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世界高强度建筑钢筋的最新技术进展
时间：2012-10-25
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钢筋混凝土的使用有悠久的历史。20世纪初，第一部钢筋混凝土设计规范在欧洲和美国诞生,它使人们认识到作为混凝土结构的钢筋需要使用专门设计的钢材。最初的技术只是采用简单的圆钢和方钢,后来也使用过钢轨和型钢。真正建筑用钢筋的生产始于20世纪30年代,人们开始认识到除抗拉强度外,钢筋与混凝土之间的黏结性也是非常重要的性能。
混凝土钢筋的高强度化是其重要的发展方向。最初人们通过提高钢中碳、锰含量,生产出了最早的高强度钢筋,其碳质量分数约为0.35%,锰质量分数随钢筋尺寸的变化控制在0.90%~1.45%的范围内,钢筋的屈服强度达到350MPa~400MPa。与此同时,另一种获得高强度钢筋的方法是冷变形,它通过冷拉低碳钢来提高强度,其主要问题是塑性低、与混凝土的黏结性能不好。热轧+扭弯工艺是欧洲曾经普遍应用的高强度钢筋生产技术,即“热轧扭钢筋”,其屈服强度范围为360MPa~400MPa,少量也应用到500MPa级。出于成本方面的考虑,“热轧扭钢筋”逐步消失并被同级的热轧钢筋取代。
进入20世纪70年代,焊接钢筋得到快速发展,它促进了钢筋生产技术的转变。微合金化钢筋的开发,使得钢筋的生产技术前进了一大步。微合金化钢筋主要是利用Ti、Nb、V等微合金化元素,在低碳锰钢上生产出高强度钢筋,改善了钢筋韧塑性和焊接性。另一种新的钢筋热处理技术,即众所周知的“Tempcore”工艺和“Thermex”工艺，首先在欧洲获得了成功应用,它被称为“余热处理钢筋”或“穿水钢筋”。这种钢筋利用轧后高温直接进行淬火,然后通过芯部余热进行自回火。余热处理钢筋是目前欧洲高强度钢筋的主流生产工艺。微合金化和余热处理是当前国外焊接高强度钢筋生产的两种主要工艺,目前世界各国广泛使用的高强度钢筋,包括400MPa(III级)、500MPa(IV级)、600MPa(V级)钢筋,基本上都采用这两种工艺生产。
高强度钢筋的生产技术
钢筋的性能主要取决于钢的化学成分和生产工艺参数。考虑到焊接技术在现代建筑上的广泛应用,依靠增加钢中碳含量和碳当量来提高强度的方法是不可行的。为了弥补降碳引起的强度损失,目前高强度钢筋的主要生产技术包括余热处理、微合金化和细晶化。
余热处理工艺
轧后余热处理工艺是欧洲高强度钢筋最主要的生产路线。钢筋轧后余热处理包括三个阶段：第一阶段为表面淬火阶段。钢筋出轧机后进行高效快冷,此时表面层发生马氏体转变,芯部的热量来不及传出,仍处于奥氏体状态。第二阶段为自回火阶段。钢筋芯部的热量向表面传递扩散,使表面淬火马氏体发生回火转变,转变为回火马氏体,芯部仍保留奥氏体组织。第三阶段为芯部组织转变阶段。钢筋在冷却过程中,芯部的冷却速度较小,发生铁素体+珠光体转变。 通过分析国外高强度余热处理钢筋典型的化学成分，发现余热处理工艺生产的高强度钢筋中合金含量低,具有明显的成本优势。除一次性设备投入外（轧后水冷装备）,生产成本的增加很少。因此,余热处理工艺是低成本高强度钢筋生产的一条有效途径。
微合金化技术
微合金化使用了两种先进的强化方式，即晶粒细化和沉淀强化来提高钢的强度。钢中添加微量的Ti、Nb、V微合金化元素,一般加入量(质量分数)在0.02%~0.15%的范围内,结合适当的工艺控制,可使钢的强度成倍提高。微合金化技术是20世纪下半叶钢铁物理冶金领域最重大的成就之一,它为高强度钢的生产提供了一条经济有效的途径。各种微合金化方式的选择取决于它们与钢中O、S、C、N等元素的结合力、不同温度下各种微合金化元素碳氮化物的溶解度以及钢铁产品的具体生产工艺条件。除了技术方面的考虑外,经济性也是决定工艺选择的重点内容。
研究证明,V-N微合金化是生产高强度钢筋的一条经济有效途径。采用V-N微合金化,充分利用廉价的氮元素,促进了钢筋中V的析出,显著提高了V的沉淀强化效果,达到了节约合金含量、降低钢成本的目的。与V微合金化相比,V-N钢筋中V用量节约50%,充分体现了技术经济的优势。V-N微合金化钢筋具有性能稳定、强度波动范围小、应变时效敏感性低、焊接性优良等特点,满足抗震、耐火的设计要求。
