（材料加工工程专业论文）500mpa级Φ612mm超细晶粒碳素钢筋开发.pdf

山东人学t 程硕卜学位论文 曼皇鼍吕曼皇曼曼曼曼晕曼舅曼曼 _ i - - iiiio o ：曼 摘要 随着我国国民经济的迅猛发展，拉动钢材消费激增，促进了钢铁产业的快速 成长。由于我国的基础设施仍然是以钢筋混凝土为主要材料，所以多年来钢筋和 线材一直在建筑用钢中消费量最大。但由于钢材消费量和生产量的迅猛增长，合 金资源日趋紧缺，特别是钒资源短缺和价格上涨，生产成本飞涨，已危及钢铁企 业的生存与发展，也必将制约我国国民经济的健康发展，因此，为了节约有限的 资源，积极减少钢中合金元素、微合金含量，提高钢铁产品的性能和使用效率、 降低生产成本，是钢铁工作者所面临的严峻而又艰巨的重大课题。 本课题开发的开展是鉴于在h r b f 5 0 0 i v 级热轧钢筋开发之前，企业以形变诱 导铁素体相变( d i f t ) 理论为基础，采用全程控温的工艺方法，已实现了在不添 加任何微合金元素( n b 、v 、t i ) 的情况下，利用普通碳素钢在高速线材轧机上 批量化和规模化生产4 0 0 m p a 级超细晶粒直径为6 、8 、中l o m 口n 小规格螺纹钢 筋。本课题目的就是通过开发生产不加n b 、v 、t i 等微合金元素h r b f 5 0 0 i v 级钢 筋，为企业做必要的产品技术储备。 本文的实施的具体方案为：第一步，了解目前h r b 5 0 0 钢筋的发展状况，确 定不加n b 、v 、t i 等微合金元素开发h r b f s 0 0 i v 级钢筋的实际意义；第二步，进 行开发h r b 5 0 0 超细晶粒钢筋相关的理论研究，为产品开发提供可靠的的理论依 据；第三步，分析企业现在所具备的生产条件，是否具备h r b f 5 0 0 i v 级钢筋的开 发条件，及对得到的实际数据进行分析，达不到效果修改工艺后再进行工艺试验。 通过生产实践证明，完全能够在不加n b 、v 、t i 等微合金元素的情况下，生 产出符合g b l 4 9 9 - 2 0 0 7 标准要求的高强度、低成本、资源节约型高速线材5 0 0 m p a 级带肋钢筋。这符合可持续发展战略和建设资源节约型社会，有利于钢铁工业和 国民经济的健康稳定发展，该项目可大大的降低生产成本，具有较大的市场前景， 在建筑业具有广泛的推广应用价值。 关键词：h r b f 5 0 0 级热轧带肋钢筋；微合金化；超细晶；铁素体；奥氏体； 山东大学t 程硕l 。学位论文 ! i ：i=i 曼曼曼曼曼量曼舅曼詈曼寰皇曼皇曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼量曼皇曼寰量量量皇曼皇曼曼皇曼曼曼皇詈曼曼毫 a b s t r a c t w j t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y , d r i v e ns u r g ei ns t e e l c o n s u m p t i o n ，p r o m o t i n gt h er a p i dg r o w t ho ft h ei r o na n ds t e e li n d u s t r y a sc h i n a s i n f r a s t r u c t u r ei ss t i l lt h em a i nm a t e r i a li sr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，s t e e la n dw i r eh a v eb e e n s of o rm a n y y e a r si nt h ec o n s t r u c t i o ns t e e li nt h eh i g h e s tc o n s u m p t i o n h o w e v e r , s t e e l c o n s u m p t i o na n dp r o d u c t i o no fr a p i dg r o w t h , a l l o yi n c r e a s i n g l ys c a r c er e s o u r c e s ，i n p a r t i c u l a rv a n a d i u mr e s o u r c es h o r t a g e sa n dp r i c eh i k e s ，p r o d u c t i o nc o s t ss o a r i n g ， e n d a n g e r i n gt h es u r v i v a la n dd e v e l o p m e n to fi r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s ，w h i c hw i l l a l s or e s t r i c tt h eh e a l t h yd e v e l o p m e n to fc h i n a sn