莱钢抗震结构用热轧带肋钢筋的研发

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莱钢抗震结构用热轧带肋钢筋的研发

杜传治，仝丽珍，季春生，刘红军

(莱芜钢铁股份有限公司山东莱芜271104)

摘要：介绍了莱钢结合HRB400热轧带肋钢筋生产经验，按钢筋的钢种、规格大小采用不同的微合金化方法，进行窄成分范围设计；并采用了合理的冶炼和加热、轧制等生产工艺参数，成功开发了HRB500E抗震钢筋，并优化提升了HRB400E钢筋的抗震指标。证明莱钢目前生产的抗震钢筋抗震性能优良，强屈比、延伸率、冷弯性能均达到了标准要求，具有较好的综合性能，能够较好地满足工程抗震设计、施工的要求。

关键词：抗震钢筋 HRB400E HRB500E

随着建筑工业的迅速发展，高层建筑等工业结构对钢筋承载能力的要求越来越高，抗震问题也引起了普遍关注。特别是2008年我国发生汶川大地震后，国家地震局也将部分强地震带房屋建筑的抗震级别由7级提高到9级，从而提高建筑物的坚固性和“柔性”，所以抗震钢筋的市场需求开始突显。钢筋标准由GBl499-1994换版为GBl499．2-2007后，增加了HRB335E、HRB400E、HRB500E三种抗震钢筋牌号，也明确提出了抗震钢筋的性能要求。为更好地满足用户的要求，公司开发设计了HRB500E抗震钢筋，并将现有HRB400热轧带肋钢筋升级为微合金化HRB400E抗震钢筋，使其在符合GBl499．2-2007热轧带肋钢筋国家标准各项性能指标要求的同时，又满足建筑抗震设计对钢筋性能的要求，提高了产品技术含量，进一步扩大了公司生产建筑钢筋的品种系列和功能配套系列。

1 抗震结构用热轧带肋钢筋性能要求

1．1 抗震钢筋执行标准

钢筋执行GBl499．2-2007；钢号为HRB400E、HRB500E。

1．2抗震钢筋性能特点

建筑物的抗震性能，不仅强调坚固，还应有良好的变形能力和吸收地震能量的能力。就是在保证钢筋具有一定强度的同时，尽量提高塑性，使强度和塑性达到最佳配合，较高的延伸率值可在强震时吸收更多的地震能量；其次，要具有高的强屈比和均匀的屈服强度，强屈比越高，钢材有更多的塑性储备；第三，屈服后有较长的均匀变形阶段，能吸收更多的地震能量，从而提高抗震性能。

1．3抗震钢筋与普通热轧钢筋标准要求的不同点

CB 1499．2-2007中规定普通热轧钢筋只要满足强度、延伸率、冷弯和反弯的性能即可，但抗震钢筋除应满足上述要求外，还应满足抗震性能指标：

1)钢筋实测抗拉强度与实测屈服强度之比R_m_实测／R_el_实测≥1．25。2)钢筋实测屈服强度与标准规定的屈服强度特征值之比R_el_实测／R_el_标准≤1．30。3)抗震钢筋要求最大力总伸长率A_gt≥9％。

1．4普通热轧钢筋性能现状

普通热轧钢筋由于GB 1499-1998对R_el_实测／R_el_标准、R_m_实测／R_el_实测未作强制性要求，因此设计只片面考虑满足强度要求，对钢筋的抗震要求未作考虑。主要体现为屈服强度高，强屈比低，延伸率及最大力下的总伸长率小，性能波动大等特点。就莱钢生产的HRB400钢筋来说，主要存在以下问题：

一是屈服强度明显偏高。28．3％的炉数不能满足R_el_实测／400≤1．25的性能指标，特别是较大规格如ϕ32、ϕ40，平均仅占50％左右；二是R_m_实测／R_el_实测偏低。有19．1％炉次达不到1．30，平均只有1．246；三是个别炉次的最大力总伸长率A_gt偏低。虽然不小于。7．5％，但却达不到9％的要求，最大力总伸长率平均为7．8％。

2 生产工艺确定

2．1工艺流程

转炉→精炼调整→连铸机→步进梁式三段连续加热炉→高压水除磷→粗轧机组→中轧机组→精轧机组→步进式冷床冷却→检验→收集、打捆、码垛、入库。

2．2化学成分设计

2．2．1 标准对抗震钢筋的化学成分要求

GB 1 499．2-2007标准规定HRB400E、HRB500E化学成分和碳当量(熔炼分析)，应符合表l的要求，根据需要钢中还可以加入V、Nb、Ti等元素。

碳当量C_eq一(百分比)值可按公式(1)计算：

C_eq=C Mn／6 (Cr v Mo)／5 (Cu Ni)／15 (1)

