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）03-0020-03DevelopmentandProductionAnalysisofHRB500ReinforcingBarWANGXue-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;mechanicalproperties1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CSiMnPSCeqGB1499≤0.25≤0.80≤1.60≤0.045≤0.045≤0.54内控0.19~0.250.40~0.601.40~1.55≤0.040≤0.045≤0.52表2力学性能要求标准公称直径/mσs/MPaσb/MPaδ5/%弯心直径GB14996~25500630124a28~505a内控6~25520640144a28~505a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/℃CSP3-1185616650.100.0250.0263-1185716560.120.0270.0222-1193216730.110.0250.0262-1084516650.130.0220.0151-1053716800.100.0210.020平均值16680.110.0240.0223.1.2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CSiMnPSVCeq3-118560.20.531.440.0230.0240.0950.463-118570.230.551.460.0250.0210.1050.492-119320.210.581.470.0260.0180.110.482-108450.230.61.480.0270.0280.110.51-105370.220.621.460.0290.0240.120.49平均值0.220.581.460.0260.0230.1080.483.2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/mmσs/MPaσb/MPaδ5/%δgt/%σb/σs实际σs/5002-1193220535～540680～71521～1911～151.27～1.321.07～1.083-1185616535～530675～67025～2712～131.26～1.261.06～1.073-1185725545～550695～69519～2014～151.28～1.261.09～1.102-1084522535～535705～72522～2012～101.32～1.361.071-1053722535～540710～71021～2013～121.33～1.311.07～1.08平均537～539693～70322～2112～131.29～1.301.07～1.083.3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%CSiMnPSV0.19~0.250.45~0.651.40~1.55≤0.035≤0.035≤0.1504.1.2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/MPaσb/MPaδ5/%冷弯反弯530~585545675~75571520~3124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。屈服强度/MPa138101497532210246810121416530540550560570580频率抗拉强度/MPa12610131596302