a t i o n a le c o n o m y , t h e r e f o r e ，i no r d e r t os a v el i m i t e dr e s o u r c e sa n dt or e d u c es t e e la l l o y i n ge l e m e n t s ，m i c r o - a l l o yc o n t e n to f s t e e lp r o d u c t st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y , r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s ，t h e s t e e lw o r k e r sf a c et h eg r i ma n da r d u o u sa m a j o ri s s u e t oc a r r yo u tt h ed e v e l o p m e n to ft h i st o p i ci nt h el i g h to ft h ed e v e l o p m e n t h r b f 5 0 01 vg r a d eh o t - r o l l e ds t e e lb a r s ，b e f o r ee n t e r p r i s e st od e f o r m a t i o n - i n d u c e d f e r r i t et r a n s f o r m a t i o n ( d i f t ) b a s e do nt h et h e o r y , u s i n gw h o l ep r o c e s st e m p e r a t u r e c o n t r o lm e t h o dh a sb e e na c h i e v e dw i t h o u ta d d i n ga n ym i c r o a l l o y i n ge l e m e n t s ( f r o ，v t i ) c i r c u m s t a n c e s ，t h eu s eo fo r d i n a r yc a r b o ns t e e li nh i g l l - s p e e dw i r er o dm i l lo nt h e m a s sa n ds c a l eo fp r o d u c t i o n4 0 0 m p ac l a s su l t r a f r e eg r a i nd i a m e t e r0 6 ，西8 ，c lo t u r e s m a l ls i z er e b a r t h ep u r p o s eo ft h i st a s ki st h r o u g ht h ed e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o n w i t h o u tn b ，vt ia n do t h e rm i c r o - a l l o y i n ge l e m e n t sh r b f 5 0 0i vg r a d es t e e l ，f o r b u s i n e s st om a k et h en e c e s s a r yp r o d u c tt e c h n i c a lr e s e r v e s t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h i s s p e c i f i cp r o g r a m sa s f o l l o w s ：f i r s t s t e p t o u n d e r s t a n dt h ec u r r e n ts t a t eo fd e v e l o p m e n th r b 5 0 0r e i n f o r c e dt od e t e r m i n ew i t h o u t n b ，vt im i c r o - a l l o y i n ge l e m e n t ss u c ha st h ed e v e l o p m e n th r b f 5 0 0i vg r a d e r e i n f o r c e dt h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ；t h es e c o n ds t e p ，t od e v e l o pu l t r a - f i n eg r a i n h r b 5 0 0t h et h e o r yo fr e i n f o r c e m e n t - r e l a t e dr e s e a r c h , p r o d u c td e v e l o p m e n ta n