(shù)規(guī)范編制等一系列工作,多項技術(shù)達國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平,形成了多項自主知識產(chǎn)權(quán),申請專利24項,授權(quán)14項。項目還在國內(nèi)首次主導(dǎo)編制出建筑工程應(yīng)用500兆帕鋼筋地方標(biāo)準,為國內(nèi)全面推廣運用高強度鋼筋提供了很好的技術(shù)平臺。可見,通過技術(shù)研發(fā),能夠有效提升鋼筋抗震性能,這對于優(yōu)化鋼筋生產(chǎn)制備過程也有重要價值。

      在進行高強抗震鋼筋的技術(shù)研發(fā)中,圍繞最新技術(shù)和HRB600E高強抗震鋼筋的優(yōu)缺點,結(jié)合《HRB600E鋼筋應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中的一些重要條文進行了解讀。這條技術(shù)規(guī)程是由張維匯專家主編,從鋼筋的術(shù)語符號、適用范圍、設(shè)計、材料選擇、構(gòu)造規(guī)定、質(zhì)量驗收、加工安裝等多個方面對HRB600E進行全面了解。通過對條文的解讀,讓相關(guān)參與人員對這種綠色鋼筋的認識更加透徹,為以后的使用打下基礎(chǔ)。通過有效把握HRB600E高強鋼筋的技術(shù)指標(biāo)、經(jīng)濟性及社會效益等優(yōu)勢分析、HRB600E高強鋼筋的主要設(shè)計使用范圍及注意事項等。對于這樣一種新型鋼筋,鋼筋抗震性能好、市場前景大,以后設(shè)計和采購的企業(yè)會越來越多,所以相關(guān)技術(shù)研發(fā)的效益也是可觀的。

      4.2 強化生產(chǎn)人員技術(shù)培訓(xùn),提升育人實效

      在鋼筋的制備過程中,相關(guān)材料的使用、檢修、更換等工作都需要相關(guān)工作人員來執(zhí)行,確保相關(guān)高強抗震鋼筋制備生產(chǎn)能夠正常運作,而相關(guān)工作人員自身的技術(shù)水平和能力對HRB600E高強抗震鋼筋的生產(chǎn)加工工藝質(zhì)量也會產(chǎn)生較大影響。為提升HRB600E高強抗震鋼筋制造技術(shù)水平,更好地適應(yīng)國家抗震建筑發(fā)展需求,提高行業(yè)整體專業(yè)知識水平,探索專業(yè)技術(shù)協(xié)會、制造企業(yè)與高校合作開展專業(yè)人才培養(yǎng)新路,提升HRB600E高強鋼筋制備和生產(chǎn)領(lǐng)域相關(guān)人才的綜合能力和水平,必須要強化對相關(guān)工作人員的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)工作,結(jié)合日常實際工作,著重講解HRB600E高強鋼筋的性能和在工作中的實際應(yīng)用,并普及員工未曾接觸到的高強抗震鋼筋型號、制備工藝和生產(chǎn)技術(shù)技巧等相關(guān)內(nèi)容。圍繞加工HRB600E高強鋼筋的標(biāo)準規(guī)范,重點學(xué)習(xí)如何對HRB600E高強抗震鋼筋進行冶煉和鍛造,將理論學(xué)習(xí)和實操訓(xùn)練充分結(jié)合。從點入手,由點及面,致力于率先培養(yǎng)出一批多工種技能人才,逐步加強車間全體員工對機床加工知識的學(xué)習(xí)和掌握,不斷打造更多、更強的多工種技能人才,為公司改革發(fā)展提供重要的人才保障。

      通過專題培訓(xùn),能夠讓相關(guān)員工精準把握HRB600E高強抗震鋼筋的使用和性能,做好相應(yīng)HRB600E高強鋼筋的制備流程和工藝管理,確保HRB600E高強鋼筋制備過程合理,延長HRB600E高強鋼筋使用壽命,同時也能有效地提升公司青工業(yè)務(wù)知識,激發(fā)公司員工的工作熱情和積極性,對公司機加工車間打造“學(xué)習(xí)型、專業(yè)型、效率型”團隊具有十分積極重要的意義。通過不斷強化HRB600E高強鋼筋的制備人員技術(shù)水平,提升HRB600E高強鋼筋的整體生產(chǎn)技術(shù)和水平,為提升其在抗震建筑中的應(yīng)用效果打好基礎(chǔ)。

      5 總結(jié)

      HRB600E高強抗震鋼筋具有多重性能優(yōu)勢,HRB600E高強抗震鋼筋的有效制備、使用及推廣對提升建筑抗震性能具有重要作用,且通過提升鋼筋的抗震強度,可有效節(jié)約鋼材,這是經(jīng)濟節(jié)約與綠色制造的需要,同時對可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施意義重大。本文通過對HRB600E高強抗震鋼筋的特點以及相關(guān)性能進行分析,研究了HRB600E高強抗震鋼筋的制備工藝和質(zhì)量提升關(guān)鍵,為HRB600E高強抗震鋼筋的有效制備提供了一些思路。

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