抗氢脆超大规格贝氏体预应力混凝土用螺纹钢筋的研制

韩子光，关成祥

（天津市天铁轧二制钢有限公司，天津300312）

抗氢脆超大规格贝氏体预应力混凝土用螺纹钢筋的研制

韩子光，关成祥

（天津市天铁轧二制钢有限公司，天津300312）

为满足市场需求，研制开发出合金体系PSB830Y。对炼钢成分和工艺进行了优化，采用两火成材的工艺生产母材，保证其压缩比。设计了Φ63.5 mm、Φ75 mm两种规格的精轧螺纹钢筋外形尺寸及轧制孔型系统，采用专业的热处理线进行调质处理，大幅度降低了氢元素在较大应力状态下对钢筋造成的损害。经试样组织性能分析，开发出的Φ63.5 mm、Φ75 mm超大规格精轧钢筋淬透性良好，内外组织均匀，最高性能可达到PSB930级别。

精轧钢筋；氢脆；超大规格；贝氏体；预应力；混凝土;螺纹钢筋

1 引言

预应力混凝土用螺纹钢筋（也称精轧螺纹钢筋，以下均简称精轧螺纹钢筋）是在整根钢筋上轧有外螺纹的大直径、高强度、高尺寸精度的直条钢筋。该钢筋在任意截面处都可拧上带有内螺纹的连接器进行连接，或拧上带螺纹的螺帽进行锚固。精轧螺纹钢筋广泛应用于大型水利工程、工业和民用建筑中的连续梁和大型框架结构，公路、铁路大中跨桥梁、核电站及地锚等工程。它具有连接、锚固简便，粘着力强，张拉锚固安全可靠，施工方便等优点，而且节约钢筋，减少构件面积65-2006《预应力混凝土用螺纹钢筋》中精轧螺纹钢筋的公称直径范围为18～50 mm。为了满足我国建筑工程对更大直径精轧螺纹钢筋的需求，迫切要求开发出新的超大直径精轧螺纹钢筋品种。世界瞩目的“港珠澳”大桥工程，就于2012年提出Φ75 PSB930级别精轧螺纹的需求。但由于国内无法生产与检测，工程只能改用其他材料。近一段时间国内外一些大型港口工程也多次提出欲采购Φ63.5、Φ75的精轧产品，同时其使用的现场条件也超出国标的要求，较为苛刻。为此，我们通过与钢铁研究总院就超大规格精轧钢筋进行了“产学研”的联合攻关，研制开发出抗氢脆超大规格贝氏体预应力混凝土用螺纹钢筋。

2 研制准备

2.1 目标性能指标

直径Φ63.5、Φ75 mm，性能指标满足《预应力混凝土用螺纹钢筋》（GB/T 20065-2006）中PSB83级别相关要求：屈服强度：≥830 MPa；抗拉强度：≥1 030 MPa；断后伸长率：≥6%；

应力松弛率：1 000 h后≤3%。

要攻克大规格精轧钢筋易产生淬透性、组织均匀性差，张拉施工过程后偶发“脆断”的问题。

2.2 研制步骤

（1）分析现有规格精轧产品的性能、组织特性。

（2）探究大规格精轧钢筋在张拉施工过程后偶发的“脆断”问题。

（3）针对超大规格产品及超高强度要求明确攻关目标。

（4）通过广泛检索国内外超高强棒材生产工艺方法，结合自主创新确定工艺路线。

3 研发过程

3.1 分析现有规格精轧产品的性能、组织特性

精轧螺纹钢筋最早开发只有PSB785级别，现已开发出多种强度级别的产品，包括PSB830 PSB930、PSB1080，以及德国DIN488标准的BSt500S级别的产品，以满足用户的不同需求。

我国GB/T 20065-2006精轧钢筋国标中，对化学成分的要求为S、P含量不大于0.035%，对N、H O含量并无要求，对成品微观组织也没有要求。为此，国内现此产品的生产工艺为：PSB785、PSB83级别钢筋的一般是采用40Si2MnV牌号原料，经过在线余热处理+时效处理，满足性能要求；PSB930 PSB1080级别钢筋的生产是将加“V”原料热轧后根据不同的规格选择不同的淬火热处理工艺，通过对冷却水的流量、压力调整，保证工艺要求的自回火温度，即通过调质处理升级到此级别。此工艺生产的钢筋一般成品金相组织为边部回火索氏体，心部铁素体+珠光体（见图1）。

图1 金相组织对比图

3.2 大规格精轧钢筋在张拉施工过程后偶发的“脆断”问题

按传统工艺生产的大规格精轧螺纹钢筋（直径大于36 mm）在张拉施工过程后会偶发“脆断”的现象。经与专业科研机构长期的共同研究分析，总结出这种“脆断”现象实质上为氢脆所引起的。钢筋的1/2半径和心部的取样拉伸试验表明，心部拉伸试样的断后伸长率和断面收缩率远低于1/2半径处，表明材料心部韧塑性较差，整体组织分布不均匀。而氢致延迟断裂的源头正是这些硬度、脆性过高的区域。