d p r o v i d ea r e l i a b l et h e o r e t i c a lb a s i s ；t h et h i r ds t e p ，a n a l y z et h ec o n d i t i o n so fp r o d u c t i o n a r en o wa v a i l a b l e ，w h e t h e rt h e yh a v er e i n f o r c e dt h ed e v e l o p m e n to fh r b f 5 0 0i v i i i a b s t r a c t g r a d ec o n d i t i o n s ，a n dt h er i g h t t ob et h ea c t u a ld a t aa n a l y s i s ，f a i lt oe f f e c t sm o d i f yt h e t e c h n o l o g yt op r o c e s sa n dt h e nt e s t b yp r o d u c i n gp r o v e n ，f u l l y a b l et ow i t h o u tn b ，v ，t i ，e t c t h ec a s eo f m i c r o - a l l o y i n ge l e m e n t st op r o d u c ei nl i n ew i mg b 14 9 9 - 2 0 0 7s t a n d a r dr e q u i r e m e n t s o fh i g h - i n t e n s i t y , l o w - c o s t , r e s o u r c e s a v i n ga n dh i g h - s p e e dw i r e5 0 0 m p ag r a d ef i b b e d s t e e lb a r s t h i si sc o n s i s t e n t 、析t l ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g i e sa n db u i l da r e s o u r c e - s a v i n gs o c i e t yi sc o n d u c i v et ot h es t e e li n d u s t r ya n dt h en a t i o n a le c o n o m y h e a l t h ya n ds t a b l ed e v e l o p m e n t , t h ep r o j e c tc a ng r e a t l yr e d u c ep r o d u c t i o nc o s t s ，h a v e g r e a t e rm a r k e tp r o s p e c t s i nt h ec o n s t r u c t i o ni n d u s t r yw i t ha 、 ，i d e r a n g eo f p r o m o t i o n a la p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：h r b f 5 0 0i vh o tr o l l e dr i b b e ds t e e lb a r ；m i c r o a l l o y i n g ；u l t r a f i n eg r a i n ； f e r r i t e ；a u s t e n i t e ； w 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 期：坐9 ：! j ：粤 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：茎娅导师签名：一三函& 日期：埠m j 山东大学t 稃硕 j 学位论文 1 3 课题的背景和意义 i i i 课题的背景 第一章绪论 随着我国国民经济的迅猛发展，拉动钢材消费激增，促进了钢铁产业的快速 成长。1 9 9 6 至2 0 0 4 年，我国钢产量由1 亿吨猛增至近3 亿吨，2 0 0 5 年我国钢产 量达到3 4 9 亿吨，2 0 0 6 年专家预计我国钢产量将达到3 8 6 亿吨，已占世界钢 总量的近4 0 。2 0 0 6 年我国建筑业所消费的钢材占全部钢材消费量的5 3 2 ，达 到2 0 4 亿吨。目前，由于我国处于工业化和城镇化快速发展时期，建筑业发展 十分迅猛，已成为我国国民经济的重要产业之一，而钢铁材料始终是建筑结构的 主体材料，建筑业又是我国钢材消费量最大的行业，由于我国的基础设施仍然是 以钢筋混凝土为主要材料，所以多年来钢筋和线材一直在建筑用钢中消费量最 大。2 0 0 4 年带肋钢筋消费量已超过7 0 0 0 万吨，是我国需求和生产量最大的钢材 品种。2 0 0 6 年我国钢筋产量8 3 0 4 万吨，占钢材总产量的1 7 8 ，比2 0 0 5 年增产 1 6 6 。