细晶粒钢筋技术
在“973”超细晶粒钢项目研究成果的基础上,中国开展了高强度细晶粒钢筋的生产技术研究工作。通过在Ar3附近进行变形,利用形变诱导相变(DIFT)技术,可获得超细晶粒组织,这样在普通碳素钢的基础上,依靠细晶强化使钢的强度成倍增加,达到400MPa、500MPa级的高强度钢筋要求。晶粒细化是在提高强度的同时又能改善韧性的有效手段。但细晶化降低了钢的强屈比,依靠细晶强化的碳素钢钢筋和20MnSi钢钢筋强屈比均降低到1.20以下,而抗震钢筋要求强屈比高于1.25。细晶粒钢筋的另一个问题是焊接性,焊接过程的高温将导致焊接热影响区晶粒长大,从而使焊接接头出现软化。提高细晶粒钢筋的强屈比、研究细晶粒钢筋的连接技术是今后推广细晶粒钢筋的工作重点。另外,目前国内大多数棒材生产线还不能满足超细晶钢筋的生产条件,需要进行必要的设备改造才能胜任。
钢筋的功能化
抗震、耐火钢筋
地震、火灾是建筑物破坏的天敌,抗震设计是建筑设计的重要组成部分,特别是对处于地震地区的建筑物来说尤为重要。为了满足建筑物抗震设计的要求,西方国家对抗震钢筋进行了深入系统的研究,提出了明确的抗震钢筋指标要求。首先,抗震钢筋需要高强度,欧洲标准明确指出抗震钢筋强度为400MPa、500MPa以上级别的高强度钢筋,多数欧洲国家已经全部使用500MPa以上级别的高强度钢筋。其次,对钢筋的塑性指标提出了更高要求,包括强屈比大于1.20或1.25、最大载荷伸长率大于8%或10%、钢筋性能的一致性,即窄屈服点波动范围,要求控制实际屈服点与指标值之比小于1.20或1.30。各国抗震钢筋的指标体系不尽相同,有些标准规范还有对钢筋大应变低周疲劳性能、应变时效性能、均匀伸长率等提出了具体要求。
日本是地震多发国家,在抗震建筑用钢的研究上代表了世界先进水平。1995年阪神大地震后,日本在总结经验教训的基础上,对其抗震建筑用钢体系进行了全面的改进提高。为了提高建筑物的抗震性能,日本采用细晶化技术开发出了屈服强度685MPa级、980MPa级USD685、USD980超高强度抗震钢筋,并提出屈服点伸长率要求的抗震钢筋新指标。地震发生的同时往往容易引起火灾,因此对建筑钢筋的耐火性能提出了要求,一般用600摄氏度的高温强度来评价钢的耐火性能。
耐蚀钢筋
考虑到建筑物的耐久性,即使用寿命成本,对钢筋的耐腐蚀性能提出了要求,特别是对一些腐蚀环境下的建筑物,如海港、码头、跨海大桥、海洋工程建筑物等。表面涂层技术广泛应用于耐蚀钢筋,包括环氧树脂涂层钢筋、镀锌钢筋等。表面处理虽然能够明显地提高钢筋本身的耐腐蚀性能,但涂镀层钢筋无法通过焊接连接，施工过程中容易造成表面涂层的破坏,加重局部点蚀的发生,因此涂镀层耐蚀钢筋在实际使用上受到很多限制。
欧美国家为了使建筑物使用寿命达到100年的设计要求,开发使用了不锈钢钢筋。与普通钢筋相比,不锈钢钢筋不仅具有优良的耐腐蚀性能,还具有高强度、高塑性、优良的高温和低温性能以及良好的疲劳性能。不锈钢塑性能量消耗是普通碳钢的两倍以上,具有良好的抗震性能。不锈钢优良的高温性能满足了耐火钢筋的要求。优良的低温韧性可确保低温环境下结构的安全性。混凝土中的pH值是碱性或近中性,在此环境下不锈钢不会发生一般的腐蚀,唯一需要考虑的是其点蚀倾向。研究结果显示,高氮不锈钢具有优良的抗点蚀性能。不锈钢钢筋的主要缺点是成本高,但从全寿命成本的角度考虑,其维护费用大大降低,因此不锈钢钢筋的使用是延长建筑物寿命的一条经济有效途径。
结语
高强度钢筋是西方发达国家主要的建筑钢筋。欧洲建筑钢筋已经升级到以500MPa的IV级钢筋为主,日本开发出了屈服强度为685MPa~980MPa的超高强度钢筋,并用于高层建筑建造。中国建筑市场目前还是以335MPa的II级钢筋为主,经过近年来各方努力,400MPa的III级钢筋的用量仅占1/3左右,500MPa的IV级钢筋基本没有使用,与世界先进水平有很大差距。促进钢筋品种的升级换代,扩大III级、IV级钢筋的应用比例是中国建筑钢筋领域一项长期而艰巨的任务。
以上新闻转载自中国冶金报，天津建科机械数控钢筋加工设备可加工高强钢筋，完成高强钢筋的调直弯箍弯曲切断，钢筋各种成型工序！
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