3.3 坯料工艺制定

针对大规格精轧螺纹钢筋易产生淬透性、组织均匀性差及易氢脆的问题，借鉴“飞机起落架”防氢脆工艺，研发了新的合金体系PSB830Y。炼钢采用转炉+LF+VD+连铸工艺路线，采用全保护连铸。连铸坯缓冷或避风处堆冷处理，同时采用两火成材工艺，增大产品压缩比，细化组织，以保证产品性能。

在炼钢成分中，适量添加了B、Cr、Ti等增加淬透性的元素和Al、Ni等细化晶粒的元素，以及M等对形成贝氏体高强钢，降低回火脆性起重要作用的元素，严格控制坯料中N、H、O的含量，钢中氮≤70×10-6，钢中氧≤25×10-6，经VD后钢水氢≤2×10-6连铸坯低倍中心疏松、中心偏析均要求≤2.0级。

3.4 钢筋的外形设计

超大规格精轧螺纹钢筋参考美国SA Thread-Bars螺纹钢筋产品规格书中此种钢筋的尺寸规格和国内对钢筋尺寸的要求，设计了Φ63.5 Φ75两种规格的精轧螺纹钢筋外形尺寸及轧制孔型系统，并设计了配套使用的锚具、连接器。为钢筋与锚具配合紧密，其间隙量不得大于1 mm。设计钢筋外形尺寸见表1。

表1 钢筋外形尺寸表

3.5 轧制工艺流程

采用220×300连铸坯原料，经开坯成145×135矩形坯，保证其压缩比，后轧制完成。Φ63.5精轧螺纹钢筋共轧制8个道次，Φ75精轧螺纹钢筋共轧制6个道次。

通过以上两种规格的调试，表明孔型系统设计合理，钢筋尺寸满足设计要求，锚具检验旋进顺畅。其实测钢筋尺寸为Φ63.5规格：dh为62.9～63.1 mm，dv为60.8～63.2 mm，肋高h为2.5～2.8 mm，螺距l为21.9 mm。Φ75规格：dh为74.6～74.8 mm，dv为73.8～74.2 mm，肋高h为3.0～3.2mm，螺距l为23.9 mm。

3.6 热处理工艺流程

为满足高强度精轧螺纹钢筋的性能要求，需要对轧制冷却后的钢筋通过高强度精轧螺纹钢筋热处理线做调质处理。经通过式燃气加热炉（日本技术）加热至850～950℃，淬火后回火，回火温度控制在600～650℃。其流程为上料→辊道输送→淬火加热→喷水淬火→辊道输送→回火加热与保温→回火出炉到指定位→拨料机拨料→料框收集入库。

4 试样组织性能分析

通过6组不同热处理工艺的调整、试验、分析，最终的力学性能见表2。通过力学性能对比，表明钢筋淬透性良好。

表2 力学性能表

5 结束语

研发了新的合金体系PSB830Y，在炼钢成分及工艺上进行了优化，采用两火成材的工艺生产母材，保证其压缩比。设计了Φ63.5、Φ75两种规格的精轧螺纹钢筋外形尺寸及轧制孔型系统。使用专业的热处理线进行调质处理，降低了氢元素对钢筋在较大应力状态下造成损害的可能性，可使直径63.5、75 mm的超大规格精轧钢筋，具有良好淬透性，内外组织均匀为贝氏体，最高能够达到PSB93级别。

Development of Hydrogen Brittleness Resistant Large Size Bainite Rebar for Pre-stressed Concrete

HAN Zi-guang and GUAN Cheng-xiang
(Tianjin Tiantie Zha'er Steel-making Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China)

PSB830Y alloy system was developed in order to fulfill market demand.The composition and process of steel-making were optimized and double reheat process was adopted to produce base metal to ensure compression ratio.Outline dimension and rolling pass system for Φ63.5 mm and Φ75 mm finish rolled rebar were designed and professional heat treatment line was adopted for quenching and tempering treatment,substantially alleviating hydrogen damage to rebar under big stress state.The structure and property of the sample were analyzed,which showed that the developed Φ63.5 mm and Φ75 mm large size finish rolled rebar possessed good hardenability and uniform internal and external structure and their highest property could reach the level of PSB930 grade.

finish rolled rebar;hydrogen brittleness;large size;bainite;pre-stressed;concrete;rebar

10.3969/j.issn.1006-110X.2016.05.008

2016-06-08

2016-06-23

韩子光（1985—），男，主要从事金属材料方面的研究工作。