Staaf van hoogsterkte staal: Productie en eigenschappen

1. Voorwoord

Staven van hogesterktestaal worden beschouwd als de ruggengraat en het skelet van de bouwindustrie. Momenteel zijn er vijf belangrijke ontwikkelingsgebieden voor wapeningsmaterialen met hoge sterkte:

• De nadruk ligt op onderzoek, ontwikkeling, promotie en toepassing van stalen staven met een hoge sterkte van 500MPa en meer.
• Richt zich op de productie en het gebruik van seismische versterking.
• Nadruk op onderzoek, ontwikkeling, promotie en implementatie van corrosiebestendige wapening.
• Het versterken van onderzoek, ontwikkeling, promotie en toepassing van kosteneffectieve, hoogwaardige versterking.
• Gericht op het onderzoek naar de toepassingstechnologie voor wapening met hoge sterkte.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de eigenschappen en het productieproces van stalen staven met hoge sterkte en seismische stalen staven met een kwaliteit van 500MPa en hoger voor de bouw.

2. Productieproces van 500 MPa en hoger hoge sterkte wapening

2.1 Productieproces van 500MPa hoogsterkte wapening

Het primaire productieproces voor 500MPa-staven van hogesterktestaal bestaat uit het toevoegen van het microlegeringelement vanadium aan laaggelegeerd staal 20MnSi en het gebruik van goedkope stikstof om precipitatieversterking te bereiken. Hierdoor kan het staal een sterkte van 500MPa bereiken.

De vanadium microlegeringstechnologie heeft verschillende voordelen, waaronder een kosteneffectief en redelijk samenstellingsontwerp, stabiele versterkingsprestaties, een hoge sterkte/opbrengstverhouding en uitstekende prestaties bij lage temperaturen en lassen.

Dit proces wordt beschouwd als een optimale methode voor het produceren van 500MPa hoge-sterkte wapening.

2.1.1 Samenstelling en mechanische eigenschappen

GB1499.2 (herzien in 2016) specificeert dat de chemische samenstelling en het koolstofequivalent van HRB500 moeten voldoen aan de eisen die in tabel 1 staan. Daarnaast moeten elementen zoals vanadium, niobium en titanium kan naar behoefte aan het staal worden toegevoegd.

Tabel 1 in GB1499.2 (herzien in 2016) beschrijft de vereisten voor chemische samenstelling en mechanische eigenschappen voor 500MPa hogesterktewapening.

2.1.2 Technische route

De technische processen voor de productie van 500MPa-stalen met hoge sterkte omvatten warmtebehandeling na het walsen, ultrafijne korrel en microlegering.

De eerste twee methoden maken gebruik van de samenstelling van laaggelegeerd staal 20MnSi, terwijl het microlegeringproces bestaat uit het toevoegen van microlegeringelementen zoals vanadium, niobium en titanium aan 20MnSi.

1) Microlegering

Microlegeringstechnologie verbetert de mechanische eigenschappen van staal door microlegeringelementen toe te voegen aan 20MnSi-staal via metallurgische methoden. Het versterkingsmechanisme omvat de vorming van carbiden en nitriden met een hoog smeltpunt en een hoge hardheid uit de microlegeringelementen en koolstof- en stikstofatomen in het staal.

Aan de ene kant is het neerslaan van deze carbiden en nitriden op de austeniet korrelgrens belemmert de groei van austenietkorrels tijdens verhitting en resulteert in fijnkorrelversterking.

Anderzijds kan het neerslaan van deze carbiden en nitriden tijdens of na de transformatie van austeniet in ferriet belemmert de dislocatiebeweging in het ijzerrooster en leidt tot precipitatieversterking.

2) Ultrafijne korreltechnologie

De ultrafijne korreltechnologie is een modern productieproces dat gecontroleerd walsen en gecontroleerd koelen combineert en geen toevoeging van microlegeringelementen vereist. De implementatie van dit proces vereist computerbesturing van de temperatuur in de hele productielijn voor het walsen van staal en het specifieke proces voor het walsen van staal moet worden afgestemd op de variëteit en specificaties van het staal.

