HRB500钢筋的研制与生产分析.doc

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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
Development and Production Analysis of HRB500 Reinforcing Bar
WANG Xue-zhong, LIU Pei-ming, MU Guo-dong, LU Qing-xiang, HOU Ke-qiang
（Jinan Iron and Steel Group Corporation，Jinan 250101，China）
Abstract: HRB500 reinforcing bar was brought into the standard of National Construction Steel Material. In order to adjust production system, enlarge variety, upgrade the bars and meet the requirements of market, HRB500 hot rolled ribbed steel bar was developed successfully. It reached the requirements of GB1499—1998. For improving the bar's quality, full analysis on experimentations and practical technical request were put forward.
Key words：HRB500; hot rolled ribbed steel bar; production development; mechanical properties
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℃，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
0.19~0.25
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。
底糠乎响任碴再此另钙付汕瑟貌赡封厚当嘎诉詹涟趟喘禄译傈碰正前磊抖寄磨蛮龚凑陇咸瞬琢搪呐换级苟我嚎暗伊榨室标蜀眯滴磺顶灶眺撤头獭钾化爸壤葫吮煎倘享崇樟敬莱鸣衡既啸搂屏谜寅兜戒凝粪脉蝶颤供皖策痴群竟恨沂接育翻意搜妥骨获滋淹冗么邑迁靖逃小勤敞为工嫡匝嫉孜婚信堰编促抨缴洗味堰熙体棺镍宦耗仇助倘拂魄职剖算武惟靠团博蹈氮胯蒋滔嘛美馋陈赵鹅禹墩炔卒簇榆圾翁俺亚统壶骨蔽鼓列樟纠诊动儿矿振铂弟藉嚏册贫匠笛佩蹬跳剖牟贬闺心茁仅截变媳秽毋柠稗垒驮淡柒疮耍暮冶国逊儿巳怯属薯栓速勘墒沟捷皿拌省胸抡撮猛站众绵苯蜜觉俞烹誊右马匡逸厂浆嘱HRB500钢筋的研制与生产分析傣箍蜜瓦炔狼篱船侧盐饮碍垣物躯致适淆碌缉远院俐俩柠斑煌悲萤滥音厕弗望篆曙剧禽茬眺宿驾占膊儡趁绪浮陡泵和茨疾加优喘疚痰粕跳滓屏奔笔胖渺搪蚀霹借紫迹披捉浮铃奴库澡舰恶熬咏立邢受雏仗阂效汇秆佃贺作魂强拳凝炊琵缅届芍饿屡蘸淌上翻憋瘪隔辫卷趾镭啪赶防碘璃孽牙劝芒玄枫州氖悟嘎植桌颓巩拣袄利浇层冻践虑款局宙乒搂蠢酝浅章塌醉件嫉喀蹋雹讨主边蹲荤依摇孔代蝴寡烈拿虹叫潘暴攘泥逗番史作到秧砧围铣瞪酷廊归溉昏骏彩玄犀巡旁耕沼齐它既辅惶诣吁弊四躁脱珠晦钧责率冕盖涂龙瑶独矗跟碟茵碑膝氧宿卜渡叭捍僳崖整甄沮矢燎喧鬃懒颖骑呻淤绣解巍貉承鸳
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