1. Prefacio
Las barras de acero de alta resistencia se consideran la columna vertebral y el esqueleto de la industria de la construcción. Actualmente, existen cinco áreas principales de desarrollo de materiales de refuerzo de alta resistencia:
- Haciendo hincapié en la investigación, el desarrollo, la promoción y la implementación de barras de acero de alta resistencia con una resistencia de 500 MPa y superior.
- Centrándose en la producción y uso de refuerzo sísmico.
- Enfatizando la investigación, desarrollo, promoción e implementación de refuerzos resistentes a la corrosión.
- Fortalecer la investigación, el desarrollo, la promoción y la aplicación de refuerzos de alto rendimiento y rentables.
- Centrándose en la investigación de tecnologías para la aplicación de refuerzos de alta resistencia.
Este artículo proporciona una breve descripción de las propiedades y el proceso de producción de barras de acero de alta resistencia y barras de acero sísmico con un grado de 500 MPa y superior para construcción civil.
2. Proceso de producción de refuerzo de alta resistencia de 500 MPa y más
2.1 Proceso de producción de refuerzo de alta resistencia de 500MPa
El principal proceso de producción de barras de acero de alta resistencia de 500 MPa implica agregar el elemento de microaleación vanadio al acero de baja aleación 20MnSi y utilizar nitrógeno barato para obtener refuerzo por precipitación. Esto permite que el acero alcance una resistencia de 500 MPa.
La tecnología de microaleaciones de vanadio tiene varias ventajas, incluido un diseño de composición económico y razonable, un rendimiento de refuerzo estable, una alta relación resistencia-límite y un excelente rendimiento de soldadura y baja temperatura.
Este proceso se considera un método ideal para producir refuerzo de alta resistencia de 500 MPa.
2.1.1 Diseño de composición y propiedades mecánicas.
GB1499.2 (revisada en 2016) especifica que la composición química y el equivalente de carbono de HRB500 deben cumplir con los requisitos enumerados en la Tabla 1. Además, se pueden agregar al acero elementos como vanadio, niobio y titanio según sea necesario.
La Tabla 1 en GB1499.2 (revisada en 2016) describe la composición química y los requisitos de propiedades mecánicas para un refuerzo de alta resistencia de 500 MPa.
| Composición química, % en masa | Marca | HRB500 | HRBFS00 | HRBSODE | HRBFSOOE |
| W. | 0,25 | ||||
| Sí | 0,8 | ||||
| Minnesota | 1.6 | ||||
| PAG | 0.045 | ||||
| s | 0.045 | ||||
| Aquí | 0.S5 | ||||
| Propiedad mecanica | Límite de rendimiento RtL, MPa | 500 | |||
| Resistencia a la tracción R, MPa | 630 | ||||
| Elongación después de la fractura A% | 15 | – | |||
| Relación entre la longitud secundaria total y la fuerza máxima A% | 7.5 | 9 | |||
2.1.2 Ruta técnica
Los procesos técnicos para producir barras de acero de alta resistencia de 500 MPa incluyen el tratamiento térmico de residuos postlaminado, granos ultrafinos y microaleaciones.
Los dos primeros métodos utilizan la composición de acero de baja aleación 20MnSi, mientras que el proceso de microaleación implica agregar elementos de microaleación como vanadio, niobio y titanio al 20MnSi.
1) microaleación
La tecnología de microaleaciones mejora las propiedades mecánicas del acero añadiendo elementos de microaleaciones al acero 20MnSi mediante métodos metalúrgicos. El mecanismo de fortalecimiento implica la formación de carburos y nitruros de alta dureza y punto de fusión a partir de los elementos de microaleación y los átomos de carbono y nitrógeno del acero.
La precipitación de estos carburos y nitruros en los límites de los granos de austenita, por un lado, dificulta el crecimiento de los granos de austenita durante el calentamiento y conduce a un fortalecimiento de los granos finos.
Por otra parte, la precipitación de estos carburos y nitruros durante o después de la transformación de austenita en ferrita dificulta el movimiento de dislocación en la red de hierro y conduce a un aumento de la precipitación.
