HRB500钢筋的研制与生产分析.docx
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HRB500钢筋的研制与生产分析
HRB500钢筋的研制与生产分析
王学忠,刘佩明,穆国栋,路清祥,侯可强
(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GB1499—1998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
中图分类号:
TG335.6+4 文献标识码:
A 文章编号:
004-4620(2005)03-0020-03
DevelopmentandProductionAnalysisofHRB500ReinforcingBar
WANGXue-zhong,LIUPei-ming,MUGuo-dong,LUQing-xiang,HOUKe-qiang
(JinanIronandSteelGroupCorporation,Jinan250101,China)
Abstract:
HRB500reinforcingbarwasbroughtintothestandardofNationalConstructionSteelMaterial.Inordertoadjustproductionsystem,enlargevariety,upgradethebarsandmeettherequirementsofmarket,HRB500hotrolledribbedsteelbarwasdevelopedsuccessfully.ItreachedtherequirementsofGB1499—1998.Forimprovingthebar'squality,fullanalysisonexperimentationsandpracticaltechnicalrequestwereputforward.
Keywords:
HRB500;hotrolledribbedsteelbar;productiondevelopment;mechanicalproperties
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:
GB1499—1998;
(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
0.19~0.25
0.40~0.60
1.40~1.55
≤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
6~25
500
630
12
4a
28~50
5a
内控
6~25
520
640
14
4a
28~50
5a
碳当量Ceq(%)值可按式
(1)计算:
Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15
(1)
2.2成分设计
2.3.1常规元素 钢中每增加0.1%C,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℃,C0.09%~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σs520~550MPa,σb665~725MPa,δ519%~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
0.19~0.25
0.45~0.65
1.40~1.55
≤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
530~585
545
675~755
715
20~31
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。
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