第二章400MPaⅢ级热轧钢筋生产技术

第二章400MPaⅢ级热轧钢筋生产技术第一节热轧钢筋及其性能要求555．热轧钢筋是怎么分级的?钢筋钢是指建筑行业钢筋混凝土结构配筋用的专用钢材品种，属于轧制中小型材，表面设计呈光面、月牙肋或等高肋的螺旋状花纹。低等级钢筋属于碳素钢类，中高等级钢筋选用微合金化钢生产，目前都采用转炉或电弧炉冶炼，经连铸成方坯、热送或直接轧制成各种类型和不同规格的钢筋。钢筋钢包括钢筋混凝土用热轧带肋钢筋、高强度精轧螺纹钢筋、热处理钢筋、冷拉低碳钢丝及预应力混凝土用钢丝等几大类。以热轧带肋钢筋为主体，列入了屈服强度235MPa工级钢筋、屈服强度335MPaⅡ级钢筋、屈服强度400MPaⅢ级钢筋、屈服强度540MPaⅣ级钢筋。其中，Ⅲ级钢筋含有屈服强度为400MPa的普通级、440MPa的余热处理级和440~540MPa的较高质量级三个级别，见背面表2-2。556．我国钢筋标准是怎么演变的?我国最早制定的《钢筋混凝土结构用热轧螺纹钢筋》(重Ⅲ一55)沿用A3钢，品种单一，无等级，至YB17l一63列入16Mn钢筋，由于强度不足，后调整为20MnSi钢。至YB171—69，形成了由屈服强度235MPa的I级钢筋至屈服强度590MPa的Ⅳ级钢筋，还包括屈服强度：1420MPa的预应力混凝土用热处理钢筋的系列。GB1499—9l将Ⅲ级带肋钢筋的屈服强度由370MPa调至400MPa。20世纪60年代末至70年代初，是我国钢筋新品种开发的高峰期，除Si—Mn外，研制了Si—V、Si—Ti、Si—Nb、Mn—Si—V、Mn—Si—Nb等五个钢种系列近20个牌号，具有中国特色的是对硅元素的情有独钟，微合金化元素开始应用于钢筋生产。在以后的三十多年的二段时期内，20MnSi钢筋几乎一统天下，固步不前。进入改革开放阶段，钢筋生产开始导人微合金化技术，并试生产调质型钢筋和轧后余热处理钢筋，GB1499—98基本上与国际相接轨。但之后的若干年内生产与应用335MPaⅡ级钢筋的习惯倾向十分强烈，400MPaⅢ级钢筋的比例仅数十万吨，示范工程的推广阻力极大。在将400MPaⅢ级钢筋纳入国家标准《混凝土结构设计规范》，并编制相应的设计手册后，我国钢筋生产的更新换代跨出了极其重要的一步，以不同工艺生产(表2-1)，年增长率达85％。557．2DMnSi钢筋合金设计有哪些不足?20MnSi钢筋的化学成分规范见表2-3。微合金化Ⅲ级钢筋源自20MnSi钢，但20MnSi钢筋的合金设计的不足之处在哪儿呢?首先是碳，其碳含量较高，对加工性和焊接性有不利的影响，现代合金设计已摒弃增碳作为高强度的主要手段。第二是硅，硅在钢中不形成碳化物，而以固溶体的形式存在于奥氏体或铁素体中，它的主要作用如下：(1)固溶强化，由0．25％增至0．8％使抗拉强度的增量达到25MPa；(2)促进铁素体的粗化；(3)促进柱状晶发展；(4)冷作硬化倾向；(5)降低焊接性。第三是锰，锰与碳的结合力略强于铁，一部分形成(Fe，Mn)3C，存在于珠光体内，更主要的是进入固溶体，起固溶强化作用，每增加0．0l％锰大致产生1MPa的强度增量。类似于硅的作用，在高温下促进晶粒的粗化，抑制铁素体形成而促进中温转变。所以，20MnSi的成分并不合理，以其为基础生产Ⅲ级钢筋并不理想，应当改变观念，将碳、硅、锰含量往下限调，加人微合金化元素，以晶粒细化和析出强化机制取代固溶的强化方式。558．我国每年生产多少钢筋?建筑业是我国国民经济重要的基础产业之一，热轧带肋钢筋又是建筑业使用量最大的钢材品种。近十年国家在房地产开发方面的投资逐年增长，占固定资产总投资的比重也逐年增加，2002年房地产业开发投资达7736亿元，比重为17．9％。1998—2002年国内钢筋的消费量合计为1．5656亿t，仅2002年混凝土构件用钢筋消费即为4560万t，占建筑业当年钢材总消费的41．68％，占我国同期钢材总消费的22．92％，见表2-4。