Deze technologie maakt gebruik van een combinatie van herkristallisatiegestuurd walsen, niet-kristallisatiegestuurd walsen, deformatiegeïnduceerde ferriettransformatie en ferrietdynamische herkristallisatiemechanismen om de korrelgrootte en microstructuur te controleren, waardoor uiteindelijk fijnkorrelversterking van het staal wordt bereikt.

3) Restwarmtebehandeling na walsen

De post-rolling afvalwarmtebehandelingstechnologie is een proces dat geen toevoeging van microlegeringelementen vereist. Het integreert de warmwals- en warmtebehandelingsprocessen, waarbij de stalen staven na het warmwalsen online worden afgekoeld voor oppervlaktekoeling en vervolgens de afvalwarmte van de staalkern wordt gebruikt om de oppervlaktelaag van de stalen staven te temperen. Dit transformeert de oppervlaktestructuur van de stalen staven in getemperd sorbiet, dat de martensiet oriëntatie, terwijl de kern een verfijnde ferriet- en parelietstructuur wordt met een hoger relatief gehalte aan pareliet. Dit resulteert uiteindelijk in 20MnSi-staal dat een sterkte van 500MPa bereikt door microstructurele versterking.

Hoewel de warmtebehandeling na het walsen en de ultrafijne korreltechnologieën geen toevoeging van microlegeringelementen vereisen, hebben ze hoge materiaalkosten en een lage sterkte/opbrengstverhouding en zijn ze gevoelig voor veroudering. Daardoor zijn deze methoden niet geschikt voor mechanische verbindingen door lassen of oppervlakteschade.

De microlegeringstechnologie heeft de laagste uitrustingskosten, omdat er geen apparatuur voor temperatuurregeling nodig is op de productielijn voor het walsen van staal. Het heeft ook een hoge sterkte/opbrengstverhouding, lage verouderingsgevoeligheid en goede lasprestaties.

Op basis van een vergelijking van productprestaties en productiekosten kan geconcludeerd worden dat de beste technische methode voor het produceren van 500MPa hogesterktestalen staven het microlegeringproces is.

Tabel 2 in GB1499.2 (herzien in 2016) bevat de vereisten voor de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen voor 600MPa hogesterktewapening.

2.2 Productieproces van 600MPa hoogsterkte wapening

2.2.1 Samenstelling en mechanische eigenschappen

Momenteel hebben staalfabrieken zoals Shagang, Chenggang en Jigang in China bewezen dat ze met succes warmgewalste vervormde staven van 600MPa kunnen produceren.

Tabel 2 in GB1499.2 (herzien in 2016) beschrijft de vereisten voor de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen van 600MPa hoge sterkte wapening HRB600.

2.2.2 Technische route

Momenteel kunnen veel staalfabrieken in China staven met een hoge sterkte van 600 MPa produceren die gebruikt worden in bouwprojecten. Er is echter beperkt onderzoek naar de chemische samenstelling, fasetransformatie en microstructuurevolutie van deze stalen staven en hun relatie met de wals- en koelproductieprocessen. Dit resulteert in een onjuiste afstemming van micro-legeringstechnologie en gecontroleerde wals- en koelprocessen, wat leidt tot verspilling van dure materialen. legeringselementen en het niet voldoen aan de vereiste mechanische eigenschappen van de stalen staven.

Binnenlandse staalfabrieken, zoals Shagang, Chenggang en Jigang, die met succes HRB600 hebben geproduceerd, gebruiken voornamelijk de vanadiumlegeringstechniek, waarbij vanadium wordt toegevoegd om de sterkte aanzienlijk te verbeteren. De productie van 600 MPa hoge sterkte stalen staven door middel van niobium, titanium en procesbeheersing is nog steeds zeldzaam.

