13-耐腐蚀复合钢筋的生产工艺和技术

耐腐蚀复合钢筋的生产工艺和技术主讲人：程知松北京科技大学冶金工程研究院高效轧制国家工程研究中心2015-06-25目录1.耐腐蚀复合钢筋的发展背景2.不锈钢/碳钢复合钢筋的性能3.不锈钢/碳钢复合钢筋的生产工艺1发展背景.2001-2011年，美国用于维护各类钢筋混凝土结构桥梁的费用为63亿美元。.每年墨西哥有330座桥梁需要对钢筋的腐蚀情况作详细地检查；65座桥梁亟待维修。.我国北方地区由于使用化冰盐，致使许多桥梁和路面都出现了严重的锈蚀问题；北京和天津的很多立交桥因为锈蚀问题而不得不进行维修。我国于2004年5月提出：在特别严重的腐蚀环境下，要求确保百年以上使用年限的特殊重要工程，可选用不锈钢钢筋。1.1钢筋混凝土结构的腐蚀和原因钢筋混凝土结构是现代社会发展中发挥着重大作用的建筑建构，众多林立的由钢筋混凝土所筑成的大厦和桥梁等建筑物组成了我们生活的城市。但是日常生活中我们也会经常看到类似如下图所示的场景。Cl-CO2，O2高温，潮湿在混凝土结构中，钢筋的腐蚀导致土木工程以及基础设施的破坏，已经成为困扰科研工作者的世界性问题已被破坏的锈迹斑斑的混凝土钢筋结构1.2防腐蚀钢筋为了延缓钢筋的腐蚀速率，解决腐蚀引起的问题，学者们对许多技术进行了研究。目前，防止、延缓建筑钢筋腐蚀的方法主要有两类，一种是减缓腐蚀的开始时间，就是腐蚀性物质达到建筑里钢筋表面造成腐蚀时最大时间，包括添加防锈剂，使用低渗透度的水泥，增加钢筋上的混凝土层的厚度的，但这会增加建筑自身质量和成本，因此应用不广。第二类的方法是延长腐蚀周期，就是从腐蚀开始到使用寿命结束，包括使用实心不锈钢筋，环氧涂层钢筋，钢筋阻锈剂钢筋，以及镀锌钢筋等。环氧树脂涂层破坏环氧涂层钢筋的锈蚀1.3各种防腐蚀钢筋的缺点种类缺点实心不锈钢钢筋成本高，价格昂贵钢筋阻锈剂一般都含有亚硝酸盐成分，对环境有一定的影响；耐久性不够环氧涂层钢筋环氧涂层降低了钢筋与混凝土的粘结强度；局部点腐蚀镀锌钢筋在进行弯曲等加工时容易造成热浸锌覆盖层的剥落；当环境pH值超过13.3时，热浸锌覆盖层就几乎起不到任何保护作用了。四种主要的防腐蚀钢筋的缺点2不锈钢/碳钢复合钢筋的性能不锈钢/碳钢复合钢筋是一种内芯部为普通碳素钢、外部覆层为不锈钢，利用加工工艺使两部分金属达到冶金结合的一种性能优越的钢筋。不锈钢碳钢复合钢筋因为外部覆层使用不锈钢材料，可以有效的抵抗外部环境的腐蚀作用，而其内芯部分采用合适的碳素结构钢又能满足工程上的力学性能要求。不锈钢/碳钢复合钢筋的截面不锈钢覆层碳钢芯部2.1力学性能由左图拉伸曲线可以看出，复合钢筋在拉伸过程中未出现类似单一金属的屈服振荡阶段，而是直接进入强化阶段，这应该是由于两种金属的屈服极限不一致造成的。可以看出明显的弹性变形的过程，材料的强化阶段较长，平缓，抗拉强度约为550Mp，延伸率约为45%。整个拉伸过程中，曲线连续平滑，无较大的波动，证明两金属在拉伸变形过程中是均匀协调的变形，没有出现由于接触面开裂引起某一金属单独承主要担载荷的情况。不锈钢/碳钢复合钢筋的力学机械性能基本由芯部碳钢决定，其热传导系数和磁性等物理性能与普通钢筋相似，拉拔试验中也显示出了明显的固态加工特点。由于两种材料的延伸率不同，在拉伸缩颈的区域两金属间必然存在剪切应力，当它小于结合界面的剪切强度时，两金属不会撕裂。右图中可以看出合格的覆层钢筋的断口，结合面没有分离，两金属的缩颈变形一致。但在剪切唇处的接触界面有很浅的缝出现，这是由于拉伸断裂时，裂纹由内向外伸展，造成碳钢芯先断裂，不锈钢壳后断，使断口呈现出略微的不连续。拉伸曲线拉伸断裂截面2.2抗腐蚀性能在防腐蚀性能研究方面，上个世纪末，拉希达扎法等人经过长时间的研究和对比试验，分别将使用普通碳钢、镀锌、环氧树脂涂层以及不锈钢复合钢筋的混凝土试样暴露在热侵蚀环境中7年，同时将混凝土中水泥氯化物的含量分别设计成0.6%、1.2%、4.8%三个级别，得到如下试验结果：（1）普通碳钢和镀锌钢筋在三个氯化物含量级别中都可以观察到严重的锈蚀破坏现象，镀锌钢筋只是起到了延迟腐蚀的作用；（2）环氧树脂涂层钢筋在0.6%和1.2%两个级别中表现出色，但在4.8%级别中出现了严重腐蚀现象，混凝土呈现出破坏性发裂；（3）不锈钢/碳钢复合钢筋表现出色，具备较好的持久抗蚀效果，在三个级别的试验中均没有出现腐蚀痕迹。