其中400MPa级及400MPa级以上的钢筋还不到200万t，仅占钢筋的总产量的4％，而国外发达国家这个比例为75％，差距甚大。据不完全统计，2003年我国400MPaⅢ级钢筋的产量虽增长很快，但也只有580万t。在未来20年内，国民经济的持续高速发展，城镇化的加强，需要钢铁业在钢材数量品种和质量等各方面的保证，钢材消费的品种结构会有不少变化，钢结构的比重将不断增大，但钢筋混凝土结构仍会占有不可替代的主体地位，预测2005年我国钢材总消费规模约2．8亿t，建筑业钢材需求为13925万t，2010年我国钢材总消费将达到3．1亿t，建筑业用钢量将增至15640万t。同期对钢筋的总需求为9200万t和12500万t，其中400MPaⅢ钢筋的比例分别按8％和24％估算，总需求规模将在800万t和3000万t左右。559．为什么钢筋要与混凝土相结合使用?在未来的发展中，钢结构的比例会有增长，但钢筋混凝土结构仍是建筑的主体。一方面节能的余热处理钢筋和高强度的热处理钢筋会有所进展，但微合金化钢筋将继续以主流工艺发展。优先采用钢筋混凝土有它的重要原因：(1)在一定长度内，混凝土与钢筋间相互发生负荷转移；(2)钢筋必须有高弹性模量，以便使整个结构具备高度刚性；(3)混凝土与钢筋间不得有任何有害的物理、化学现象产生；(4)钢筋必须具备各种交付形状和长度，能满足各种不同建筑结构的要求；(5)具有宽阔的结合空间，而板材与棒材相比使用性较差，因为后者形式多样且能在较大范围内满足钢筋截面计算值的要求；(6)钢筋还必须能与建筑物形状完全相配，因而需具有较大灵活性及较易弯曲；(7)钢筋能够通过搭接或焊接等连接技术形成机械连接件；(8)钢筋能承受运输、仓储、捆扎及现场存放的恶劣条件而性能没有较大退化，微小损伤不影响其性能；(9)预应力建筑结构须保证在遭受腐蚀时不突然倒塌或断裂；(10)钢筋能够为建筑物提供足够的疲劳抗力，而混凝土不能承受动态承载力；(11)钢筋能为建筑物提供足够的延性；(12)钢筋能承受剪应力、拉力及压力；(13)预应力钢筋的松弛必须适度；(14)钢筋能在较大温度范围(一60℃～+80℃)正常使用。如需在极限温度条件下使用，其性能可以预测；(15)钢筋的质量通常条件下能弥补建筑物的一些微小缺陷。560．对热轧钢筋有哪些基本性能要求?(1)强度是钢筋最基本的性能。一般受力钢筋强度越高，性能就越好，但也有一定限度。由于钢材弹性模量基本为一常值(ES≈2．0×105MPa)，强度过高时高应力引起的大变形(伸长)将影响正常使用(挠度、裂缝)。故混凝土结构中钢筋设计强度限为360MPa，太高的强度没有意义。提高强度主要靠材质改进(合金化)；也可通过热处理和冷加工提高强度，但延性损失太大；变形钢筋的基圆面积率(扣除间断横肋后承载截面积与公称面积之比)对强度也有一定影响。(2)延性是钢筋的变形能力，通常用拉伸试验测得的伸长率来表达，强屈比也反映了其延性。但目前通用的伸长率指标(δ5、δ10、δ100)因标距不同，只反映颈缩区域的局部残余变形，且断口拼接测量误差较大，难以真正反映钢筋的延性。目前，国际上已开始用最大拉力下的总伸长率(均匀伸长率占δgt)来描述钢筋的延性，是比较科学的指标，见表2-5。影响钢筋延性的因素是材质，碳当量加大虽能提高强度，但延性降低。钢筋冷加工后δgt值呈数量级减小(δgt由加工前超过20％降到加工后的2％左右)，而且随时效仍有发展，面缩率较大时尤具脆性。抗震结构对受力钢筋有明确的延性要求。(3)冷弯性能是为满足钢筋加工的要求。在弯折、弯钩或反复弯曲时，钢筋应避免裂缝和折断。延性好的钢筋弯弧内径小，施工适应性强。(4)焊接性能是钢筋应用时应考虑的问题。碳当量较高时焊接性能变差，超过0．55％时不可焊。通过热处理、冷加工而强化的钢筋，焊接会引起焊接区钢筋强度的降低，使用时应予以注意。(5)锚固性能及锚固延性(大滑移时仍维持锚固)是钢筋在结构中与混凝土共受力的基础。