2．2．2化学成分设计的原则

从目前莱钢生产普通热轧钢筋性能看出，钢筋强度高，塑性低，性能稳定性较差。因此，确定钢筋成分配比时，重点从降低钢筋屈服强度、提高钢筋塑性和“柔性”出发考虑。采取降低C，加入微合金成分提高钢筋综合性能，并按照不同规格制定不同成分配比的窄成分设计原则。

1)HRB400E熔炼成分优化。

莱钢生产HRB400熔炼成分见表2。

HRB400EC上限降低0．0l％，合金采取两种方式：考虑到铌铁合金成本低，小规格钢筋中铌完全可以起到强化效果，采用铌微合金化技术，含Nh量控制在0．03％，～0．05％；大规格Nb微合金钢筋性能不稳定会更加突出，选择钒氮合金技术，并增加0．01％V含量。

2)HRB500E熔炼成分设计。

①C、Mn增加可以提高钢的强度，但钢的塑性降低，因此，将HRB500E熔炼成分C的上限较HRB400降低0．01％，下限提高0．01％；Mn的上限降低0．05％；实行窄成分控制。

②由于HRB500E强度要求高，加铌时要求含量也高，工艺控制难度大，性能不稳定，因此主要采用钒氮合金技术，并按钢筋规格大小采用不同的合金含量，大规格合金含量要比小规格适当提高。

③Si有很好的固溶强化效果，因此将Si下限提高0．10个百分点，窄成分控制。

④P、S含量高，钢的脆性增大，因此要降低到0．035％以下。

2．3炼钢工艺要求

1)采用高拉补吹，终点控制目标[C]≥0．10％，[P]≤0．030％，[S]≤0．030％。2)必须进行精炼，保证软吹时间和精炼出站温度。3)用保护浇注，拉速控制在2．5～3．2 m／min之间。

2．4轧钢工艺要求

2．4．1加热制度

Nb微合金钢加热温度要比V微合金钢高70℃～90℃，才能保证Nb合金的固溶强化作用，并且为了保证钢的性能稳定，对温度控制制定了窄温度范围。

2．4．2孔型选择

孔型系统采用全连续轧制，轧机采用平立交替布置，对于各机架变形量的分配，充分利用粗轧机能力大的特点，在粗轧机组采用大变形、大延伸，中轧机变形量逐渐减少。

2．4．3铣槽参数的确定

大规格钢筋易在横肋根部出现冷弯裂断，对铣槽参数重新进行了优化，刻字角由原来的62°增加到65°，同时将横肋深度及刻字深度在标准许可的范围内尽量减小。

2．4．4轧制速度

由于HRB400E、HRB500E合金含量较高，因此在生产过程中应控制轧制节奏和轧制速度，比HRB400适当放慢轧制节奏，以保证温度的均匀，从而确保晶粒细化，保证足够的强度和正常组织。

2．4．5冷却方式的选择

为保证终轧后冷却速度在规定的要求范围之内，采取在成品轧机后使用轻穿水的方式，以保证钢材终轧后冷却速度。

3 试制结果分析

3．1 熔炼成分

对所轧制钢种的熔炼成分进行了统计，钢的化学成分全部在设计的窄成分控制范围之内，成分波动范围小，符合冶炼技术要求。

3．2钢筋强度指标和塑性指标

分别对HRB500E、HRB400E铌合金、HRB400E钒合金钢筋性能进行统计，得出强度和延伸率范围并计算出其平均值，见表3。HRB500E强度指标均符合标准要求，HRB400E较以前不分规格控制成分时的性能波动大大减小。

3．3抗震指标

对强屈比、实测屈服强度与标准屈服强度比及最大应力下的总伸长率等抗震指标进行了统计分析，见表4。强屈比满足抗震钢筋≥1．25的要求，钢筋的实测屈服强度与标准屈服强度比远远满足抗震钢筋≤1．30的要求，最大力下的总伸长率均远远大于国标要求A_gt≥9％的规定。

3．4成品钢筋金相显微组织

将钢筋切割成金相试样，抛光处理，用4％硝酸酒精腐蚀，采用金相显微镜对钢筋样进行组织形貌观察(图1～图3)，外部和芯部均为分布均匀铁素体和珠光体，边部组织比心部组织晶粒细小，HRB400E钒合金钢筋金相组织比铌合金均匀、细小，而HRB500E更均匀。HRB400E边部组织晶粒度8～8．5级，HRB500E晶粒度为9级。