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我国建筑用钢筋、线材品种的优化

日期:2017-04-29 / 人气:

目前,我国处于工业化和城镇化快速发展时期,建筑业发展十分迅猛,已成为我国国民经济的重要产业之一,而钢铁材料始终是建筑结构的主体材料,建筑用钢材需求量较大,约占钢材消费量的50.5%。建筑用钢类型包括钢筋、线材、板材、型钢、钢管和涂镀层板等,由于我国的基础设施仍然是以钢筋混凝土为主要材料,所以多年来钢筋和线材一直在建筑用钢中消费量最大。2006年我国钢筋产量8304万t,占钢材总产量的17.8%,比2005年增加了16.6%;2006年我国线材产量7151万t,占钢材总产量的15.3%,比2005年增加了18.3%,线材主要用途是直接作为钢筋混凝土的配筋,只有小部分线材(约20%~25%)经再加工成制品使用。
    建筑业的发展对建筑用钢的性能、质量也提出了更高的要求,应加快建筑用钢品种优化与更新换代的步伐。同时,随着我国与国际接轨的步伐加快,我国的建筑用钢不仅要满足国内建设的需要,而且要积极加入国际市场的竞争,满足国际市场的需要。
    我国建筑用钢筋、线材品种现状及其发展趋势
    不同的工程结构对建筑用钢筋、线材的品种、规格、质量、强度等级等要求是不同的。其使用对象包括房屋(含住宅、公共实施、办公、商业楼房、厂房等)、铁路、公路、矿山、桥梁、隧道、堤坝、电站、容器、装备、码头、机场和其他工程建筑。建筑用钢筋、线材及其深加工制品按结构和用途可分为混凝土结构用钢,如钢筋、钢丝、钢棒、钢铰线;钢结构用钢,如铆螺钢、焊材钢;建筑五金用钢等。按钢种可分为普通碳素结构钢、低合金结构钢等。按特殊用途可分为耐侯钢、耐火钢、抗震钢等。
    在热轧带肋钢筋方面,GB1499标准已向国际先进标准看齐,规定了400MPa、500MPa级别钢筋的要求,我国2006年HRB400钢筋的产量已达1000万吨以上,现正进一步扩大应用范围。一些企业也开始研制HRB500钢筋,还有一些企业长期批量按英标生产出口460MPa级钢筋以及加标、日标、美标、新加坡标准等钢筋。我国的冷加工钢筋技术发展和产品更新换代也很迅速,预应力钢筋正向高强度、粗直径、低松弛、大盘重方向发展。
    纵观我国建筑钢筋、线材的发展历史,趋势是普通钢筋已从低碳低合金钢向微合金化钢、余热处理钢筋发展;冷轧、冷拉钢筋从普遍被采用到低档产品将被淘汰出局,而作为细规格的冷轧钢筋、冷轧扭钢筋仍将会是普通钢筋的一种补充;预应力钢筋从强度偏低、松弛较大向高强度的钢线、钢铰线发展。
    与国际先进水平相比,我国建筑钢筋、线材品种的发展还存在一定的差距,主要表现为:
    (1)尽管我国推广应用
    HRB400钢筋取得了一定的效果,但目前使用比例只占钢筋总量的12%左右,大量使用的仍然是强度较低的HRB335钢筋,而国外已大量使用460MPa、500MPa级钢筋。尽管我国钢铁企业引进或自制了多条余热处理生产线,但由于使用观念、钢筋连接技术等存在问题,余热处理钢筋的应用受到限制。
    (2)在热轧光园钢筋方面,我国大都将热轧光园钢筋直接用于建筑,而国外一般冷加工后再使用,且我国的热轧光园钢筋强度级别很低,一般为屈服强度235MPa级,在产品和设计方面国标都应进行完善。
    (3)在冷加工钢筋方面,存在生产规模小、产品工艺和质量欠稳定、钢材原料规格、质量配套研究不够、高性能产品推广应用受到限制等问题。
    (4)在预应力钢筋方面,存在低强度级别的低碳钢丝、冷拔钢筋等仍大量使用的问题。今后中小预应力结构应注意应用800MPa以上级的冷轧带肋钢筋,根据市场需求,适当发展铁道轨枕用热处理高强度钢筋、PC钢棒等产品。
    (5)在功能性钢筋方面,我国目前还缺乏耐腐蚀、耐火、耐侯钢筋等产品。
    应发展和关注的建筑用钢筋、线材品种
    (1)余热处理钢筋
