HRB500钢筋的研制与生产分析 .doc

HRB500钢筋的研制与生产分析 （济南钢铁集团总公司，山东 济南250101） 摘 要为调整小型材产品结构，扩大品种，推进建筑用钢筋的升级换代，满足市场对500MPa钢筋的需求，济钢利用微合金化技术，成功研制开发出HRB500钢筋混凝土用热轧带肋钢筋，实物质量达到了GB14991998的要求。为进一步改善提高钢筋的实物质量，对试验和批量生产的钢筋做了全面分析，提出了生产工艺具体技术要求。 关键词HRB500；热轧带肋钢筋；产品开发；力学性能 1 前 言 目前，世界各国的建筑已向大型化发展，为提高大型建筑物的安全性，国外建筑行业已普遍采用焊接性能好、强度高的钢筋，如西欧、北美主要使用强度较高的400MPa、500MPa级钢筋。1990年以后又开始进一步开发500MPa级钢筋，俄罗斯1993年钢筋产品标准增加了500MPa、600MPa级钢筋，美国1996年钢筋产品标准增加了520MPa级钢筋。为尽快赶上发达国家500MPa级钢筋的生产应用技术，实现我国建筑用钢筋的升级换代，济南钢铁集团总公司（简称济钢）研制成功500MPa钢筋，并形成批量生产能力，满足国内外市场的需求。 2 钢筋的研制 2.1 技术要求 （1）执行标准GB14991998；（2）牌号HRB500；（3）技术要求化学成分见表1，力学性能见表2。 表1 标准及内控化学成分要求 标准 C Si Mn P S Ceq GB1499 ≤0.25 ≤0.80 ≤1.60 ≤0.045 ≤0.045 ≤0.54 内控 0.190.25 0.400.60 1.401.55 ≤0.040 ≤0.045 ≤0.52 表2 力学性能要求 标准 公称直径/m σs/MPa σb/MPa δ5/ 弯心直径 GB1499 625 500 630 12 4a 2850 5a 内控 625 520 640 14 4a 2850 5a 碳当量Ceq（）值可按式（1）计算 CeqCMn/6（CrVMo）/5（CuNi）/15 （1） 2.2 成分设计 2.3.1 常规元素 钢中每增加0.1C，σs、σb可分别提高28MPa和70MPa，但对钢的塑性和焊接性能均不利。因此，要控制钢中的C含量，防止碳当量过高。Mn的加入可提高固溶强化效果，降低相变温度，细化钢的组织，提高强度及韧性，且Mn能提高Nb、V、Ti在奥氏体中的固溶度积，增强其沉淀强化效果。但含量太高会增加碳当量，不利于焊接。 2.3.2 微合金元素 通过比较，采用V微合金化，利用V在奥氏体中的固溶度积，增强其沉淀强化效果，保证钢的应变时效，降低脆性转变温度，使钢的强度和韧性获得较好的配合，可有效提高钢的高应变低周疲劳性能，尤其是在地震荷载下具有较高的随机疲劳寿命。 2.3 工艺制度要求 HRB500热轧带肋钢筋的生产，要求采用优质铁水和废钢为原料，经氧气顶吹转炉冶炼成优质钢水，经炉外处理，高效方坯连铸机浇铸成方坯，方坯直接送轧钢厂轧制各种规格的带肋钢筋。 2.3.1 炼钢工艺 （1）控制原材料质量，采用优质铁水、废钢；（2）严格控制冶炼终点，温度1650～1685℃，C 0.09～0.14，P、S小于0.030。（3）采用钢包合金化，合金加入顺序硅铝铁→硅铁→锰铁→脱氧剂→矾铁。（4）炉外精练严格按质量计划要求控制，钢包底吹氩、钢包喂线、均匀钢水温度和化学成分。（5）连铸生产按制定的操作要点执行。 2.3.2 轧钢工艺 （1）方坯热送热装，控制加热时间和加热温度，出炉温度比正常温度低20～40℃；（2）按标准要求控制外型尺寸，负公差不大于0.4。 3 试验生产 3.1 冶炼与连铸 2001年8月按照初步制定的化学成分，在济钢第一、第二炼钢厂小批量试生产。冶炼生产5炉钢，共计206t，成分合格，符合内控标准要求。 冶炼时装入量控制在42～43.5t（铁水34.5～35t，废钢7.5～8.5t），吹炼时氧压为0.8～0.95MPa，纯吹氧时间一般为13～15min，终点温度1662～1685℃，平均1671℃。出钢过程中按照预先制定的HRB500的生产工艺加入硅铝铁、硅铁和锰铁，由于钒的氧化性极强，为保证V的回收率，在最后加入钒铁。钢水出转炉后在吹氩站进行吹氩、喂线。 经过处理的钢水吊运至方坯连铸机，开浇温度为1575～1590℃，中间包钢水温度一般在1520～1535℃，拉坯速度为3.0～3.4m/min。