2 0 0 6 年我国线材产量7 1 5 1 万吨，占钢材总产量的1 5 3 ，比2 0 0 5 年增 产1 8 3 ，线材主要用途是直接作为钢筋混凝土的配筋n1 。 由于我国铁矿石、能源、运输等资源有限，无法满足钢铁产能的激剧扩张， 需大量向国外采购资源，从而导致全球钢铁生产原材料供应紧张、价格飞涨，直 接危及钢铁产业的健康发展。资源的过度开采，也必然导致地球环境恶化；因此， 为了节约有限的资源，积极减少钢中合金元素、微合金含量，提高钢铁产品的性 能和使用效率、降低生产成本，是钢铁工作者所面临的严峻而又艰巨的重大课题。 我国钢筋的发展经历了由低强度向高强度发展的过程。建国初期采用碳素钢 i 级光面钢筋；上世纪7 0 年代初期，出现了1 6 m ni i 级钢筋、2 5 m n s ii l l 级钢 筋、4 5 m n s i v 、4 0 s i 2 m n v 和4 5 s i 2 m n t ii i i 级钢筋；7 0 年代后期，2 0 m n s i 级钢 筋取代了1 6 m n 钢筋，至今仍是主导钢筋产品；9 0 年代后期，h r b 3 3 5 、h r b 4 0 0 和h r b 5 0 0 钢筋纳入制定的g b l 4 9 9 - 1 9 9 8 热轧带肋钢筋标准中。目前我国广泛采 用的仍然是h r b 3 3 5 钢筋，重点推广的h r b 4 0 0 钢筋2 0 0 6 年约占钢筋总产量的1 2 以上，其产量比例呈上升趋势。h r b 5 0 0 钢筋只有生产标准，缺乏建筑规范，在 建筑中几乎没有应用n1 ，但h r b 5 0 0 钢筋的推广只是时间问题。 第一币绪论 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4 0 0 m p a 、5 0 0 m p a 级钢筋。1 9 9 0 年以 后又开始进一步开发5 0 0 m p a 级钢筋，俄罗斯1 9 9 3 年钢筋产品标准增加了 5 0 0 m p a 、6 0 0 m p a 级钢筋，美国1 9 9 6 年钢筋产品标准增加了5 2 0 m p a 级钢筋。 另外，国内随建筑业的发展对建筑用钢的性能、质量也提出了更高的要求， 应加快建筑用钢品种优化与更新换代的步伐。同时，随着我国与国际接轨的步伐 加快，我国的建筑用钢不仅要满足国内建设的需要，而且要积极加入国际市场的 竞争，满足国际市场的需要。国内虽有部分厂家通过微合金化和控冷技术已经进 行了5 0 0 m p a 级钢筋的开发并成功开发出5 0 0 m p a 级钢筋，但从能耗与收得的角度 来看，我国热轧带肋钢筋仍然采用传统的高温加热( 1 1 5 0 ) 、高温开轧( 1 0 0 0 ) 和高温精轧( 9 0 0 ) 工艺。吨钢加热能耗达5 4 0 k w h t ( 而钢坯的 物理热和轧制能耗仅分别为2 3 0 和1 1 0k w h t ) ，氧化烧损达1 4 ，是典型的 高能耗、低收得的生产过程，同时，还导致对环境的污染。 h r b 5 0 0 级是我国目前最高等级的热轧钢筋，可以满足高层、超高层建筑和 大型框架结构等对高强度、大规格钢筋的需求。修订中的国标心1 中规定 h r b 5 0 0 h r b f 5 0 0 既要有较高的强度( r e l 5 0 0 m p a ，i o n 6 3 0m p a ) ，又要保证良 好的塑性( 伸长率a 1 5 ) 和抗震性能( r o m r o e l 1 2 5 ，而r o e l r e l 1 3 0 ) 。h r b 5 0 0 h r b f 5 0 0 钢筋具有良好的经济效益和社会效益，用它取代h r b 3 3 5 钢筋可以节约用量2 8 以上，取代h r b 4 0 0 可节约1 4 的用量。这不仅节约了能源， 也降低了电力、运输等相关行业的压力和减少烟气、粉尘等污染物的排放然而， 在推广应用h r b s 0 0 i v 级的过程中将比h r b 4 0 0 面临更大困难：一者，在混凝土结构 设计规范中并没有将h r b 5 0 0 纳入规定，也就是说，从遵守规范的原则出发建筑结 构中是不设计和使用h r b 5 0 0 钢筋的：二者，相对而言h r b 5 0 0 i v 级钢筋仍处于研制 和试生产阶段，工艺有待进一步完善和优化。就对比国外钢筋的发展历程看，使用 高强度级别钢筋是建筑业发展的需求和趋势。h r b 5 0 0 成为我国钢筋混凝土用热轧 带肋钢筋只是个时间问题，在这个历程中有必要迸一步完善工作而做好技术储 备。 基于上述原因，国际上在上世纪9 0 年代开始了新一代钢铁材料的研发项目。 钢铁研究总院承担的我国的重大基础研究项目“新一代钢铁材料的重大基础研究 - - 9 7 3 项目 课题，其中“4 0 0 m p a 长型材微米组织形成理论及控制技术 课题 目的是面对约占我国钢产量2 5 的建筑螺纹钢筋，研究利用组织超细化生产技术 2 山东大学t 程硕卜学位论文 实现普碳钢q 2 3 5 类型2 0 0 m p ai 级钢筋力学性能成倍提高，达到4 0 0 m p ai ii 级 钢筋水平，取代目前广泛应用的微合金化低合金钢i i i 级钢筋。