    生产余热处理钢筋时,利用轧制余热,在轧钢作业线上直接进行热处理。其基本原理是钢筋从轧机的成品机架轧出后,经冷却装置进行快速表面淬火,然后利用钢筋芯部热量由里向外自回火,并在冷床空冷至室温。该技术能有效地发挥钢材的性能潜力,通过各种工艺参数的控制能改善钢筋的性能,在较大幅度提高钢筋强度的同时,保持较好的塑韧性,完全能保证钢筋的综合性能满足要求。同时,大幅度降低了合金元素用量,节约了生产成本,用余热处理工艺生产英标460MPa级钢筋,以目前市场价格计算,每吨钢材可节约成本200元以上。我建筑业应用余热处理钢筋可实现强度等级的升级,节约钢材用量,增加建筑物的安全性。从理论上分析,335MPa级钢升级为460MPa级钢可节材27%以上,400MPa级钢升级为460MPa级钢可节材13%。更重要的是实现强度等级升级同时,不需要消耗大量微合金化元素的资源,有利于科学发展。
    余热处理钢筋在国外已广泛应用,典型例子是英标460MPa级、500MPa级钢筋。英标BS4449因其科学性和适用性而受到国际建筑业的推崇,许多国家和地区普遍采用BS4449标准。英标钢筋与我国和其它国家钢筋标准中同类钢筋相比,不但强度要求较高,而且对冷弯和反弯性能要求更严,因此,其质量要求较高。BS4449标准中没有规定具体的加入合金元素和成分范围,国外企业生产英标钢筋一般是用碳素钢采用余热处理工艺,我国出口的英标钢筋也大量采用了余热处理工艺。新加坡标准SS2:PART2中500MPa钢筋,加拿大标准G30.18中的400R、500R钢筋,美国ASTMA615/A615M标准中的60级(420MPa)、75级(520MPa)钢筋,德国标准DIN488/1中的BST420S、BST500S钢筋等都可采用余热处理工艺生产。国外余热处理钢筋的广泛应用表明,余热处理钢筋在建筑上包括在重要建筑上的应用是可靠的、可行的。
    (2)超细晶热轧钢筋
    近年来的材料学研究可使普通C-Mn钢获得超细晶组织,已有试验获得了2~3μm的超细晶铁素体组织,屈服强度超过了400MPa。日本住友工业公司用C-Mn-0.03%Nb钢轧制出了晶粒尺寸为5.5μm,屈服强度为了454MPa,直径为32MM的优质棒钢。超细晶热轧钢筋通过控制轧制的方法,以细化钢材的晶粒和组织为技术核心,在保证良好的塑、韧性前提下提高钢材的强度,可明显地节约生产成本,同时做了到高性能和低成本。该产品是一种值得重视、值得发展的钢材品种。
    (3)多种微合金化方法试制HRB400钢筋
    目前我国推广应用HRB400等高强度钢筋已是发展趋势,但生产HRB400钢筋的方法过于单一,尽管国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》(GB1499-1998)规定可采用钒、铌、钛等微合金化元素,但是长期以来仍主要采用钒铁或钒氮合金微合金化工艺,一旦钒铁或钒氮合金价格大幅度增加,则生产成本急剧提高,严重影响了HRB400钢筋的推广应用。
    钒铁和钒氮合金涨价后,国内许多企业转而试制20MnSiNb钢筋,工作得到稳步推进并取得了一定的效果。以目前市场价格计算,每吨钢材可节约成本30元左右。
    国内有的企业组织试制过20MnTi钢筋,取得了初步的成功,但需进一步解决一些生产技术问题。
    总之,微合金化方法的多样化有利于资源的均衡、合理利用。
    (4)促进HRB400、HRB500钢筋的推广应用
    我国钢筋的发展经历了由低强度向较高强度发展的过程。建国初期采用碳素钢Ⅰ级光面钢筋;上世纪70年代初期,出现了16MnⅡ级钢筋、25MnSiⅢ级钢筋、45MnSiV、40Si2MnV和45Si2MnTiⅢ级钢筋;70年代后期,20MnSiⅡ级钢筋取代了16Mn钢筋,至今仍是主导钢筋产品;90年代后期,HRB335、HRB400和
HRB500钢筋纳入制定的GB1499-1998热轧带肋钢筋标准中。目前我国广泛采用的仍然是HRB335钢筋,重点推广的是HRB400钢筋,约占钢筋总产量的12%,其产量比例呈上升趋势。HRB500钢筋只有生产标准,缺乏建筑规范,在建筑中几乎没有应用。
    HRB400级钢筋具有强度高、延性好、节约用材、降低排筋密度、性能稳定、应变时效敏感性低、安全储备量大、焊接性能良好、抗震性能好、韧脆性转变温度低、高应变低周疲劳性能好等优点,因此其更适用于高层、大跨度和抗震建筑结构,使用后具有巨大的经济效益和不可估量的资源、交通、能源、环保等方面的社会效益,其应用必将越来越广泛。HRB500钢筋是我国目前最高强度等级的热轧钢筋,用它取代HRB335钢筋可以节约用量33%,取代HRB400可节约20%的用量,尽管推广应用还面临着规范缺乏等困难,但在我国推广应用500MPa级钢筋只是时间问题。
    (5)其它高强度钢筋、功能性钢筋
