鈮在鋼筋生產(chǎn)中的應(yīng)用

1、鈮在鋼筋生產(chǎn)中的應(yīng)用1.當(dāng)代中國的鋼筋1.1概況鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼筋共有七大類:即熱軋鋼筋冷拉鋼筋冷拔低碳鋼絲冷變形鋼絲碳素鋼絲鋼絞線.應(yīng)用鋼絲的品種計(jì)19種.各類鋼筋年用量總計(jì)2000萬噸以上.這個數(shù)還在逐年增加.目前20MnSiⅡ級鋼筋占鋼筋總量90%以上成為鋼筋生產(chǎn)的主導(dǎo)產(chǎn)品.予應(yīng)力鋼筋主要使用冷拉40Si2MnVⅣ級鋼筋和冷拉Ⅱ級鋼筋.予應(yīng)力鋼筋的種類品種嚴(yán)重滯后于客觀需要.概括起來說鋼筋的強(qiáng)度級別總體為310MPa.同國際上大

2、量使用400MPa級占7080%的鋼筋差一個級別.1.2質(zhì)量問題以及影響質(zhì)量的主要因素迄今為止我國鋼筋系列是以CMnSi強(qiáng)化分級而建立的.由于珠光體的原因以C為主導(dǎo)的強(qiáng)化機(jī)制系列鋼筋(包括熱軋冷軋)由于強(qiáng)度的發(fā)展出現(xiàn)了嚴(yán)重的強(qiáng)度與延性失調(diào)主要表現(xiàn)為韌性指標(biāo)低下抗應(yīng)變時效性能差其次是施工現(xiàn)場的工藝性能:焊接冷彎調(diào)直等性能差.第三是冷加工鋼筋的延性差.上述質(zhì)量問題表現(xiàn)在各類鋼筋中為強(qiáng)度與延性不匹配材料缺口敏感性強(qiáng)抗應(yīng)變時效性差加工硬化率大加

3、工軟化等.從現(xiàn)代鋼鐵材料學(xué)考查我國鋼筋性能不穩(wěn)韌性差的主要原因是鋼中自由氮Nt和晶粒度.我國的冶金設(shè)備較為落后對這兩個因素控制不住或無力控制.這是兩個由冶金裝備所決定的物理冶金因素.影響低炭鐵素體珠光體鋼的主要因素以及冶金控制集中表現(xiàn)在如下兩個經(jīng)驗(yàn)公式σY=15.4(3.52.1Mn5.4Si23Nf121.13d12)(1)Tc(℃)=1944Si700Nf122.2珠光體11.5d12(2)晶粒度d=mm元素為百分含量Tc為韌脆轉(zhuǎn)變

4、溫度.清楚的顯示了自由氮Nf和晶粒度的d12對鋼的強(qiáng)韌性的影響.這兩個十分敏感的因素控制著強(qiáng)度與韌性.這個因素不穩(wěn)定就是材質(zhì)低劣的表現(xiàn).重要的結(jié)論:細(xì)化晶粒是提高強(qiáng)度同時又是提高韌性(降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度)的主要方法.作為細(xì)化晶粒的控制軋制和微合金化技術(shù)是有效的.1.3與國際標(biāo)準(zhǔn)差距第一我國鋼筋生產(chǎn)對自由氮含量缺乏有效控制措施.一般說轉(zhuǎn)爐鋼的自由氮含量在4080ppm而且化學(xué)成分中沒有足夠數(shù)量的固定氮元素.自由氮[Nt]對鋼筋的應(yīng)變時效性能

5、鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度以及鋼筋的冷彎調(diào)直焊接等均產(chǎn)生很壞的影響.第二晶粒度不均勻.我國鋼筋生產(chǎn)缺少細(xì)化晶粒措施.一般老式軋機(jī)難以實(shí)現(xiàn)控制軋制而微合金化技術(shù)既不普及也不發(fā)達(dá).第三國際上高強(qiáng)度級別(500MPa)一般用低炭微合金化鋼以細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化為強(qiáng)韌化機(jī)制生產(chǎn)的.這樣的鋼筋強(qiáng)度高韌性好焊接性能好.我國用中碳合金鋼生產(chǎn)500MPa級鋼筋韌性可焊性很差.和國際相比相差甚遠(yuǎn).2.鈮在鋼筋中的應(yīng)用按國際標(biāo)準(zhǔn)ISO69352:1991400MPa級

