400mpa铌微合金化三级热轧钢筋的生产

1 400MPa 级热轧钢筋的生产 杨忠民杨忠民 钢铁研究总院钢铁研究总院 2 内容内容 ?概述概述 1.1.我国钢筋发展简史我国钢筋发展简史 2.2.分类及其特性分类及其特性 ?合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 ?钢筋标准的修订钢筋标准的修订 ?热轧钢筋生产的工艺热轧钢筋生产的工艺 ?铌微合金化作用机理铌微合金化作用机理 ?铌微合金化钢筋生产工艺铌微合金化钢筋生产工艺 3 概述 4 发展简史 ?建筑结构钢材用量约占全部钢材的25%左右。钢筋是建筑钢材中的主要产 品，它除了碳素钢筋外，大量的是低合金钢筋。 ?建国初期至60年代中期，我国钢筋标准基本是参照前苏联的同类产品标准而 制定的，主要是碳素钢钢筋。即使在1963年和1965年修订的标准中纳入的低 合金钢号，如18MnSi,25MnSi，沿用通用标准低合金结构钢钢号和一般技 术条件(YB 1363)，尚未形成钢筋的专用钢号。 ?从60年代开始，我国大力发展低合金钢，先后研制成功了若干低合金钢种系 列的钢筋新品种，并将部分比较成熟的钢种纳入了钢筋标准，初步形成了以 钢筋性能划分的钢筋强度级别系列。 ?80年代初开始至今，特别是经过“六五”、“七五”期间对低合金钢筋从生产工 艺、品种、性能以及钢筋外形等方面，全面针对国外先进水平进行科技攻 关，又研制成功一批钢筋新品种，形成目前的微合金化III级钢筋系列品 种。 ?2005年钢筋标准的修改将会进入新的阶段，指标趋于合理，完善。 5 分类及其特性 ?钢筋按使用要求分为钢筋混凝土结构用钢筋和预应力混 凝土结构用钢筋。 ?钢筋按强度级别分为，级，其屈服强度和 抗拉强度s/b依次为235/370，335/510，400/570， 500/630(MPa)。其中除级钢筋为低碳钢外，其余均为 低合金钢。 ?预应力热处理钢筋(原称级钢筋)，低合金钢筋,强度为 1325/1470(MPa)。 ?高强度精轧螺纹钢筋，低合金钢筋,其强度为 750/930(MPa)和880/1080(MPa)。 6 分类及其特性 ?热轧钢筋。 ?热处理(调质热处理、轧后 余热处理)钢筋。 ?冷加工(冷拉、冷拔、冷轧 等)钢筋。 ?超细晶粒钢筋。 390345295235日本 390295235前苏联 420220德国 400，415300美国 460250英国 370（级）335（级）235（级）中国 屈服强度（级别），MPa国家 钢筋按加工工艺分为钢筋按加工工艺分为 7 合金元素在钢中的作用 8 合金元素在钢中的作用 固溶强化作用固溶强化作用 9 元素强化主要机制 10 碳的作用 1.1.碳钢组织随碳含量不同而改变，含碳量小于0.8%的钢由先共析铁素体珠光体组成。碳钢组织随碳含量不同而改变，含碳量小于0.8%的钢由先共析铁素体珠光体组成。 2.2.对于亚共析钢，增加0.1%碳，硬度增加25HB，拉伸强度增加8MPa，塑性和韧性显著降低。对于亚共析钢，增加0.1%碳，硬度增加25HB，拉伸强度增加8MPa，塑性和韧性显著降低。 碳含量对热轧碳钢的影响碳含量与钢的低温韧性碳含量与钢的低温韧性 11 锰的作用 ?对组织的影响 锰强烈地降低钢的Ar1、Ar3和Ms温度和共析点的碳含量以及钢中相变 的速度。锰也降低共析体（平衡状态的珠光体）中的碳含量；结果 使铁碳平衡相图中的共析点S向左下方移动，显著降低奥氏体分解 速度，增加淬透性。 ?对性能的影响 锰在钢中部分与铁互溶，形成固溶体（铁素体或奥氏体）；部分和 铁、碳化合，形成渗碳体。锰强化固溶体的效果不太大，作用不及 碳、磷、硅；在增加合金强度的同时，对其延展性却几乎没有任何 影响。对低碳钢有显著影响，原因降低钢的共析点的碳含量，导致 珠光体量增加，减少铁素体量。由于降低奥氏体-珠光体转变速度, 使珠光体细化,提高钢的强度。 