고강도 철근: 생산 및 특성

1. 서문

고강도 철근은 건설 산업의 중추이자 골격으로 간주됩니다. 현재 고강도 보강재의 개발 분야는 크게 다섯 가지로 나뉩니다:

• 500MPa 이상의 강도를 가진 고강도 철근의 연구, 개발, 홍보 및 구현을 강조합니다.
• 내진 보강재의 생산과 활용에 중점을 두고 있습니다.
• 부식 방지 보강재의 연구, 개발, 홍보 및 구현을 강조합니다.
• 비용 효율적인 고성능 보강재의 연구, 개발, 홍보 및 적용을 강화합니다.
• 고강도 보강을 위한 응용 기술 연구에 집중하고 있습니다.

이 문서에서는 건축용 고강도 철근 및 500MPa 이상의 내진용 철근의 특성과 생산 공정에 대해 간략하게 설명합니다.

2. 500MPa 이상의 고강도 보강재 생산 공정

2.1 500MPa 고강도 보강재 생산 공정

500MPa 고강도 철근의 주요 생산 공정은 저합금강 20MnSi에 미세 합금 원소인 바나듐을 첨가하고 저렴한 질소를 활용하여 침전 강화를 달성하는 것입니다. 이를 통해 강철은 500MPa의 강도를 달성할 수 있습니다.

바나듐 미세합금 기술은 비용 효율적이고 합리적인 조성 설계, 안정적인 보강 성능, 높은 강도 대 수율, 우수한 저온 및 용접 성능 등 여러 가지 장점이 있습니다.

이 공정은 500MPa 고강도 보강재를 생산하기 위한 최적의 방법으로 간주됩니다.

2.1.1 컴포지션 설계 및 기계적 특성

GB1499.2(2016년 개정)는 HRB500의 화학 성분 및 탄소 등가물이 표 1에 나열된 요구 사항을 충족해야 한다고 명시하고 있습니다. 또한 바나듐, 니오븀 및 티타늄 를 필요에 따라 추가할 수 있습니다.

GB1499.2(2016년 개정)의 표 1에는 500MPa 고강도 보강재의 화학적 조성 및 기계적 특성 요구사항이 요약되어 있습니다.

2.1.2 기술적 경로

500MPa 고강도 철근을 생산하기 위한 기술 공정에는 압연 후 폐열 처리, 초미립자 및 미세합금이 포함됩니다.

처음 두 가지 방법은 저합금강 20MnSi의 구성을 활용하는 반면, 미세합금 공정은 20MnSi에 바나듐, 니오븀, 티타늄과 같은 미세합금 원소를 추가하는 것입니다.

1) 미세 합금

미세 합금 기술은 강철의 기계적 특성 야금학적 방법을 통해 20MnSi 강철에 미세합금 원소를 첨가하여 강화합니다. 강화 메커니즘에는 강철의 미세 합금 원소와 탄소 및 질소 원자로부터 고융점, 고경도의 탄화물 및 질화물이 형성되는 과정이 포함됩니다.

한편으로, 이러한 탄화물과 질화물의 침전은 오스테나이트 입자 경계는 가열하는 동안 오스테나이트 입자의 성장을 방해하고 미세 입자를 강화합니다.

반면에, 이러한 탄화물과 질화물은 변형 중 또는 변형 후에 오스테나이트 를 페라이트로 전환하면 철 격자의 전위 이동을 방해하고 강수량 강화로 이어집니다.

2) 초미립자 기술

초미립자 기술은 제어 압연과 제어 냉각을 결합한 최신 생산 공정으로, 미세 합금 원소를 추가할 필요가 없습니다. 이 공정을 구현하려면 철강 압연 생산 라인 전체의 온도를 컴퓨터로 제어해야 하며, 특정 철강 압연 공정 시스템은 철강의 종류와 사양에 맞게 조정되어야 합니다.

이 기술은 재결정 제어 압연, 비재결정 제어 압연, 변형 유도 페라이트 변형 및 페라이트 동적 재결정 메커니즘을 조합하여 입자 크기와 미세 구조를 제어하여 궁극적으로 강철의 미세 입자 강화를 달성합니다.

3) 압연 후 잔열 처리

압연 후 폐열 처리 기술은 미세 합금 원소를 첨가할 필요가 없는 공정입니다. 이 기술은 열간 압연과 열처리 공정을 통합하여 열간 압연 후 표면 냉각을 위해 철근을 온라인으로 담금질한 다음 철심의 폐열을 사용하여 철근의 표면층을 템퍼링하는 방식입니다. 이렇게 하면 철근의 표면 구조가 강화된 소르바이트 형태로 변모하여 마텐사이트 방향으로, 코어는 펄라이트의 상대적 함량이 높은 정제된 페라이트 및 펄라이트 구조가 됩니다. 이를 통해 궁극적으로 미세 구조 강화를 통해 20MnSi 강철은 500MPa의 강도 수준에 도달하게 됩니다.