2) Tecnología de grano ultrafino
La tecnología de grano ultrafino es un proceso de producción moderno que combina laminación y enfriamiento controlados y no requiere la adición de elementos de microaleación. La implementación de este proceso requiere un control de temperatura computarizado en toda la línea de producción de laminado de acero, y el sistema de proceso de laminado de acero específico debe adaptarse a la variedad y especificaciones del acero.
Esta tecnología utiliza una combinación de laminado controlado por recristalización, laminado no controlado por recristalización, transformación de ferrita inducida por deformación y mecanismos dinámicos de recristalización de ferrita para controlar el tamaño del grano y la microestructura, logrando en última instancia un refuerzo de grano fino.
3) Tratamiento térmico residual después del laminado.
La tecnología de tratamiento térmico residual postlaminación es un proceso que no requiere la adición de elementos de microaleación. Integra procesos de laminado en caliente y tratamiento térmico, donde las barras de acero se enfrían en línea después del laminado en caliente para enfriar la superficie, y luego el calor residual del núcleo de acero se utiliza para enfriar la capa superficial de las barras de acero. Esto transforma la estructura superficial de las barras de acero en sorbita templada, que mantiene la orientación martensítica, mientras que el núcleo se convierte en una estructura refinada de ferrita y perlita con un mayor contenido relativo de perlita. En última instancia, esto da como resultado que el acero 20MnSi alcance un nivel de resistencia de 500 MPa mediante refuerzo microestructural.
Aunque las tecnologías de tratamiento térmico de grano ultrafino y post-laminado no requieren la adición de elementos de microaleación, tienen altos costos de equipo y una baja relación resistencia-límite, además de ser propensas al envejecimiento. Como resultado, estos métodos no son adecuados para conexiones mecánicas que utilizan soldadura o daños superficiales.
La tecnología de microaleaciones tiene el costo de equipo más bajo, ya que no requiere equipos de control de temperatura en la línea de producción de laminado de acero. También tiene una alta relación resistencia-límite, baja sensibilidad al envejecimiento y buen rendimiento de soldadura.
Con base en la comparación entre el rendimiento del producto y el costo de producción, se puede concluir que el mejor método técnico para producir barras de acero de alta resistencia de 500 MPa es mediante el proceso de microaleación.
La Tabla 2 en GB1499.2 (revisada en 2016) describe la composición química y los requisitos de propiedades mecánicas para un refuerzo de alta resistencia de 600 MPa.
| Composición química, % en masa | número de bazo | HRB600 |
| W. | 0,28 | |
| Sí | 0,8 | |
| Minnesota | 1.6 | |
| PAG | 0.045 | |
| s | 0.045 | |
| cr | 0,58 | |
| Propiedad mecanica | Límite de rendimiento RL, MPa | 600 |
| Resistencia a la tracción Rm/MPa | 730 | |
| Estiramiento después de una fractura% | 14 | |
| Fuerza máxima estiramiento total A% | 7.5 |
2.2 Proceso de producción de refuerzo de alta resistencia de 600MPa
2.2.1 Diseño de composición y propiedades mecánicas.
Actualmente, acerías como Shagang, Chenggang y Jigang en China tienen un historial comprobado de producción exitosa de barras deformadas laminadas en caliente de 600 MPa.
La Tabla 2 en GB1499.2 (revisada en 2016) describe los requisitos para la composición química y las propiedades mecánicas del refuerzo de alta resistencia HRB600 de 600 MPa.
2.2.2 Ruta técnica
Actualmente, muchas acerías en China pueden producir barras de acero de alta resistencia con una ley de 600 MPa que se utilizan en proyectos de construcción. Sin embargo, existe una investigación limitada sobre la composición química, la transformación de fase y la evolución de la microestructura de estas barras de acero y su relación con los procesos de producción de laminación y enfriamiento. Esto da como resultado una combinación inadecuada de tecnología de microaleaciones y procesos controlados de laminación y enfriamiento, lo que conduce al desperdicio de costosos elementos de aleación y al incumplimiento de las propiedades mecánicas requeridas de las barras de acero.