2 0 0 6 年在山东 石横特钢集团有限公司高线生产线上利用碳素钢成分生产出4 0 0 m p a 级钢筋，其 性能完全可以替代目前的微合金化4 0 0 m p a 级钢筋，该项成果达到世界领先水平， 并且可以大量节省m n 、v 、n b 、t i 等合金化及微合金化元素，为我国今后新型资 源节约型钢筋的开发找到了一条新路。2 0 0 0 年，国家8 6 3 项目设立“5 0 0 m p a 级 碳素钢先进工业化制造技术”课题，重点支持该成果的产业化。在此基础上石横 高线进一步研究在不加合金的基础上实现h r b f 5 0 0 ( g b l 4 9 9 2 - 2 0 0 7 规定细晶粒 钢筋必须加f ) 的连续稳定生产，以适应社会发展需求。 在这种情况下，开发生产不加n b 、v 、t i 等微合金元素h r b f 5 0 0 i v 级钢筋， 可有效降低生产成本，节约资源，符合可持续发展战略和建设资源节约型社会， 有利于钢铁工业和国民经济的健康稳定发展，该项目可大大的降低生产成本，具 有较大的市场前景，在建筑业具有广泛的推广应用价值。 h r b f 5 0 0 的成分及性能要求如表1 1 和表1 2 所示心1 。 表1 1 化学成分( 质量分数) ，不大于 牌号 cm ns ips c e q h r b f 5 0 00 2 5 1 6 00 8 0 0 0 4 5 0 0 4 5o 5 5 注：根据g b1 4 9 9 2 - 2 0 0 7 表1 2 力学性能不小于 牌号r e l m p a r m m p ak 拽 a g t 隔 h r b f 5 0 05 0 06 3 01 57 5 钢筋的屈服强度r e l ；抗拉强度r m ；断后伸长率a ；最大力总伸长率a g t 1 1 2 选题的意义 建筑工程中，提高钢筋的级别，可有效减少钢筋的使用量( 如同一建筑工程 使用i 级钢筋可比i i 级钢筋的使用量减少1 2 - 1 5 ) ，同时减少了钢筋焊接、预制 以及运输等工作量，有利于改善混凝土的流动性，提高工作效率，从而有效降低 建设成本。h r b f 5 0 0 钢筋具有良好的经济效益和社会效益，用它取代h r b 3 3 5 钢筋 可以节约用量2 8 以上，取代h r b 4 0 0 可节约1 4 的用量。这不仅节约了能源，也降低 了电力、运输等相关行业的压力和减少烟气、粉尘等污染物的排放。 本项目通过对钢铁材料强化机制和应用技术的深入研究，采用临界奥氏体区 控轧和轧后控冷的工艺，利用形变诱导铁素体和铁素体再结晶机制细化组织，通 3 第一章绪论 过全线加热温度、轧制温度、冷却温度的优化和精确控制，辅之以适当的设备改 造，挖掘细晶强化的潜力，钢筋晶粒尺寸2 5pm ，从而开开发出符合g b l 4 9 9 - 2 0 0 7 标准要求的高强度、低成本、资源节约型高速线材5 0 0 m p a 级带肋钢筋生产工艺 技术另外，生产不加n b 、v 、t i 等微合金元素h r b f 5 0 0 钢筋，可有效降低生产 成本，节约资源，符合可持续发展战略和建设资源节约型社会，有利于钢铁工业 和国民经济的健康稳定发展，该项目可大大的降低生产成本，具有较大的市场前 景，在建筑业具有广泛的推广应用价值。 1 2 课题来源 本课题取自于山东石横特钢集团有限公司生产的基于5 0 0 m p a 级6 1 2 m m 超 细晶粒碳素钢筋开发，开发的目的是在节约有限的资源，积极减少钢中合金元素、 微合金含量，提高钢铁产品的性能和使用效率、降低生产成本，力争在不加n b 、 v 、t i 等微合金元素前提下，利用临界奥氏体区控轧工艺( d i f t 工艺) 和斯太尔 摩控冷工艺，实现铁素体生产5 0 0 m p a 级钢筋的目的，以取代5 0 0 m p a 级微合 金钢筋，为企业做必要的产品技术储备。 1 3 课题的难点及解决办法 1 3 1 课题的难点 1 ) h r b f 4 0 0 与h r b f 5 0 0 化学成分基本相同，但强度要求差别很大，h r b f 4 0 0 的r e l 4 0 0 m p a ，r m s o o m p a ，h r b f 5 0 0 的r e l 5 4 0 m p a ，r m 6 3 0 m p a ，产品开发有一定的 难度。 2 ) 国标g b l 4 9 9 2 - 2 0 0 7 中，首次明确规定“在热轧过程中，通过控轧和控 冷工艺形成的细晶粒钢筋。其金相组织主要是铁素体加珠光体，不得有影响使用 性能的其他组织存在，晶粒度不粗于9 级。 ，( g b l 4 9 9 2 - 2 0 0 7 ( 钢筋混凝土用钢 第2 部分热轧带肋钢筋) 国家标准第1 号修改单指出：“不得有影响使用 性能的其他组织( 如基圆上出现的回火马氏体组织) 存在”，这一条款对控 轧控冷工艺增加了约束。这对于我公司的h r b f 5 0 0 开发增加了难度。 3 ) 结合我公司的现有生产h r b f 4 0 0 超细晶钢筋的生产工艺及设备条件，如 果采用微合金化技术来开发5 0 0 m p a 级热轧带肋钢筋，确保产品的强度、延伸、 焊接及组织性能等综合指标达标相对较容易，但这样会增加合金元素这一方面的 4 山东夫学t 程硕卜学位论文 生产成本。 