6、熱軋鋼筋是典型的高強(qiáng)韌性長條產(chǎn)品之一.除了常規(guī)力學(xué)性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)外還具有以下特點(diǎn):①鋼筋抗應(yīng)變時效抗震性能好可以滿足建筑物持久性的安全.②鋼筋的調(diào)直冷彎焊接等工藝性能好可以滿足施工現(xiàn)場的需要.用20MnSiNb按新標(biāo)準(zhǔn)GB149998組織生產(chǎn)可以達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn).方法是正彎(按規(guī)定彎曲半徑)90度后100℃加熱不大于2小時空冷至室溫反向彎曲20度.觀察彎曲面如果斷或裂均為應(yīng)變時效脆化的反應(yīng).100℃加熱為時效敏化處理.③20MnSi鋼具有應(yīng)變

7、時效傾向.因?yàn)殇撝袩o足夠的氮化物形成元素—NbVTiBAl等其中的一種或兩種.④無應(yīng)變時效傾向鋼的成分應(yīng)變時效是由鋼中間隙溶質(zhì)CN原子引起主要是氮.碳在100℃以下的作用是微弱的.成分設(shè)計(jì)的中心內(nèi)容是降低游離氮含量達(dá)到無時效的水平.鐵中0.0001%(1ppm)的氮出現(xiàn)時效現(xiàn)象而20ppm應(yīng)變時效就達(dá)到最大值.當(dāng)前煉鋼技術(shù)達(dá)到這個水平在經(jīng)濟(jì)上不現(xiàn)實(shí)普遍的是5060ppm.冶金學(xué)家的方法是加入固定氮元素.使鋼中的起時效作用的游離氮濃度接近

8、于“0“.錳的存在顯著降低應(yīng)變時效特性.錳可以降低間隙原子的可動性.參看圖1錳和氮對應(yīng)變時效指數(shù)Δy的影響.硅對韌性的影響很特殊皮克林公式總結(jié)了各種因素對韌脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響見公式(2).參看圖2.公式(2)Si的系數(shù)為44即0.1%Si可以使VTs℃升高4.4度但如圖2這是有疑問的.0.3%Si比無Si鋼韌性好得多.文獻(xiàn)指出當(dāng)Si含量超過最佳含量后Si量再增加時對韌性產(chǎn)生損壞一般說每增加0.1%Si升高脆性轉(zhuǎn)變溫度48℃.對熱軋狀態(tài)最

9、佳Si量為0.30.4%.Si改善韌性可能是SiMnN析出的結(jié)果或者是SiMn把游離氮吸附在自身周圍降低氮的活度的結(jié)果.另外Sj0.2則粗化晶粒.氮對韌脆性轉(zhuǎn)變溫度的影響對不同組織的敏感性是不同的參看圖3.對低溫轉(zhuǎn)變組織是最敏感的.含氮鋼固溶狀態(tài)是有潛在的應(yīng)變時傾向是最大的.以鈮代鋁固定氮.鋁是經(jīng)典的細(xì)化晶粒固定氮的元素作用最大的是正火法鋼中的應(yīng)用在熱軋狀態(tài)鋼中的應(yīng)用受到很大局限.連鑄出現(xiàn)后和鈮相比在熱軋材中鋁作為細(xì)化晶粒劑就不即那么重

10、要了.在高溫下Nb(CN)比AlN穩(wěn)定得多所以用鈮固定氮更優(yōu)越.3.2鈮對熱軋鋼筋的力學(xué)性能影響(1)非焊接鋼筋提高強(qiáng)度最經(jīng)濟(jì)的辦法是提高碳含量來提高珠光體的含量當(dāng)碳量超過0.35%時高珠光體含量的副作用變得非常嚴(yán)重延性急劇下降.因此一般的做法是加入少量的鈮(約0.020.05%)以便使0.35%C鋼的強(qiáng)度的以進(jìn)一步提高.從圖4可以看出含0.33%C0.02Nb鋼具有與0.40%C一樣的屈服強(qiáng)度延伸率提高了一倍.這一鋼種的設(shè)計(jì)在美國是使

11、用高溫加熱(1300℃)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)根據(jù)鋼筋不同尺寸的高終軋溫度會有一部分鈮不能在奧氏體中沉淀“可溶鈮“這個術(shù)語表示固溶中的鈮也表示γα轉(zhuǎn)變過程中或以后所產(chǎn)生的細(xì)小沉淀的鈮.“可溶鈮“的含量取決于工藝條件減少鋼筋的尺寸等于加速冷卻使“可溶鈮“的含量增加.發(fā)現(xiàn)直徑小于18mm的鋼筋其“可溶鈮“的含量減少了終軋溫度較低時有更多的應(yīng)力誘導(dǎo)沉淀產(chǎn)生.螺紋鋼筋的拉伸強(qiáng)度與“可溶鈮“的含量有良好的對應(yīng)關(guān)系特別是極細(xì)的2nm的NbC沉淀物所引起的屈服強(qiáng)