通过上述对比试验得出以下结论：在钢筋混凝土结构中采用不锈钢/碳钢复合钢筋的抗腐蚀性能是最好的。不锈钢/碳钢复合钢筋具有优异的抗腐蚀性能，并且完全满足工程中的需要，其成本相对实心不锈钢钢筋要低廉很多，能够取代在工程中所使用的实心不锈钢钢筋和其他防腐蚀钢筋。3.不锈钢/碳钢复合钢筋的生产工艺早在1982年国外就提出了复合棒材的概念，开始有企业和学者开始对不锈钢复合钢筋进行研究和大量生产，上世纪末，国外才有企业突破了不锈钢/碳钢复合钢筋在技术和成本方面的瓶颈，其各种产品开始推广并应用到海港建筑、滨海电站建筑、海岸堤坝建筑、海洋隧道、桥梁建筑和海上油气田陆地终端等领域，形成一系列比较成熟的产品，具有了很好的应用前景。下面将介绍几种不锈钢/碳钢复合钢筋的生产工艺。3.1喷射沉积+轧制复合3.2中间层液相扩散复合法3.3拉拔+旋转减径机轧制复合3.4废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合3.5焊接+轧制复合3.1喷射沉积+轧制复合美国SMI-TEXAS公司开发出了采用喷射沉积工艺生产不锈钢/碳钢复合钢筋的方法。碳钢棒材不锈钢表面处理加热到1100℃N2，喷射沉积还原炉中加热融化轧制成型需添加设备材料高温还原熔化炉高温喷射装置N2优点质量、均匀性好结合强度高缺点能耗、成本较高效率较低3.2中间层液相扩散复合法大连交通大学刘世程、陈汝淑等利用铜箔做中间层，通过瞬间液相扩散复合法将碳钢、不锈钢进行复合，研究结果证实碳钢与不锈钢可以实现良好的冶金结合。实验中用此方法获得的不锈钢/碳钢复合钢筋能达到良好的抗剪强度。但这种方法能否应用于不锈钢/碳钢复合钢筋的大规模实际生产还有待进一步研究。拉拔变形示意图加热使中间层熔化，液固相金属扩散复合3.3拉拔+旋转减径机轧制复合日本黑川宣幸，中筋和行等采用旋转减径机轧制出不锈钢复合钢筋。他们将经表面处理的碳钢钢筋穿入到内表面经处理的不锈钢管中，拉拔使之紧配合，经高频加热，进入旋转减径机轧制成型。需添加设备拉拔及配套设备优点不锈钢壁厚均匀，产品质量好；结合强度高缺点拉拔速度较慢，并且这种轧机限制了轧制速度，使其并不适应现代高速连续轧制的发展要求3.4废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合生产不锈钢/碳钢复合钢筋的方法早在上世纪末已经在欧美得到了应用。美国STELAX公司和同时期的英国威尔士轧钢企业阿巴尼斯钢铁公司、日本的Nippon钢铁公司等企业利用这种方法进行了大规模的不锈钢/碳钢复合钢筋的生产。其中STELAX公司生产的NUOVINOX不锈钢/碳钢复合钢筋的原材料和成品如下图所示。废铁屑不锈钢管NUOVINOX不锈钢/碳钢复合钢筋3.4废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合NUOVINOX不锈钢外部覆层钢筋的碳钢内芯是由抗拉强度较高的废钢余料通过固态熔合技术，在全自动连续废钢处理设备上转换而成；不锈钢管是由不锈钢卷通过焊管机焊接而成。将处理后的碳钢与不锈钢钢管在600吨全自动产品压力机上压合，利用现有的热轧小型材生产工艺过程，通过加热-轧制-剪切等工序，将上述复合坯料轧制成不锈钢/碳钢复合钢筋，实现不锈钢和内部碳钢的冶金结合。其产品出厂前一般要进行外观及端部处理，表面进行酸洗除鳞，端部则一般采取不锈钢焊接、不锈钢端帽或塑料端帽等方式进行保护3.4废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合.NUOVINOX不锈钢外部覆层钢筋具有很好的耐腐蚀性能以及较高的抗拉强度，其屈服强度和延伸率基本符合美国目前执行的ASTMA615、ASTMA955及AASHTO标准.