连铸过程中，由于从钢包到结晶器都是采取的敞开式浇注，所以钢包的滑动水口处于全部打开的状态，最大限度地减少钢水的二次氧化。严格控制中间包钢水液面高度不低于400mm，以免在中间包水口处产生涡流，发生卷渣现象。 3.1.1 冶炼终点控制 分析结果见表3。试生产冶炼的5炉钢终点控制符合要求，温度、碳、硫、磷含量控制准确，达到目标要求。 表3 冶炼终点控制统计 炉号 温度/℃ C S P 3-11856 1665 0.10 0.025 0.026 3-11857 1656 0.12 0.027 0.022 2-11932 1673 0.11 0.025 0.026 2-10845 1665 0.13 0.022 0.015 1-10537 1680 0.10 0.021 0.020 平均值 1668 0.11 0.024 0.022 3.1.2 精炼 实行钢包底部吹氩，吹氩时间大于5min，吹氩压力0.20MPa，吹氩后平均温度1585℃，吨钢喂线1.5m。 3.1.3 连铸 中包温度1518～1538℃，平均1529℃，平均拉速3.4m/min；济钢第二炼钢厂中包温度1524～1535℃，平均1530℃，平均拉速2.6m/min；铸坯表面质量良好。 3.1.4 熔炼成分 分析结果见表4。试生产的5炉钢化学成分全部在控制范围内，合金的加入，微合金化调整符合控制要求。 表4 熔炼成分统计 炉号 C Si Mn P S V Ceq 3-11856 0.2 0.53 1.44 0.023 0.024 0.095 0.46 3-11857 0.23 0.55 1.46 0.025 0.021 0.105 0.49 2-11932 0.21 0.58 1.47 0.026 0.018 0.11 0.48 2-10845 0.23 0.6 1.48 0.027 0.028 0.11 0.5 1-10537 0.22 0.62 1.46 0.029 0.024 0.12 0.49 平均值 0.22 0.58 1.46 0.026 0.023 0.108 0.48 3.2 轧制 2001年8月15～25日分别在济钢第一小型轧钢厂、第二小型轧钢厂轧制Φ20、Φ16、Φ25、Φ22mm钢筋。钢坯由加热炉内加热约90min，出炉温度1150～1200℃，开轧温度1100～1150℃，在Φ500轧机轧制3道后进入2～7粗连轧机组，然后在8～10中间横列机组轧制，最后经11～13精连轧机组轧制出成品钢筋，终轧温度950～980℃，钢筋表面按GB1499-1998要求轧有“4JG规格”标志。 加热炉预热段温度820～850℃，加热段1250～1280℃，均热段1200～1250℃。分析认为，加热温度控制合理，符合该钢种的加热要求。 钢筋力学性能见表5。钢筋的成品力学性能σs 520～550MPa，σb 665～725MPa，δ5 19～27，冷弯、反弯性能合格。试生产钢筋的成分和性能全部达到了预定的质量目标。最大荷载下延伸率（δgt）10～15，强屈比（σb/σs）不小于1.26,实际屈服强度与标准最小屈服强度之比（实际σs/500）符合力学性能要求，而且达到较好的匹配。 表5 力学性能指标统计数据 炉号 规格/mm σs/MPa σb/MPa δ5/ δgt/ σb/σs 实际σs /500 2-11932 20 535～540 680～715 21～19 11～15 1.27～1.32 1.07～1.08 3-11856 16 535～530 675～670 25～27 12～13 1.26～1.26 1.06～1.07 3-11857 25 545～550 695～695 19～20 14～15 1.28～1.26 1.09～1.10 2-10845 22 535～535 705～725 22～20 12～10 1.32～1.36 1.07 1-10537 22 535～540 710～710 21～20 13～12 1.33～1.31 1.07～1.08 平均 537～539 693～703 22～21 12～13 1.29～1.30 1.07～1.08 3.3 钢筋实物质量分析 各规格钢筋外型形状、尺寸、肋的分布、公差质量全部符合标准要求。