光面钢筋靠胶结及摩擦，受力性能较差；变形钢筋以咬合作用持力，与其外形有关，取决于钢筋的横肋高度，肋面积比(横肋投影面积与表面积之比)以及混凝土咬合齿的形态。(6)质量的稳定性对受力钢筋十分重要。规模生产的钢筋产品一般均质性好，质量稳定。小规模作坊式生产的冷加工钢筋一般离散度大，力学性能不稳定，不合格率高。在母材不稳定和缺乏管理和检验的情况下将十分严重，往往影响结构的安全可靠性。561．钢筋的使用性能有哪些?(1)疲劳强度。显示较低载荷反复作用下的疲劳强度是钢筋研发阶段和制订设计规范前必须考核并做出评价的性能之一，影响疲劳强度的主要因素有应力集中、组织不均匀性以及环境条件，表面平滑的钢筋抗疲劳性能较好，表面形状变化较大的钢筋易在形状突变处应力集中而诱发疲劳破坏。(2)应力松弛性能。钢筋在长时受力下应力松弛的现象，将增大结构变形、降低结构耐久性，本质上是由于钢材内部位错的消散和间隙原子的脱溶引起的。(3)低温性能。随着环境温度下降，钢筋的拉伸性能、冲击韧性的变化，尤其是对焊接的适应性及焊接接头性能的变坏，将严重影响钢筋混凝土结构的稳定性和耐久性。(4)耐蚀性。因混凝土掺水而引起钢筋的锈蚀，最终导致结构的损毁。对于特殊环境下的结构，如码头、桥墩、海底建筑等，设计部门的主导意见是对钢筋进行镀锌处理，或采用不锈钢钢筋，设计寿命则由30年延至100年。(5)耐久性。耐久性影响结构的工作寿命，直径较细的钢筋对锈蚀比较敏感。影响锈蚀的主要因素是环境、混凝土保护层和钢筋表面状态(是否有防护层)。港工、水工、化工、市政工程对耐久性有较高要求。(6)交货状态。交货状态对施工影响很大。直径12mm及以上的钢筋以直条交货，在结构配筋中形成许多接头。细钢筋一般以盘条交货，减少了接头，但使用前须增加调直工序，对强度有一定影响。钢筋性能与应用要求的相关性见表2-6。562．建筑市场对钢筋需求有哪些变化?(1)目前，我国正经历计划经济到市场经济的过渡期，经济环境已由物资匮乏转向市场调控。建筑钢材供应已由长期紧缺到已形成积压，供需矛盾已由对数量的要求转向对高质量的期望。(2)由于经济发展和国力增强，建筑结构的安全度将逐步提高，钢筋消耗量将有较大增长。建筑费用中结构造价尤其是钢筋材料所占比例已经很小，因此为适当提高安全度而增加配筋将不会引起造价的较大波动，近期修订的荷载规范和设计规范试行的结果，钢筋用量已较过去有较明显的增长。(3)对钢筋性能的要求已由单纯追求强度到考虑综合性能，特别是对延性的要求。工程事故和震害调查表明，结构安全隐患往往并非强度不足而多为变形能力差(脆性)。此外，塑性内力重分布、极限设计等也对钢筋的延性提出了更高的要求。因此，延性已成为钢筋的主要性能，其重要性并不亚于强度，而且更甚。(4)均匀伸长率和强屈比已成为衡量钢筋延性的重要指标。若干国际标准中钢筋不仅有强度等级，已明确提出按均匀伸长率和延性分级要求。对受力钢筋的最低要求是δgt≥2％～2．5％，高延性钢筋则要求δgt≥5％～6％。在我国均匀伸长率的简易测定方法已经列入有关的钢筋标准中，新修订的设计规范也明确提出抗震结构中钢筋实测强屈比不小于1．30的延性要求，随着技术发展，今后对钢筋延性的要求将更为明确。(5)由于结构体型加大，荷载增加，混凝土强度普遍提高，要求受力钢筋具有更高的强度。目前，我国主导钢筋仍为低强的I、Ⅱ级(235MPa、335MPa)钢筋，往往造成了构造不便和施工困难。先进工业国家已普遍采用400MPa级钢筋；500MPa级钢筋的应用也已开始，新修订的混凝土结构设计规范将400MPa的Ⅲ级钢筋作为主导受力钢筋，引导设计者采用强度较高的钢筋。(6)大型土木工程(水坝、桥墩、海洋平台等)对直径大于40mm的粗钢筋提出需求。而住宅产业成为建筑市场的主体以后，墙、板配筋及分布筋、构造筋的需求将会大幅度增长。因此，直径12rmn以下的细钢筋的市场将明显扩大。(7)随着建筑业工厂化程度的提高，对钢筋制成品(网片、骨架)的需求将增加。这一方面可减少现场工作量，加快施工速度；另一方面，工厂化的产品质量可靠。路面、