Vanadiumlegeringstechnologie is wereldwijd de belangrijkste technische route voor de ontwikkeling van lasbare stalen staven met hoge sterkte. Procesbeheersing kan worden bereikt door gecontroleerd walsen en gecontroleerd koelen of door warmtebehandeling na het walsen. Staven van hoge-sterktestaal worden geproduceerd door gecontroleerd walsen en gecontroleerd koelen, voornamelijk door rollen bij lage temperatuur en snel koelen, om de korrelgrootte te verkleinen en de sterkte te verbeteren.

Hetzelfde productieproces gebruiken als staven van staal met gemiddelde en lage sterkte om door legeren staven van staal met hoge sterkte van 600 MPa te produceren, heeft verschillende voordelen. Ten eerste vermijdt het de transformatie van de productielijn en de problemen die ermee gepaard gaan, inclusief de kosten voor het aanpassen van apparatuur. Ten tweede helpt het bij de grootschalige snelle productie en promotie van HRB600 nieuwe producten.

Echter, alleen vertrouwen op legering om de sterkte te verbeteren verhoogt de kosten van legeringen en een hoger gehalte aan legeringen kan ook structurele afwijkingen veroorzaken.

Concluderend, de huidige procesroute voor het produceren van 600 MPa hoge-sterktewapening is voornamelijk legeren, aangevuld met procescontrole. In de beginfase moet het productieproces van 600 MPa hoge-sterktewapening zo dicht mogelijk liggen bij dat van middelsterke en lage-sterktewapening om de wijdverspreide invoering en toepassing ervan te vergemakkelijken.

3. Productieproces van anti-seismische wapening met hoge sterkte

Door de groeiende vraag van de Chinese bouwindustrie naar hoogwaardige stalen staven, is er een wijdverspreide bezorgdheid over de veiligheid en seismische weerstand van bouwconstructies.

3.1 Samenstelling en mechanische eigenschappen

In de norm GB 1499.2-2007 is de seismische prestatie-index van wapening voor het eerst opgenomen als nationale norm. Drie representatieve seismische wapeningsindexen zijn gespecificeerd: de sterkte-opbrengstverhouding (R ˚ m /R ˚ eL), de super buigverhouding (R ˚ eL/ReL) en de totale rek bij maximale kracht (Agt).

Tabellen 3 en 4 tonen de chemische samenstelling en mechanische eigenschappen voor HRB400E en HRB500E seismische wapening van een binnenlandse staalfabriek. Deze indexen zijn verkregen uit de multi-sample inspectie.

Tabel 3 Chemische samenstelling van HRB400E en HRB500E Seismische wapening met hoge sterkte %

Tabel 4 Inspectie mechanische eigenschappen van HRB400E en HRB500E seismische wapening met hoge sterkte

3.2 Technische route

3.2.1 Microlegeringstechnologie

De vermoeiingsprestatie bij hoge rek en lage cyclus is de primaire seismische index voor stalen staven.

De primaire methode om de vermoeiingsprestaties van seismische stalen staven met hoge rek en lage cycli te verbeteren, is door middel van microalloyeren. Deze technologie wordt zowel nationaal als internationaal veel gebruikt om de uitgebreide eigenschappen van stalen staven te verbeteren door de korrels te verfijnen en door precipitatieversterking.

In China wordt de voorkeur gegeven aan vanadium als microlegeringelement en wordt tegelijkertijd een kleine hoeveelheid stikstof toegevoegd om het aantal neergeslagen V(C,N)-fasen te verhogen. Dit versterkt de rol van neerslagversterking en fijnkorrelversterking en verbetert de seismische prestaties van staal aanzienlijk.