1 3 2 课题的解决办法 1 ) 优化5 0 0 m p a 级咖6 咖1 2 n 田 n 钢筋化学成分； 2 ) 优化加热工艺、控制轧制工艺、控制冷却工艺； 3 ) 采用临界奥氏体区控轧和轧后控冷工艺，利用形变诱导铁素体和铁素体 再结晶机制细化组织，辅之以适当的技术改造进行实际生产； 5 山东大学t 稃硕 学位论文 1 l i ! ：i _ i i _ l l _ _ l：1i,-：i i 2 1 引言 第二章文献综述 本章的目的是了解热轧带肋钢筋的发展历程，以及中国热轧钢筋在品种质量 和技术工艺水平，确保课题具有切实可行的实际意义。 2 2 我国热轧钢筋的发展历程 我国钢筋的发展基本上经历了引进模仿自主研发引进技术和设备吸 收创新，性能等级由低强度向高强度发展的过程。建国初期，国内钢筋几乎全是 碳素钢( q 2 3 5 ) i 级光面钢筋；直到上世纪7 0 年代初期，原冶金部大规模地进行研 制、生产、推广应用低合金钢产品，出现了i i 级钢筋1 6 m n 、m 级钢筋2 5 m n s i 、i v 级钢筋4 5 m n s i v 、4 0 s i 2 m n v 和4 5 s i 2 m n t i 等1 6 m ni i 级钢筋被大量采用是这一时 期的最大特点，改变 q 2 3 5i 级光面钢筋一统天下的局面但是应用16 m n i i 级 钢筋的过程中，强度实际水平总是低于标准2 0 m p a 左右。为满足性能要求，在上世 纪7 0 年代中后期成功研制的2 0 m n s ii i 级钢筋取代了1 6 m n ，至今仍在沿用而且是 钢筋混凝土用钢筋主导产品2 5 m n s i ( 俗称老n i 级钢筋，强度3 7 0m p a ) 是原苏联的 钢号，y b l 7 1 2 6 9 将强度级别提高到4 0 0 m p 如但是因其性能不稳定、焊接性能差等 原因没有得到市场认可。“六五期间，国家低合金钢科技攻关，采用微合金化、轧 后余热处理等工艺手段研试成功4 0 0 m p a 新钢筋，将我国混凝土用钢筋大大向 前推进一步；紧接着“七五 ，又将可焊4 0 0 m p a 钢筋应用技术研究纳入低合金钢国 家科技攻关，从材料、焊接、各种配筋性能等进行了全面系统的试验研究；1 9 9 1 年 将4 0 0 m p 棚级钢筋纳入g b l 4 9 9 9 1 ，同时编制了y b l 0 7 0 9 3 应用技术规程；1 9 9 8 年又对该标准进行了修订( g b1 4 9 9 19 9 8 ) ，目前正实施新一轮刚修订后的 ( g b l 4 9 9 2 0 0 7 ) ，除对力学性能要求和化学成分进行合理化和国际化修订外，适时 地将采用控轧控冷等新工艺生产的细晶粒钢筋纳入国标，这是一个重大变化 2 0 0 2 年4 月1 日起实施的国家标准混凝土结构设计规范g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ，明确 将h r b 4 0 0 级钢筋作为我国钢筋混凝土结构的主力钢筋，进入了完善i 钢筋性能 和全面推广应用的时期。但是，这时期是漫长而艰巨的，多年来4 0 0 m p a i 钢筋的 7 第：章文献综述 应用范围和用量总是上不去，一直在1 0 2 0 徘徊，没有实质性的突破。 图2 1 从成分、工艺技术和生产设备三个角度简单地表示了我国钢筋的发展演历程。 i q 2 3 5 | - j1 6 m n i - - - 2 0 m n s ii-,120mnsi(v，nb，tir 。im ) i o _ l _ _ i o o - o _ l o _ - _ _ _ _ _ - _ l 一 i 钢筋成分发展路线 匦固一医圈一匡重匦甄甄圈 b r - 艺技术发展路线 圃一圈一匡羽 a 生产设备发展情况 图2 1我国热轧钢筋发展历程 我国钢筋的发展走过了半个多世纪的历程，其品种不断扩大，工艺不断优化， 质量不断提高，基本满足了我国建筑业快速发展的需要n 2 1 世纪初，已发展到可 生产热轧微合金带肋钢筋、余热处理带肋钢筋和细晶带肋钢筋按强度分，热轧带 肋钢筋主要包含h r b 3 3 5 、h r b 4 0 0 和h r b 5 0 0 - - 个级别口1 。 2 2 1 热轧带肋h 髓3 3 5 级钢筋( 2 0 m n s i ) 2 0 1 d n s i 钢筋在1 9 7 6 年研制成功1 9 9 1 年，g b l 4 9 9 9 l 取消了2 0 m n s i 按直径 划分强度级别的规定，而将所有规格的屈服强度统一定为3 3 5 m p a ，即为h r b 3 3 5 至今，h r b 3 3 5 热轧带肋钢筋仍占我国钢筋产量和消费量的7 0 - - 8 0 由于生产 工艺和成分设计相对简单，3 0 年来h r b 3 3 5 并没有发生多大变化，工艺成熟，应用 广泛然而，h r b 3 3 5 实际生产中依然存在成分不均、轧材表面裂纹、屈服点不明 显和脆断等问题钢水成分的均匀性主要受合金的加入方式、合金的块度、钢包 透气砖的安装位置、烤包的均匀程度以及吹氩搅拌时间的长短等影响，最终影响 到钢材的质量屈服点不明显和脆断是钢筋生产中较为普遍的问题钢筋中残 余元素c r 、m o 和n i 能够提高钢的淬透性，当它们含量较高时，在正常轧制工艺下， 钢筋组织中的上贝氏体含量 2 0 时便会出现屈服不明显的现象：当轧制温度过 低，回复和再结晶不足以消除轧制硬化过程产生的应力，将导致屈服点消失：异常 组织贝氏体、魏氏体及马氏体的大量出现是造成钢筋屈服不明显的主要原因，这 主要是不合理的轧制冷却工艺所造成：钢中的c 、n 等间隙元素的成分也是造成屈 8 山东大学t 手呈硕 4 学位论文 服不明显的一个原因。