    一些高层建筑、立交桥、大跨度的厂房、地下管桩等需要强度更高的热轧钢筋,如590MPa级热轧钢筋,其塑性和冷弯要求比照GB1499-91中的Ⅳ级钢筋,而强度要求更高。具体性能要求是Ф10~25mm规格,屈服强度≥590MPa、抗拉强度≥885MPa、延伸率≥10%,冷弯90°、D=5A合格。可采用45SiMnV、45Si2Cr等钢号试制。
    高强度热轧小规格螺纹钢筋是值得关注的品种。在混凝土结构用钢筋中,约有1/5~1/4是直径小于12mm的细直径钢筋,主要用作板、墙类构件的受力钢筋及梁、柱构件中的箍筋,也大量用作架立筋、分布筋、构造筋。通过微合金化和控冷技术,可研制抗拉强度级别更高的800~1170MPa级6~L2MM热轧带肋钢筋盘条,取代目前800~1170MPa级冷轧带肋钢筋盘条使用。优点是塑性好、粘着力好、减少了冷轧工序。但还需做配套的产品和设计标准制定和修改工作。早在20世纪70年代原联邦德国就开发出了850MPa以上级高强度精轧螺纹钢筋并获专利权,后被美、日、英等国家引进,20世纪80年代大力发展,广泛用于特大型建筑、框架结构、桥涵等工程。885MPa级高强度精轧螺纹钢筋具体性能要求是,屈服强度≥850MPa、抗拉强度≥1080MPa、延伸率≥10%;也有用户提出按美国ASTMA722-95DE要求,屈服强度≥830MPa、抗拉强度≥1035MPa、延伸率≥7%,冷弯90°、D=8A合格。生产时需同时采用微合金化技术和余热处理技术。
    矿山用无纵肋热轧左旋带肋钢筋是为了满足矿山建设需要而研制的一种钢筋,钢筋的横肋旋向采用左旋,钢筋外形、尺寸及允许偏差要求更严。目前常用的屈服强度级别为335MPa,其试制的性能指标参照HRB335钢筋,可研制并推进应用屈服强度级别为400MPa的或更高强度级别的钢筋。
    随着科学技术的发展,环境保护要求给工程材料提出了更高的要求,所以钢筋的耐腐蚀性能已成为工业化国家的主要研究课题,提高钢筋的使用寿命的各种耐腐蚀钢筋、耐侯钢筋正在不断得到应用。需通过加入耐腐蚀元素或采用涂层、阻锈剂等,研制、生产不同强度级别的耐侯钢筋和在特殊场合使用的耐腐蚀钢筋。
    (6)建筑标准件用冷镦钢盘条
    如:SWRCH8-22A系列自攻螺钉用盘条,SWRCH35K系列高强度紧固件盘条,35CrMo、40CrNiMo(SCM435、SNCM240)——10.9级、12.9级高强度紧固件盘条,ML15MnVB高强度螺栓、柱、钉用盘条,按照日本JISG3508标准开发牌号为SWRCHB220-SWRCHB823的冷镦含硼钢盘条等。
    还有非调质冷镦钢盘条,包括:(A)双相钢盘条——可添加少量微合金化元素,采用控制冷却,紧固件厂可不再进行热处理。(B)低碳微合金化型非调质冷镦钢盘条。(C)低温控轧型微合金化型非调质冷镦钢盘条。
    试制免退火的低碳钢线材、免退火的冲压用低氧低硫钢、免退火的冲压用螺栓含硼钢。
    试制免正火钢、缩短渗碳时间钢、减少合金元素的调质钢、耐延迟断裂性能钢。
    (7)高碳钢盘条
    开发预应力钢丝、钢铰线用高碳钢盘条。技术难点是高碳钢(C>0.72%)易出现碳偏析,对线材的控冷要求严格,否则会产生中心网状碳化物和芯部马氏体缺陷。需要严格控制成分的均匀性和限制残余元素含量,在确保线材高强度的同时,具有高的塑韧性。应适应高速连续拉拔和尽量减少中间退火工序。研究内容包括:钢的纯净度提高、成分性能的稳定性提高、索氏体化率、非正常组织、表面质量、钒铬微合金化等。
    (8)其它专用盘条
    建筑用焊丝盘条是线材产品发展中的一个不可忽视的品种,其技术特点是化学成分设计必须和母材配套,多为低碳微合金钢。应注意耐腐蚀焊丝等特种焊丝的开发。
    低碳易拉丝钢盘条可广泛用于建筑领域,钢种有1008等。
    弹簧钢盘条主要有四类:碳素弹簧钢、合金弹簧钢、油淬火回火弹簧钢和形变热处理弹簧钢盘条。目前我国生产的弹簧钢丝主要为碳素钢,市场缺口较大,特别是油淬火一回火合金弹簧钢丝,国内基本上不生产。
    30MnSi、30MnB等PC钢棒盘条,09CrPV、09CuPV等用于钢铝复合导线的耐候钢盘条,轨枕钢筋用盘条,混凝土增强用钢纤维用盘条等都在建筑领域有一定的应用。

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