Sommige onderzoekers hebben ook met succes een 600MPa fijnkorrelige anti-seismische versterking met hoge sterkte ontwikkeld met behulp van een Cr+V microlegeringproces. Vanadium wordt gebruikt om V (C, N) verbindingen te vormen in staal, wat de sterkte aanzienlijk verbetert. Daarnaast wordt een bepaalde hoeveelheid chroom toegevoegd om de seismische prestaties van de wapening te verbeteren. De uiteindelijke mechanische eigenschappen voldoen aan de eisen voor 600MPa fijnkorrelige seismische weerstand met hoge sterkte.

De metallografische structuur van de wapening bestaat uit "ferriet+pareliet" aan de rand en in het midden, zonder bainiet- of randhardingsstructuur die de prestaties negatief zou beïnvloeden.

3.2.2 Technologie voor fijne kristallisatie

Japan heeft een lange geschiedenis in het bestuderen van fijnkristallisatietechnologie, waarbij het walsen met grote vervorming wordt gecombineerd met dynamische herkristallisatie om de korrelstructuur te verfijnen. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van seismische wapening met ultrahoge sterkte en een sterktebereik van 685-980MPa, wat wordt beschouwd als een internationaal geavanceerd niveau.

China richt zich daarentegen op het combineren van vervorming en fasetransformatie om korrelverfijning te bereiken.

Staven van fijnkorrelig staal staan bekend om hun brede bereik van cyclische plastische vervorming en lage waarschijnlijkheid van scheuren tijdens materiaalvervorming. Bovendien hebben deze staven een hogere taaiheid bij cycli en een lagere vermoeiingslevensduur bij cycli in vergelijking met hittebehandelde stalen staven. Bovendien heeft ultrafijnkorrelig staal een betere lasbaarheid dan ferriet-parelietstaal.

Er zijn echter nog enkele beperkingen bij de praktische toepassing van fijnkorrelige stalen staven. Deze omvatten strenge eisen voor apparatuur en werkstukgrootte, ongelijke microstructuur en eigenschappen als gevolg van vervorming en ongelijkmatige afkoeling van staven met grote afmetingen, en een afname van de sterkte-rendementsverhouding als gevolg van een grotere toename in vloeigrens dan treksterkte wanneer de korrelgrootte te klein is. Fijnkorrelig staal heeft ook een lage corrosiebestendigheid door de fijne korrelstructuur en het grotere aantal korrelgrenzen.

Daarom is verdere ontwikkeling van de fijne kristallisatietechnologie noodzakelijk.

4. Conclusie

Drie veelgebruikte methoden voor het produceren van stalen staven met hoge sterkte zijn microlegering, fijne kristallisatie en afvalwarmtebehandeling.

Vergeleken met de andere twee processen hebben microgelegeerde stalen staven het voordeel van stabiele prestaties, lage gevoeligheid voor spanningsveroudering en goede lasprestaties.

Warmgewalste stalen staven worden geproduceerd door warmgewalste stalen staven te laten afschrikken, waardoor ze sterker worden. Dit proces is hulpbron- en energiezuinig, wat leidt tot lagere productiekosten.

Fijnkorrelige wapening kan voldoen aan zowel sterkte- als taaiheidsvereisten voor seismische wapening.

Ondanks deze vooruitgang zijn er nog steeds een aantal uitdagingen in de bovenstaande processen, zoals:

• De hoge productiekosten van de microlegeringstechnologie;
• De lage ductiliteit, lasbaarheid, mechanische verbindingsprestaties en het constructieaanpassingsvermogen van wapening door afvalwarmtebehandeling;
• De complexiteit van de fijne kristallisatietechnologie en de lage vloeigrens van de wapening.

Daarom is het voor de productie van stalen staven met hoge sterkte cruciaal om microlegering, fijne kristallisatie en afvalwarmtebehandelingstechnologieën effectief te combineren op basis van de werkelijke toepassingsbehoeften en kosteneffectiviteit. Dit vermindert niet alleen de toevoeging van legeringselementen en verlaagt de productiekosten, maar verbetert ook aanzienlijk de kwaliteit van het staal. mechanische eigenschappen van staal repen.