12 硅的作用 （1）对临界转变温度和组织的影响 硅提高钢在加热和冷却时的临界转变温度，增加热滞后作用。在 碳含量为0.40时，每1的硅约使Ac3和Ar3升高4050，Ac1和 Ar1升高约1520。小于2.5%的硅含量对对Mf影响不显著 由于硅提高钢的共析转变温度，使珠光体转变在较高温度下进 行，在较高硅含量的钢中，在一般冷却条件下，不易获得较细的珠光 体组织。硅是强烈促进石墨化的元素。固溶态使奥氏体粗化。 （2）对性能的影响 硅固溶于铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度的作用，在 常见元素中，仅次于磷，而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。但硅 含量若超过3，将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。显著提高 强屈比。 13 钒的影响 （1）对组织的影响 钒是强铁素体和圈形成元素，和铁素体形成连续固 溶体；钒主要以碳化物形式存在，钒和氮的亲和力很强， 易形成氮化物。 （2）对性能的影响 细化晶粒，提高钢的晶粒粗化温度，降低过热敏感 性，并提高钢的强度和韧性； 高温融入奥氏体时，增加钢的淬透性。以碳化物形式 存在时降低钢的淬透性； 增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。 14 铌的影响 （1） 对组织的影响 铌提高铁的A3 点温度降低A4 点温度，缩小 相区。细化晶 粒，提高晶粒粗化温度，降低钢过热敏感性和回火脆性。以碳化 形势物存在时降低钢的淬透性；以固溶铌状态存在时；增加钢的 淬透性和淬火后的回火稳定性。固溶在奥氏体中的微量铌，可以 推迟先共析铁素体的析出，加大奥氏体开始分解析出珠光体的时 间，但对贝氏体的转变几乎没有影响，同时提高贝氏体转变温 度，是形成贝氏体的有利元素。钢中加入0.05%Nb，可使晶粒粗化 温度提高到1050。 （2） 对性能的影响 铌对钢的性能影响，错综复杂，条件的不同会发生相反的结 果。对于低碳低合金钢加入0.005%0.05% 的铌能够提高屈服强 度和冲击韧性，降低韧脆转变温度，改善焊接性能。尤其对Mn含 量高的钢种。其主要作用是：细化晶粒、铌的固溶在铁素体的强 化和碳氮化铌沉淀析出强化。 15 钢筋标准的修订 16 钢筋的化学成分 -0.020.08-0.801.201.401.800.400.4845Si2MnTi -0.050.121.001.401.101.500.400.5045SiMnV -0.080.150.701.001.401.800.360.4640Si2MnV -1.201.600.601.000.200.3025MnSi 0.0450.045-0.020.05-1.201.600.170.370.170.2520MnTi -0.040.121.201.600.200.800.170.2520MnSiV -0.05-1.001.500.170.170.2520MnNb(b) -1.201.600.400.800.170.2520MnSi 0.0450.045-0.300.600.120.300.140.22Q235 SP NbTiVMnSiC钢号 强度 级别 17 钢筋的性能 1499-91 1.54 1.425 1.52 bs, 45SiMnV 90º, d=5a 90º, d=6a 10885590 1025 2832 40Si2MnV 25MnSi 20MnTi 90º, d=3a 90º, d=4a 14590400540 825 2840 20MnSiV 180º, d=4a284020MnNb(b) 180º, d=3a 18510335460 82520MnSi 冷弯 