直径25mm钢筋检测直径分别为24.18、24.16、24.20、24.18mm。重量偏差控制在-4～0之间。各规格钢筋的金相组织均为铁素铁珠光体，铁素体晶粒度9～10.5级。Φ16、Φ20、Φ25mm规格钢筋硅酸盐类夹杂物为0.5～1.5级。夹杂物形状为条形，长0.24mm，厚0.07mm。 3.4 技术指标分析 试验轧制的5批HRB500钢筋为12m定尺，共投料112.453t，生产钢筋实际重量110.833t，综合成材率98.53，成品成分和力学性能合格率100，定尺率97.07。 3.5 生产工艺的确定 经过试生产证明，化学成分内控标准合理可行，按照此成分生产的钢筋力学性能达到了预定的质量目标。由此可以确定此成分能够保证工业性生产的HRB500钢筋性能达到要求，因此确定表4的成分作为工业性生产的控制成分，试生产工艺作为工业性批量生产操作规程。 4 生产分析 按照确定的生产工艺操作规程，截止到2003年，济钢共生产HRB500钢筋2100t，熔炼成分合格率100，实际成材率98.86，综合合格率99.96。 4.1 钢筋的理化指标 4.1.1 化学成分 为保证产品的化学成分稳定，在实际操作过程中，均按严于操作要点的要求来控制，表6是实际生产的500MPa热轧带肋钢筋的成品成分，全部满足要求。在生产控制过程中，根据成分要求和出钢量，并结合钢水氧化性以及合金的收得率，准确计算合金加入量，确保成分稳定。 表6 实际生产的500MPa热轧带肋钢筋成品成分 C Si Mn P S V 0.190.25 0.450.65 1.401.55 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.150 4.1.2 力学性能 表7为试验生产65炉批次500MPa钢筋的实际性能。 表7 钢筋性能统计 σS/MPa σb/MPa δ5/ 冷弯 反弯 530585 545 675755 715 2031 24 合格 合格 按照预定的质量目标，对钢筋的力学性能进行逐项检验，性能全部合格。图1、图2分别是屈服强度和抗拉强度的分布图。 图1 屈服强度直方图 图2 抗拉强度直方图 4.2 表面质量及内部组织 生产的HRB500热轧带肋钢筋表面无有害缺陷，外形尺寸全部符合标准要求。各种规格的钢筋内部组织都是铁素体和珠光体，且两种组织呈均匀分布。铁素体晶粒度为10～11.5级。 4.3 钢筋的焊接性、机械连接性能试验 成品HRB500钢筋经UN-150闪光对焊机焊接后，钢筋的破断强度满足标准要求，断口处的位置离焊缝80mm以上，断裂位置避开了HAZ区域，说明HRB500钢筋的焊接性能良好。 为检验HRB500钢筋的机械连接性能，分别做钢筋直螺纹和冷挤压连接试验。拉伸结果表明，钢筋的力学性能和连接性能满足标准要求，断口位置距连接件50mm以上，符合机械连接的要求，说明钢筋的机械连接性能良好。 5 结 语 （1）制订的操作要点适合当前炼钢、轧钢的工艺制度，炼钢、轧钢生产工艺能够保证最终产品符合标准要求。在炼钢工序，必须严格控制终点温度和碳、硫、磷含量，要求终点硫、磷含量不大于0.025；控制出钢过程下渣量，防止钢水回磷回硫。在轧钢工序，应控制加热时间在60～90min，加热温度不大于1250℃。轧制温度小于1200℃，生产不同的钢筋规格应制定不同的轧制温度。 （2）生产表明，制定的HRB500热轧带肋钢筋的化学成分内控标准满足规范要求。钢筋化学成分稳定，碳含量0.19～0.25，平均0.23；锰含量1.45～1.55，平均1.48；S、P不大于0.035。设计的熔炼化学成分基本合理，微合金化元素能满足钢筋力学性能指标的要求。对C、Si、Mn含量应按照中上限控制。 （3）钢筋力学性能稳定屈服强度大于520MPa；抗拉强度高达于640MPa；σb/σs≥1.25，说明钢筋具有良好的抗震性能。钢筋金相组织良好，晶粒度不小于9级，非金属夹杂物含量低。 （4）碳当量小于0.51，焊接性能良好；适合多种机械连接方式。 （5）用户使用后，反映该牌号的钢筋力学性能良好，实际应用中可节约钢材用量，降低工程造价，具有提高建筑物的抗震性能和安全性，是我国建筑用钢筋的优良换代新产品。截止到2003年，济钢累计生产HRB500热轧带肋钢筋2100t，实践证明，该产品的开发与生产是成功的，既调整了小型材产品结构，又扩大了品种。