압연 후 열처리 및 초미립자 기술은 미세 합금 원소를 추가할 필요가 없지만 장비 비용이 높고 강도 대 수율 비율이 낮으며 노화가 진행되기 쉽습니다. 따라서 이러한 방법은 용접이나 표면 손상을 이용한 기계적 연결에는 적합하지 않습니다.

미세합금 기술은 철강 압연 생산 라인에 온도 제어 장비가 필요하지 않기 때문에 설비 비용이 가장 낮습니다. 또한 강도 대 수율 비율이 높고 노화 민감도가 낮으며 용접 성능이 우수합니다.

제품 성능과 생산 비용을 비교한 결과, 500MPa 고강도 철근을 생산하는 데 가장 적합한 기술적 방법은 미세합금 공정을 이용하는 것이라는 결론을 내릴 수 있습니다.

GB1499.2(2016년 개정)의 표 2에는 600MPa 고강도 보강재의 화학적 조성 및 기계적 특성 요구 사항이 요약되어 있습니다.

2.2 600MPa 고강도 보강재 생산 공정

2.2.1 컴포지션 설계 및 기계적 특성

현재 중국의 사강, 청강, 지강 등의 제철소는 600MPa 열연 변형 봉강을 성공적으로 생산한 검증된 실적을 보유하고 있습니다.

GB1499.2(2016년 개정)의 표 2에는 600MPa 고강도 보강재 HRB600의 화학적 조성 및 기계적 특성에 대한 요구 사항이 요약되어 있습니다.

2.2.2 기술적 경로

현재 중국의 많은 철강 공장에서 건설 프로젝트에 활용되는 600MPa급 고강도 철근을 생산할 수 있습니다. 그러나 이러한 철근의 화학적 조성, 상 변화, 미세 구조 진화 및 압연 및 냉각 생산 공정과의 관계에 대한 연구는 제한적입니다. 이로 인해 미세 합금 기술과 제어된 압연 및 냉각 공정의 부적절한 매칭으로 인해 고가의 비용이 낭비되고 있습니다. 합금 원소 철근의 요구되는 기계적 특성을 충족하지 못합니다.

사강, 청강, 지강 등 HRB600 생산에 성공한 국내 철강 공장에서는 주로 바나듐을 첨가하여 강도를 크게 향상시키는 바나듐 합금 기술을 채택하고 있습니다. 니오븀, 티타늄 및 공정 제어를 통해 600MPa의 고강도 철근을 생산하는 것은 아직 드문 일입니다.

바나듐 합금 기술은 전 세계적으로 고강도 용접 가능한 철근을 개발하는 주요 기술 경로입니다. 공정 제어는 제어 압연 및 제어 냉각 또는 압연 후 열처리를 통해 달성할 수 있습니다. 고강도 철근은 주로 저온 압연과 급속 냉각을 통해 제어 압연 및 제어 냉각을 통해 생산되며, 입자 크기를 줄이고 강도를 향상시킵니다.

중강도 및 저강도 철근과 동일한 생산 공정을 사용하여 합금을 통해 600MPa 고강도 철근을 생산하면 몇 가지 이점이 있습니다. 첫째, 생산 라인의 변형과 장비 개조를 위한 비용 투입 등 관련 문제를 피할 수 있습니다. 둘째, HRB600 신제품의 대규모 신속한 생산 및 홍보에 도움이 됩니다.

그러나 강도를 높이기 위해 합금에만 의존하면 합금 비용이 증가하고 합금 함량이 높으면 구조적 이상이 발생할 수도 있습니다.

결론적으로, 현재 600MPa 고강도 보강재를 생산하는 공정 경로는 주로 합금화이며 공정 제어로 보완됩니다. 초기 단계에서는 600MPa 고강도 철근의 생산 공정이 중강도 및 저강도 철근의 생산 공정에 최대한 근접해야 광범위한 채택과 적용이 용이합니다.

3. 내진용 고강도 보강재 생산 공정

고성능 철근에 대한 중국 건설 업계의 수요가 증가함에 따라 건축 구조물의 안전성과 내진성에 대한 우려가 널리 퍼져 있습니다.

3.1 컴포지션 설계 및 기계적 특성

GB 1499.2-2007 표준에는 보강재의 내진 성능 지수가 국가 표준으로서는 처음으로 포함되었습니다. 대표적인 내진 보강 지수는 강도-항복률(R ˚ m /R ˚ eL), 수퍼 내진(super 굽힘 비율 (R ˚ eL/ReL), 최대 힘에서의 총 연신율(Agt)입니다.

표 3과 표 4는 국내 제철소에서 생산된 HRB400E 및 HRB500E 내진 보강재의 화학 성분 및 기계적 물성 지수를 보여줍니다. 이 지수는 다중 샘플 검사를 통해 얻은 것입니다.