d-弯心直径 a-钢筋直径 伸长 率 5, % 抗拉强 度 b, MPa 屈服强 度 s, MPa 公称直径钢号 强度级 别 b s 1.25 18 钢筋的性能 1499-1998 1.26 1.425 1.52 bs, 6a 7a 12630500 625 2850 同上 HRB500 25MnSi 20MnTi 180º, d=3a 180º, d=4a 14570400 825 2840 20MnSiV HRB400 180º, d=4a284020MnNb(b) 180º, d=3a 18490335 82520MnSi HRB335 冷弯 d-弯心直径 a-钢筋直径 伸长 率 5, % 抗拉强 度 b, MPa 屈服强 度 s, MPa 公称直径钢号 强度级 别 19 GB1499.2-XXXX 5.0 5.0 7.5 总伸长 率 Agt% 1.26 1.35 1.28 bs, 5a 6a 14630500 625 2850 HRB500 180º, d=4a 180º, d=5a 16540400 825 2840 HRB400 180º, d=4a2840 180º, d=3a 17455335 825 HRB335 冷弯 d-弯心直径 a-钢筋直径 伸长率 A, % 抗拉强 度 b, MPa 屈服强度 s, MPa 公称直径 钢 号 强度级 别 20 ?标准的指标趋于合理标准的指标趋于合理 ?需要对抗震钢筋的指标进一步修订需要对抗震钢筋的指标进一步修订 ?地震区建筑用钢的抗震性能，作为高应变低周疲劳问题，必须具有较地震区建筑用钢的抗震性能，作为高应变低周疲劳问题，必须具有较 高的韧性与较高的塑性。高的韧性与较高的塑性。 ?发生地震时，交变地震载荷使建筑结构钢承受高应变低周(HSLC)疲 劳。HSLC疲劳寿命主要取决于塑性(延性)，还要有一定的强度。 ?1995年1月17日日本阪神地震时，兵库县南部发现钢结构建筑箱形柱 体脆性断裂，未见明显的塑性变形痕迹，断裂不仅发生在焊缝，还发 生在远离焊接区，此时气温较低，可判定为低温脆性断裂。 ?阪神地震后，报导(参考消息1995227第7版)“日本建筑物设 计注意坚固性而忽视柔性，抗震性不如美国”。美国科学美国人 1995年4月在“作好下一次大地震的准备”一文中提出：“日本和美国的 工程师在工程哲理方面的差别，前者强调牢固性，后者则注重塑 性”(参考消息)1995516第7版)。 Q235 20 27J DBTT 16Mn 21 20MnSi 20 27J DBTT 16Mn 21 20MnSi 20 1 1 21 热轧钢筋的生产工艺 22 400MPa 级热轧钢筋的工艺途径 级热轧钢筋的工艺途径 ?主要工艺途径 微合金化微合金化余热处理余热处理超微晶化超微晶化 25MnSi25MnSi 20MnSiNb20MnSiNb (0.030.05%Nb)(0.030.05%Nb) 20MnSiV20MnSiV (0.040.08%V)(0.040.08%V) 20MnTi20MnTi (.010%Ti)(.010%Ti) 轮缘回火轮缘回火韧芯回火韧芯回火 Q235(DIFT)Q235(DIFT) d d 6 6mm 1 1 23 TMCP 控制机理与超细晶钢生产工艺 1）再结晶轧制尺寸：）再结晶轧制尺寸：40µ；最细 尺寸：µ；最细 尺寸：1520 µ µ 2）TMPC最细 尺寸：最细 尺寸：10 µ ；µ ； 3）微合金）微合金TMPC最细 尺寸：理论计算和实验室证明极限为最细 尺寸：理论计算和实验室证明极限为5 µ 4）形变诱导铁素体相变细化 尺寸：实验室1 µ ，生产2 µ µ 4）形变诱导铁素体相变细化 尺寸：实验室1 µ ，生产2 µ DIFT、DRF 变形晶粒、形变诱导铁 素体、体素体动态再结晶 变形晶粒、形变诱导铁 素体、体素体动态再结晶 Ae3 24 余热处理钢筋 注重开发回