因此，要控制好钢水成分、热加工温度以及冷却速度。钢 中的魏氏体组织和夹杂物是造成h r b 3 3 5 钢筋脆断的一个重要原因，而亚表层的夹 杂物又是造成钢筋表面纵向裂纹的罪魁祸首，魏氏体组织的形成倾向主要与钢的 成分( 碳及合金元素的含量) 、奥氏体晶粒度以及冷却速度密切相关，而夹杂物大 小和数量主要取决于钢中的氧含量，故而提高钢水纯净度和优化轧制工艺是解决 各种问题、提高钢筋各项性能的重要措施。文献有关h r b 3 3 5 钢筋的报道多集中于 实际生产中出现的问题，少有工作涉及到其成分的优化和工艺的革新。由于长期 的统治地位造成设计单位、建设部门惯于使用h r b 3 3 5 ，其主导地位势必仍要持续 几年。即便h r b 4 0 0h i 级钢筋成为主导产品后，h r b 3 3 5 仍是有益补充。所以， 针对h r b 3 3 5 钢筋仍有必要做一些优化工艺和降低生产成本研究工作。 通钢在1 7 架连轧机的设备基础上，控制化学成分中下限，采用在粗轧机组( 7 架) 进行奥氏 体再结晶轧制，而在中轧前后加入水冷装置，降低轧件温度，精轧( 6 架) 区间保证 轧机正常工作情况下采用低温大压下工艺，能够显著细化晶粒，获得各方面性能 优良的i i 钢筋。福建三钢通过对h r b 3 3 5 钢筋进行力学性能测定和化学成分分析， 找出它们间的回归关系，在此基础上优化了钢种成分： c 平均值提高约 0 0 1 5 ，同时甲 s i 和甲 m n 分别降低0 1 1 ，可产生年效益8 0 0 万元由此看 来，针对我国产量和消费量都很大的钢筋进一步做些研究工作仍属可行而且意义 重大。此外，修订中的g b l 4 9 9 - 9 8 的送审稿中只规定了各牌号钢筋的化学成分上 限( 见表2 1 ) ，为开展进一步提高钢筋性能和降低生产成本的研究工作提供了契 机，拓宽了空间。 表2 1 热轧带肋钢筋的化学成分( 质量分数) 质量分数( 不大于) 牌号 c s i m nps c e q h r b 3 3 5 h r b f 3 3 50 5 2 h r b 4 0 0 h r b f 4 0 0 o 2o 81 6o 0 40 0 40 5 4 h r b 5 0 0 h r b f 5 0 0 0 5 5 表中h r b f 代表热轧细晶粒钢筋 2 0 m n s ii i 钢筋固然有强化元素m n 、s i 的价格低、含量丰富，生产工艺简单， 良好的可焊性等优点，但也明显存在强度低、尺寸效应大、应变时效敏感性高、 抗震性能不高等不足，势必越来越不能够满足飞速发展的建筑业的需求，因此其 钢筋混凝土用热轧带肋钢筋的主力钢筋的地位将最终被h r b 4 0 0 h i 钢筋所取代。 9 第二辛文献巧：述 2 2 2 热轧带肋h r b 4 0 0 级钢筋( 2 0 妇si v n b ) ( 2 0 s i ) 目前，热轧带肋h r b 4 0 0i i i 级钢筋是国家重点推广的建筑用钢更新换代产品 h r b 4 0 0 具有优良的性能：( 1 ) 强度高、延性好其设计强度为3 6 0 m p a ，l l h r b 3 3 5 可节省用钢1 0 - - - 1 8 ；( 2 ) 性能稳定，应变时效敏感性低安全储备量比h r b 3 3 5 大：( 3 ) 焊接性能良好，适应各种焊接方法：( 4 ) 抗震性能好强屈比大于1 2 5 ： ( 5 ) 韧脆性转变温度低。通常在一4 0 下断裂仍为塑性断口，冷弯性能合格：( 6 ) 具有较高的高应变低周疲劳性能，有利于提高工程结构的抗破坏能力。近些年来， 由于国家政策的引导和市场需求的推动作用以及冶金新技术新理论的出现创造 了条件，国内多数钢厂和科研院所纷纷在h r b 4 0 0 上开展了一些试验研究工作，近 乎是出现遍地开花的局面。 各大钢厂多以微合金化的方法生产h r b 4 0 0 i i i 级钢筋，设备采用较先进的半连 轧、全连轧生产线。微合金化方法主要采用v 和n b ，含量随着钢筋规格的变大而 提高就从加入合金种类看，主要是v n 、f e v 和f e n b 由于氮在钢中能够明显促进 v 的析出，提高有效v 的数量，采用v n 微合金化比采用f e v 可节约3 0 以上的钒钒微 合金化钢筋采用v n 合金化时w v 含量处于0 0 3 0 0 8 的水平，而用f e v 则要 高出0 0 1 一- - 0 0 3 ：比较来看，用n b 微合金化时用明显降低，通常在0 0 2 0 0 5 范围内：在价格方面，f e n b 又较f e v 和v n 低且稳定，故用f e n b 生产h r b 4 0 0i i i 级钢筋具有明显的经济优势和竞争力。