以同类型普通碳钢钢筋成本为基数1,不锈钢/碳钢复合钢筋与全不锈钢钢筋的相对成本之比为2.7/5.5=0.49，即不锈钢/碳钢复合钢筋的成本大约相当于全不锈钢钢筋的1/2左右.固态碳钢内芯的生产过程中大量使用了各类废钢余料，使该产品符合当前绿色工艺制造和循环经济理念优点需添加设备.废铁屑处理，全自动压力机及配套设备等问题.多道次孔型轧制过程，会产生侧向拉应力，在拉应力的作用下容易导致碳钢和不锈钢界面结合强度降低.孔型设计不合理易产生不锈钢壁厚不均匀.废铁屑的市场存量、价格及成分稳定性等3.5焊接+轧制复合作者所在的北京科技大学冶金工程研究院的科研人员，开展了耐腐蚀复合螺纹钢筋的研究，采用焊接+轧制的工艺方法进行复合钢筋轧制实验，并同时应用有限元软件对复合轧制进行模拟研究。碳钢棒材不锈钢薄板表面处理焊接，抽真空加热多道次无孔型轧制4道次孔型轧制待轧试件无孔型轧制后试件3.5焊接+轧制复合.经过多道次无孔型翻钢轧制后，轧件可能有较小程度的脱方.不锈钢和碳钢的四边形结合面的四条边部结合较好.四边形结合面的四个角部局部呈现出尖化的状态，角部存在裂纹等缺陷abcd轧后截面绘制图ab边中部金相200倍4%硝酸酒精a角部位金相50倍碳钢不锈钢结合界面过渡层a3.5焊接+轧制复合多道次无孔型翻钢轧制有限元模拟1/4轧件截面等效塑性应变云图左上图中反应的是不锈钢和碳钢结合角部呈现出尖化的趋势，并且这部分区域有着较大的塑性变形，与实际轧制是相符合的。究其原因应该是在多道次的翻钢轧制中，结合处角部因来回多次受两个垂直方向的压力，角部承受较大的三向应力，导致角部的应力状态比其他区域要复杂得多，就可能会引起角部产生裂纹等缺陷。左下图可以看出带肋复合钢筋复合层累积等效塑性应变最大（红色区域）的地方处于横肋边角处，沿着轧制方向的一侧。轧制过程需要注意最薄处变形，避免初始复合层太薄造成此处轧后开裂以及使用性能无法保证这两个问题都是在实际轧制过程中需要解决的问题。轧后带肋钢筋复合层等效塑性应变云图3.5焊接+轧制复合实际生产需要解决的问题：普通焊接速度慢、轧制过程中焊接区不稳定容易开裂等实际问题，这就对焊接速度和质量提出了很高的要求。具体的轧制工艺流程（孔型系统选择）也还需要进过更多的中试研究来确定。需求的设备：高速，高质量的焊接设备现实的意义：将焊接法应用到不锈钢/碳钢复合钢筋的研究生产中，是研究不锈钢/碳钢复合钢筋复合技术的一种创新；采用这种复合方法并对工艺过程进行细致的探究，是对不锈钢/碳钢复合钢筋复合理论的一项有益的研究补充；成功开发出这种新型的工艺方法将会对不锈钢/碳钢复合钢筋的工业化生产有重要的积极推动作用。解决现阶段研究中遇到的各种问题，将使焊接+轧制法应用到不锈钢/碳钢复合钢筋的生产中具有很大前景。小结：在追求资源最小消耗，效益最大获取的今天，耐腐蚀复合钢筋的生产所迫切需求的是找到一种能使生产效益最大化的方法。就现在来看废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制复合生产复合钢筋的方法不仅在国外一些钢铁公司有了一定的研究和生产实践，工艺技术相对较成熟，而且在成本的控制上也有很大的优势，在现有的钢筋生产线上添加一套废铁屑处理设备、全自动压力机和配套设备即可实现，相对来说是一种比较合理较易实现的生产工艺；拉拔+轧制的方法，如能解决其生产速度慢的问题也将成为一种可以实际应用的方法；焊接+轧制的生产方法随着焊接技术的发展，将会有很大的研究意义和前景；喷射沉积+轧制复合法由于成本高，效率较低并不适合大规模的工业化生产；中间液相扩散复合法目前能否进行大规模的工业生产还有待进一步研究。结语（1）钢筋结构的腐蚀已成为令全世界困扰的难题，耐腐蚀钢筋研发生产势在必行。不锈钢/碳钢复合钢筋由于其耐腐蚀性能和性价比方面的优势，具备了取代其他耐腐蚀产品的能力，特别是在对耐腐蚀性能要求较高的环境条件下，有很大的应用前景。（2）介绍了不锈钢/碳钢复合钢筋的五种生产工艺，说明了各种工艺的优缺点和存在的问题并指出在现阶段废铁屑、不锈钢的压缩结合+轧制的生产工艺是生产耐腐蚀复合钢筋一种较成熟的方法，拉拔+轧制复合和焊接+轧制复合两种方法也具有很