Las acerías nacionales como Shagang, Chenggang y Jigang, que han logrado con éxito la producción de HRB600, adoptan principalmente la técnica de aleación de vanadio, que implica agregar vanadio para mejorar significativamente la resistencia. La producción de barras de acero de alta resistencia de 600 MPa mediante niobio, titanio y control de procesos aún es poco común.
La tecnología de aleaciones de vanadio es la principal vía técnica para el desarrollo de barras de acero soldables de alta resistencia en todo el mundo. El control del proceso se puede lograr mediante laminación controlada y enfriamiento controlado o tratamiento térmico posterior a la laminación. Las barras de acero de alta resistencia se producen mediante laminado y enfriamiento controlados, principalmente mediante laminado a baja temperatura y enfriamiento rápido, para reducir el tamaño del grano y mejorar la resistencia.
Utilizar el mismo proceso de producción de barras de acero de resistencia media y baja para producir barras de acero de alta resistencia de 600 MPa mediante aleación aporta varios beneficios. En primer lugar, evita la transformación de la línea de producción y los problemas asociados a ella, incluida la entrada de costes por modificación de equipos. En segundo lugar, ayuda a la producción rápida y la promoción a gran escala de nuevos productos HRB600.
Sin embargo, depender únicamente de la aleación para mejorar la resistencia aumenta el costo de las aleaciones y un mayor contenido de aleación también puede causar anomalías estructurales.
En conclusión, la ruta de proceso actual para la producción de refuerzo de alta resistencia de 600 MPa es principalmente la aleación, complementada con el control del proceso. Durante la fase inicial, el proceso de producción de refuerzo de alta resistencia de 600 MPa debe ser lo más parecido posible al de refuerzo de resistencia media y baja para facilitar su amplia adopción y aplicación.
3. Proceso de producción de refuerzo antisísmico de alta resistencia.
Debido a la creciente demanda de barras de acero de alto rendimiento por parte de la industria de la construcción china, existe una preocupación generalizada sobre la seguridad y la resistencia sísmica de las estructuras de los edificios.
3.1 Diseño de composición y propiedades mecánicas.
En la norma GB 1499.2-2007 se incluye por primera vez como norma nacional el índice de comportamiento sísmico de la armadura. Se especificaron tres índices de refuerzo sísmico representativos: la relación resistencia-fluencia (R ˚ m /R ˚ eL), la relación de superflexión (R ˚ eL/ReL) y el alargamiento total con fuerza máxima (Agt).
Las tablas 3 y 4 muestran la composición química y los índices de propiedades mecánicas del refuerzo sísmico HRB400E y HRB500E de una acería nacional. Estos índices se obtuvieron a partir de una inspección de múltiples muestras.
Tabla 3 Composición química del % de refuerzo sísmico de alta resistencia HRB400E y HRB500E
| Marca | W. | Sí | Minnesota | V |
| HRB400E | 0,19-0,25 | 0,36-0,57 | 0,27-1,52 | 0,035-0,056 |
| HRB500E | 0,20-0,25 | 0,36-0,57 | 1,38-1,58 | 0,082-0,113 |
Tabla 4 Inspección de propiedades mecánicas del refuerzo sísmico de alta resistencia HRB400E y HRB500E
| Marca | RpL, MPa | Habitación, MPa | A,% | Agt,% | R 0 señor 0 pL | R 0 pL/RpL |
| HRB400E | 425-485 | 570-625 | 21,5-30,5 | 10,5-18,5 | 1,28-1,41 | 1.06-1.21 |
| HRBS00E | 515-595 | 665-725 | 19,5-26,5 | 10,0-17,5 | 1,26-1,39 | 1.03-1.19 |
3.2 Ruta técnica
3.2.1 Tecnología de microaleaciones
El principal índice sísmico de las barras de acero es su alta deformación y bajo ciclo de fatiga.
El método principal para mejorar el rendimiento de fatiga de ciclo bajo y alta tensión de las barras de acero sísmicas es mediante microaleaciones. Esta tecnología es ampliamente utilizada tanto a nivel nacional como internacional para mejorar las propiedades integrales de las barras de acero, refinar granos y fortalecer la precipitación.