但是，n b 微合金化钢易出现连铸坯裂纹 和造成屈服点不明显等问题，对轧制工艺要求苛刻。经过近几年的研究，这些问 题通过采取微t i 处理、二冷制度调节和控制控冷工艺等措施己得到很好地解决。 目前，己呈现n b 代v 微合金化生产h r b 4 0 0 i i i 级钢筋的趋势。对于通过控轧、控冷 工艺形成的细晶粒钢筋，目前多数企业还处于试验研究阶段。 我国推广应用h r b 4 0 0 钢筋虽已是发展趋势，但生产h r b 4 0 0 钢筋的方法过于 单一，尽管国家标准钢筋混凝土用热轧带肋钢筋( g b l 4 9 9 - 1 9 9 8 ) 规定可采 用钒、铌、钛等微合金元素，但是长期以来仍主要采用钒铁或钒氮合金微合金化 工艺，一旦钒铁或钒氮合金价格大幅度增加，则生产成本急剧提高，严重影响了 h r b 4 0 0 钢筋的推广应用；由于钒铁或钒氮合金的涨价，近年来许多钢厂开展了 h r b 4 0 0 含铌i i i 级钢筋的研制，但由于铌强化机制的复杂性和难以控制，各厂家 普遍存在力学性能不稳定、屈服点不明显、规格效应敏感等问题，外部质量异议 频发，加之生产成本降低不明显，h r b 4 0 0 含铌i i i 级钢筋没有得到较好地推广应 用：h r b 4 0 0 含钛级钢筋的研制，由于受到冶炼连铸工序的制约几乎没有任何 应用。总之，我国主要采用添加合金、微合金元素的方式，综合利用合金元素的 1 0 d l 东 学t i 学位论文 固溶强化机制、析出强化机制和细晶强化机制，提高钢材的强度。通常生产 h r b 3 3 5 带肋钢筋( 简称i j 级钢筋) 的钢坯在普碳钢成份基础上增加s l 、m n 台 金元素：生产i i r b 4 0 0 带肋钢筋的钢坯，在i i 级钢成份基础上再添加v 、n b 、t i 等微合金元素。建筑工程中提高钢筋的级别，可有效减少钢筋的使用量( 如同 一建筑工程使用i 级钢筋可比l i 级钢筋的使用基减少1 2 一1 5 ) 同时减少了钢 筋焊接、预制以及运输等工作量，有利于改善混凝土的流动性，提高工作效率 从而有效降低建设成本。但由于钢材消费量和生产量的迅猛增长，舍命资源e l 趋 紧缺，特别是钒资源短缺和价格上涨，生产成本飞涨，已危及钢铁企业的生存与 发展，也必将制约我国国民经济的健康发展。 为解决上述矛盾，2 0 0 4 年山东石横特钢集团有限公司和钢铁研究总院合作 利用钢铁研究总院的临界奥氏体控轧工艺技术在高速线材轧机上共同丌发小规 格普碳钢超细晶粒钢筋生产技术。其核心技术内容是是通过利用普通低碳钢 ( q 2 3 5 类型屈服强度2 3 5 1 p a 级) 。在高速线材轧机上开发4 0 0 m p a 级超细晶 粒直径为由6 、中8 、中l o r a 小规格螺纹钢筋。其目的是通过微观组织的超细化， 实现昔碳钢生产4 0 0 m p a 级钢筋的目的，以取代4 0 0 t p a 级微合金钢筋。 石横商线已在2 0 0 5 年利用临界奥氏体区控轧工艺( d i f t 工艺) 和斯太尔摩 控冷工艺轧制超细晶h r b 4 0 0 钢筋，产品其晶粒度为1 2 级尺寸为2 5um ：焊 接性能良好，焊后性能无降低现象；延伸率在2 5 以上，具有良好的塑性。同比 原2 0 m n s i v 生产的h r b 4 0 0 钢筋降低了生产成本4 4 5 元吨，其生产的化学成分 c 一0 2 1 0 2 5 ，m n 一0 9 4 i 0 5 ，s i 一0 2 0 3 5 ，p 00 4 2 ，s 0 0 4 2 y 。采 用的工艺( 以h r b 4 0 0 巾8 为例) 为吐丝温度降低到7 0 0 以下，s t e l 帅r 辊道速 度提高到6 7 m m i n ，风机开1 2 x 9 9 。该工艺生产出的缓种化学成分的钢材性能 均达到国家标准。图2 2 、图2 - 3 、图2 - 4 为盘条线材的超细晶组织照片，成分 为c02 3 ，s i0 2 6 。m n0 8 2 ，其屈服强度：4 4 5 m p a ，抗拉强度5 9 0m p a 。 心部组织边部组织 囤2 - 2 规格06 岫钢箭的超细晶傲观组织照片 规格中6 肿：组织为铁索件+ 珠光体，铁索体晶粒尺寸：心部为3 5um ， 边部4 5 “m 。 规格由8 j l l l n ：组织为铁紊体+ 珠光体，铁裘体晶粒尺寸：心部为4 5um ， 边部3 - - 5pm 。 规格巾l o m m ：组织为铁素体+ 珠光体，铁索体晶粒尺寸：心部为4 ；m 边部3 5 pm 。 勰绷 心部组织边部组织 圈2 - 3 规格m8 哪铜筋的超细品微观组织照片 心部组织边部组织 困2 - 4 规格jo m 钢筋的超细晶微观组织照片 由此可见，如果轧制设备允许通过控轧控冷生产细品粒制筋是一种非常有 成本优势和获得良好性能钢筋的生产工艺这也是在g b i4 9 9 1 9 9 8 及目前b l j b f j 实 施的g b i4 9 9 2 0 0 7 修订中