표 3 내진용 고강도 보강재 %의 HRB400E 및 HRB500E 화학 성분

표 4 내진용 고강도 보강재 HRB400E 및 HRB500E의 기계적 물성 검사

3.2 기술적 경로

3.2.1 미세합금 기술

고변형 저주기 피로 성능은 철근의 주요 내진 지수입니다.

내진용 철근의 고변형 저주기 피로 성능을 향상시키는 주요 방법은 미세합금을 사용하는 것입니다. 이 기술은 입자를 미세화하고 강도를 강화하여 철근의 종합적인 특성을 개선하기 위해 국내외에서 널리 사용되고 있습니다.

중국에서는 미세 합금 원소로 바나듐을 선호하며 동시에 소량의 질소를 첨가하여 V (C, N) 침전상의 수를 늘립니다. 이는 침전 강화 및 미세 입자 강화의 역할을 강화하고 강철의 내진 성능을 크게 향상시킵니다.

일부 연구자들은 Cr+V 미세 합금 공정을 사용하여 600MPa 등급의 미세 입자 고강도 내진 보강재를 개발하는 데 성공하기도 했습니다. 바나듐은 강철에 V(C, N) 화합물을 형성하는 데 사용되어 강도를 크게 향상시킵니다. 또한 일정량의 크롬을 첨가하여 보강재의 내진 성능을 향상시킵니다. 최종 기계적 특성은 600MPa 미세 입자 고강도 내진 요구 사항을 충족합니다.

보강재의 금속학적 구조는 가장자리와 중앙에 "페라이트+펄라이트"로 구성되어 있으며, 서비스 성능에 부정적인 영향을 미치는 베이나이트 또는 가장자리 템퍼링 구조가 없습니다.

3.2.2 미세 결정화 기술

일본은 큰 변형 압연과 동적 재결정을 결합하여 입자 구조를 미세화하는 미세 결정화 기술을 오랫동안 연구해 왔습니다. 그 결과 685~980MPa의 강도 범위를 가진 초고강도 내진 보강재를 개발했으며, 이는 국제적으로 선진적인 수준으로 평가받고 있습니다.

반면 중국은 변형과 위상 변환을 결합하여 입자 미세화를 달성하는 데 주력하고 있습니다.

미세 입자 철근은 넓은 범위의 주기적 소성 변형과 재료 변형 시 균열 발생 가능성이 낮은 것으로 알려져 있습니다. 또한 이 철근은 폐열 처리된 철근에 비해 사이클 인성이 높고 사이클 피로 수명이 짧습니다. 또한 초미립자 강철은 더 나은 용접성 페라이트 펄라이트 강철보다 더 높습니다.

그러나 미세 입자 철근의 실제 적용에는 여전히 몇 가지 한계가 있습니다. 여기에는 장비 및 공작물 크기에 대한 엄격한 요구 사항, 대형 철근의 변형 및 고르지 않은 냉각으로 인한 불균일한 미세 구조 및 특성, 입자 크기가 너무 작을 때 인장 강도보다 항복 강도가 더 많이 증가하여 강도 수율 비율이 감소하는 문제 등이 포함됩니다. 또한 미세 입자강은 입자 구조가 미세하고 입자 경계가 많아 내식성이 낮습니다.

따라서 미세 결정화 기술의 추가 개발이 필요합니다.

4. 결론

고강도 철근을 생산하는 세 가지 일반적인 방법은 미세 합금, 미세 결정화, 폐열 처리입니다.

다른 두 공정에 비해 미세 합금강 봉강은 안정적인 성능, 변형 노화에 대한 민감도가 낮고 용접 성능이 우수하다는 장점이 있습니다.

폐열처리 철근은 열간 압연 철근을 담금질하여 생산하므로 강도가 향상됩니다. 이 공정은 자원과 에너지 효율이 높아 생산 비용을 절감할 수 있습니다.

미세 입자 철근은 내진 보강에 필요한 강도와 인성 요건을 모두 충족할 수 있습니다.

이러한 발전에도 불구하고 위의 프로세스에는 여전히 다음과 같은 몇 가지 과제가 남아 있습니다:

• 미세합금 기술의 높은 생산 비용;
• 폐열처리 보강재의 낮은 연성, 용접성, 기계적 연결 성능 및 시공 적응성;
• 미세 결정화 기술의 복잡성과 강화재의 낮은 강도 수율.

따라서 고강도 철근을 생산하기 위해서는 실제 적용 요구와 비용 효율성에 따라 미세 합금화, 미세 결정화, 폐열 처리 기술을 효과적으로 결합하는 것이 중요합니다. 이를 통해 합금 원소의 추가를 줄이고 생산 비용을 낮출 뿐만 아니라 강철의 기계적 특성 바.