En China, se prefiere el vanadio como elemento de microaleación y al mismo tiempo se agrega una pequeña cantidad de nitrógeno para aumentar el número de fases precipitadas V (C, N). Esto aumenta el papel del refuerzo contra la precipitación y el refuerzo de grano fino y mejora significativamente el comportamiento sísmico del acero.
Algunos investigadores también han desarrollado con éxito un refuerzo antisísmico de alta resistencia y grano fino de 600 MPa utilizando un proceso de microaleación de Cr+V. El vanadio se utiliza para formar compuestos V(C,N) en acero, lo que mejora significativamente su resistencia. Además, se añade una cierta cantidad de cromo para mejorar el comportamiento sísmico del refuerzo. Las propiedades mecánicas finales cumplen con los requisitos de alta resistencia y resistencia sísmica de grano fino de 600 MPa.
La estructura metalográfica de la armadura está compuesta de “ferrita+perlita” en el borde y el centro, sin estructura de bainita ni templado en los bordes que impactaría negativamente su desempeño en servicio.
3.2.2 Tecnología de cristalización fina
Japón tiene una larga historia de estudio de la tecnología de cristalización fina, que implica combinar laminación con grandes deformaciones con recristalización dinámica para refinar la estructura del grano. Esto ha llevado al desarrollo de refuerzos sísmicos de resistencia ultra alta con un rango de resistencia de 685-980 MPa, que se considera avanzado internacionalmente.
Por el contrario, China se está centrando en combinar la deformación y la transformación de fases para lograr el refinamiento del grano.
Las barras de acero de grano fino son conocidas por su amplia gama de deformaciones plásticas cíclicas y su baja probabilidad de agrietarse durante la deformación del material. Además, estas barras tienen una mayor tenacidad cíclica y una vida a la fatiga más corta en comparación con las barras de acero tratadas térmicamente. Además, el acero de grano ultrafino tiene mejor soldabilidad que el acero de ferrita perlita.
Sin embargo, todavía existen algunas limitaciones en la aplicación práctica de las barras de acero de grano fino. Estos incluyen requisitos estrictos para el equipo y el tamaño de las piezas, microestructura y propiedades desiguales debido a la deformación y el enfriamiento desigual de barras grandes, y una disminución en la tasa de rendimiento de resistencia debido a un mayor aumento en el límite elástico que en el límite elástico cuando el tamaño del grano. es muy pequeño. El acero de grano fino también tiene una baja resistencia a la corrosión debido a su estructura de grano fino y al mayor número de contornos de grano.
Por lo tanto, es necesario un mayor desarrollo de la tecnología de cristalización fina.
4. Conclusión
Tres métodos comunes para producir barras de acero de alta resistencia son la microaleación, la cristalización fina y el tratamiento térmico residual.
En comparación con los otros dos procesos, las barras de acero microaleadas tienen las ventajas de un rendimiento estable, baja sensibilidad al envejecimiento por deformación y un buen rendimiento de soldadura.
Las barras de acero tratadas térmicamente se producen enfriando barras de acero laminadas en caliente, lo que da como resultado una mayor resistencia. Este proceso es eficiente en recursos y energía, lo que lleva a menores costos de producción.
El refuerzo de grano fino es capaz de cumplir con los requisitos de resistencia y tenacidad del refuerzo sísmico.
A pesar de estos avances, aún existen algunos desafíos en los procesos antes mencionados, entre ellos:
- El alto costo de producción de la tecnología de microaleaciones;
- La baja ductilidad, soldabilidad, rendimiento de conexión mecánica y adaptabilidad de la construcción del refuerzo para tratamiento térmico residual;
- La complejidad de la tecnología de cristalización fina y la baja tasa de rendimiento del refuerzo.
Por lo tanto, para producir barras de acero de alta resistencia, es crucial combinar eficazmente tecnologías de microaleación, cristalización fina y tratamiento térmico residual según las necesidades de aplicación reales y la rentabilidad. Esto no sólo reducirá la adición de elementos de aleación y reducirá los costos de producción, sino que también aumentará significativamente las propiedades mecánicas de las barras de acero.
