高强度耐火钢筋生产技术研究

2018-07-03   作者：佚名   网友评论 0 条

 　周和敏1,2，武兵强1，王长城3，蔡恒忠4，李存旺4

　　（1.钢铁研究总院先进流程与材料国家重点实验室（北京，100081）

　　2.钢研晟华科技股份有限公司3.江苏盐城联鑫钢铁有限公司4.广西盛隆冶金有限公司）

　　1 引言

　　热轧钢筋主要包括带肋钢筋和光圆钢筋，是重要的钢筋混凝土用钢材，广泛应用于钢筋混凝土建筑的受力主筋、箍筋、配筋等。近些年，随着国民经济的迅速发展，我国城市建设突飞猛进。根据GB50016-2014《建筑设计防火规范》的规定，建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的非单层厂房、仓库和其他民用建筑，建筑高度增加后，建筑的防火问题就成为直接关系到人身财产安全的重要问题[1]。日本钢结构安全设计规范中规定，常温下钢材屈服强度的2/3相当于该材料的长期允许应力值，当发生火灾时，如果耐火钢的屈服点仍然能保持此值，建筑物就不会倒塌。根据标准火灾时间温度曲线，火灾发生后30分钟温度可达到800℃，60分钟可接近1000℃。由于普通建筑用钢在温度达到600℃时，屈服强度明显下降，不到室温状态下屈服强度的1/2，因此，使得普通钢结构建筑在火灾面前容易出现灾难性后果。钢筋混凝土结构所采用的钢筋、水泥、砂石等建材在高温作用下的理化性能发生改变，混凝土内的钢筋受到温升的影响抗拉强度会降低，碳酸盐、硅酸盐在高温下会发生分解反应而使砌体破坏，因此，钢筋的保护层厚度以及钢筋在高温下的性能，均会影响梁、柱、板等钢筋混凝土结构构件的耐火极限以及发生火灾后建筑物的加固修护。

　　根据建筑用钢的一般要求，耐火钢筋可以定义为：钢中加入适量的耐火合金元素，如Cr、Ni、Mo、Nb、V等，使其具有在600℃时其屈服强度不低于常温屈服强度2/3的耐火性能，按热轧状态交货的钢筋。确定建筑用高强度耐火抗震钢筋的性能指标如下：

　　（1）耐火性能:Rel,600℃≥(2/3)Rel,20℃；

 　　表1  耐火钢筋高温性能

　　（2）室温力学性能及其他质量指标满足普通建筑用钢标准的要求；

　　（3）抗震性：室温下(Rm/Rel)≥1.25，屈服强度波动范围尽量小；

　　（4）焊接性良好；

　　（5）其他特殊性能根据具体要求设定，如耐大气腐蚀和耐氯离子腐蚀。

　　鉴于我国钢筋年产量达2亿多吨，而耐火钢筋的开发在国内是空白，为了解决钢筋在高层或超高层建筑的耐火性能问题，正在制定了耐火钢筋相关标准，并开展耐火钢筋实验和现场试生产工作，取得了一定进展。

　　2 耐火钢筋实验研究

　　2.1合金元素对耐火性能的影响

　　Mo、Cr是提高钢的高温强度最为有效的合金元素，但很贵重，如在钢中添加大量的这类元素将大幅度增加生产成本，这对使用量大而广的结构材料是不可行的[2,3]。另外，Cr，Mo等合金元素会增加钢的淬透性，提高碳当量，对焊接性不利。因此，建筑用耐火钢中这类合金元素含量应远远低于耐热钢。Mo元素在耐火钢主要起到固溶强化的作用，以固溶形式存在于钢中的Mo的含量约占90%，并且随着温度的升高没有显著变化。随着Mo含量的增加，髙温强度增加十分明显，使YS比（高温屈服强度与低温屈服强度比）上升，室温强屈比提高，既提高了高温性能又相对提高了抗震性能。Mo元素在钢中起到一定的析出强化效果，其析出物主要有MoC和Mo2C。发现Mo2C在钢中比较粗大，对钢的强度作用很小，而细小的MoC对钢的高温强度贡献比较明显。Cr可以有效地提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能，可以有效地提高钢的高温强度[4]。

　　耐火钢的另一个主要强化方式是碳化物的析出强化作用，微合金化元素Nb，V，Ti析出物具有良好的高温稳定性，对提高钢的高温强度会产生有益的影响。日本通过在钢中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素开发出了耐火温度为600℃的建筑用耐火钢，韩国侧重于Nb、V、Ti等微合金化元素的影响并降低了Mo的含量。经过研究发现Mo对高温屈服强度的提升大于Nb，耐火钢中均添加一定量的Mo，同时也添加Nb，V，Ti等元素。

　　由于原材料成本的增长，Mo、Ni、Cr、Nb、V、Ti等合金价格呈现翻番增长态势。根据耐火钢筋生产的技术要求，在炼钢工序需要加入镍铁、铬铁、钒铁或钒氮合金。如果利用海砂矿、红土镍矿廉价原料，代替部分钼铁合金，开发含铬镍的新型耐火钢筋，将有利于降低钢铁企业的生产成本。

　　2.2 海砂矿红土镍矿直接还原技术

　　试验用红土镍矿取自菲律宾，其成分见表2。红土镍矿含有大量结晶水，总水分含量高达32%-35%。为确保合金冶炼炉况稳定，镍矿在入炉前必须进行脱水至8~10%处理。需要研究烘干工艺制度（烘干温度、烘干时间）对脱水率的影响。海砂矿取自印尼，其成分见表3。