Barra de aço de alta resistência: produção e propriedades

1. Prefácio

As barras de aço de alta resistência são consideradas a espinha dorsal e o esqueleto da indústria da construção. Atualmente, existem cinco áreas principais de desenvolvimento de materiais de reforço de alta resistência:

• Enfatizando pesquisa, desenvolvimento, promoção e implementação de barras de aço de alta resistência com resistência de 500MPa e superior.
• Com foco na produção e utilização de reforço sísmico.
• Enfatizando a pesquisa, desenvolvimento, promoção e implementação de reforço resistente à corrosão.
• Fortalecer a pesquisa, o desenvolvimento, a promoção e a aplicação de reforços de alto desempenho e com boa relação custo-benefício.
• Com foco na pesquisa da tecnologia de aplicação de armaduras de alta resistência.

Este artigo fornece uma breve visão geral das propriedades e do processo de produção de barras de aço de alta resistência e barras de aço sísmicas com grau de 500MPa e superior para construção civil.

2. Processo de produção de 500 MPa e acima de reforço de alta resistência

2.1 Processo de produção de reforço de alta resistência 500MPa

O principal processo de produção de barras de aço de alta resistência de 500 MPa envolve a adição do elemento de microliga vanádio ao aço de baixa liga 20MnSi e a utilização de nitrogênio barato para obter reforço por precipitação. Isso permite que o aço atinja uma resistência de 500MPa.

A tecnologia de microliga de vanádio tem várias vantagens, incluindo um design de composição econômico e razoável, desempenho de reforço estável, alta relação resistência-rendimento e excelente desempenho de soldagem e baixa temperatura.

Este processo é considerado um método ideal para produzir reforço de alta resistência de 500MPa.

2.1.1 Projeto de composição e propriedades mecânicas

GB1499.2 (revisado em 2016) especifica que a composição química e o equivalente de carbono do HRB500 devem atender aos requisitos listados na Tabela 1. Além disso, elementos como vanádio, nióbio e titânio podem ser adicionados ao aço conforme necessário.

A Tabela 1 em GB1499.2 (revisado em 2016) descreve os requisitos de composição química e propriedades mecânicas para reforço de alta resistência de 500MPa.

2.1.2 Percurso técnico

Os processos técnicos para a produção de barras de aço de alta resistência de 500 MPa incluem tratamento térmico de resíduos pós-laminação, grãos ultrafinos e microligas.

Os dois primeiros métodos utilizam a composição de aço de baixa liga 20MnSi, enquanto o processo de microliga envolve a adição de elementos de microliga como vanádio, nióbio e titânio ao 20MnSi.

1) Microliga

A tecnologia de microliga melhora as propriedades mecânicas do aço adicionando elementos de microliga ao aço 20MnSi por meio de métodos metalúrgicos. O mecanismo de fortalecimento envolve a formação de carbonetos e nitretos de alto ponto de fusão e alta dureza a partir dos elementos de microliga e dos átomos de carbono e nitrogênio do aço.

Por um lado, a precipitação destes carbonetos e nitretos na fronteira dos grãos de austenita dificulta o crescimento dos grãos de austenita durante o aquecimento e resulta no fortalecimento dos grãos finos.

Por outro lado, a precipitação destes carbonetos e nitretos durante ou após a transformação da austenita em ferrita dificulta o movimento de discordância na rede de ferro e leva ao fortalecimento da precipitação.

2) Tecnologia de grãos ultrafinos

A tecnologia de grãos ultrafinos é um processo de produção moderno que combina laminação controlada e resfriamento controlado, e não requer adição de elementos de microliga. A implementação deste processo requer controle computadorizado da temperatura em toda a linha de produção de laminação de aço, e o sistema específico do processo de laminação de aço deve ser adaptado à variedade e especificações do aço.

Esta tecnologia utiliza uma combinação de laminação controlada por recristalização, laminação controlada por não recristalização, transformação de ferrita induzida por deformação e mecanismos de recristalização dinâmica de ferrita para controlar o tamanho do grão e a microestrutura, alcançando, em última análise, o reforço de grão fino do aço.

3) Tratamento térmico residual após laminação

A tecnologia de tratamento térmico de resíduos pós-laminação é um processo que não requer adição de elementos de microliga. Ele integra os processos de laminação a quente e tratamento térmico, onde as barras de aço são temperadas on-line após a laminação a quente para resfriamento da superfície e, em seguida, o calor residual do núcleo de aço é usado para temperar a camada superficial das barras de aço. Isso transforma a estrutura superficial das barras de aço em sorbita temperada, que mantém a orientação martensítica, enquanto o núcleo se torna uma estrutura refinada de ferrita e perlita com maior teor relativo de perlita. Em última análise, isso resulta no aço 20MnSi atingindo um nível de resistência de 500MPa através do reforço microestrutural.

Embora as tecnologias de tratamento térmico pós-laminação e de grãos ultrafinos não exijam a adição de elementos de microliga, elas apresentam alto custo de equipamento e baixa relação resistência-rendimento, além de serem propensas ao envelhecimento. Como resultado, esses métodos não são adequados para conexões mecânicas que utilizam soldagem ou danos superficiais.

A tecnologia de microligas possui o menor custo de equipamento, pois não necessita de equipamentos de controle de temperatura na linha de produção de laminação de aço. Ele também possui uma alta relação resistência-rendimento, baixa sensibilidade ao envelhecimento e bom desempenho de soldagem.

Com base na comparação entre desempenho do produto e custo de produção, pode-se concluir que o melhor método técnico para produzir barras de aço de alta resistência de 500MPa é através do processo de microliga.

A Tabela 2 em GB1499.2 (revisado em 2016) descreve os requisitos de composição química e propriedades mecânicas para reforço de alta resistência de 600MPa.

2.2 Processo de produção de reforço de alta resistência 600MPa

2.2.1 Projeto de composição e propriedades mecânicas

Atualmente, usinas siderúrgicas como Shagang, Chenggang e Jigang na China têm um histórico comprovado de produção bem-sucedida de barras deformadas laminadas a quente de 600MPa.

A Tabela 2 em GB1499.2 (revisado em 2016) descreve os requisitos para a composição química e propriedades mecânicas do reforço de alta resistência HRB600 de 600MPa.

2.2.2 Percurso técnico

Atualmente, muitas usinas siderúrgicas na China podem produzir barras de aço de alta resistência com grau de 600 MPa que são utilizadas em projetos de construção. No entanto, há pesquisas limitadas sobre a composição química, transformação de fases e evolução da microestrutura dessas barras de aço e sua relação com os processos de produção de laminação e resfriamento. Isso resulta na combinação inadequada da tecnologia de microligas e nos processos controlados de laminação e resfriamento, levando ao desperdício de elementos de liga caros e ao fracasso em atender às propriedades mecânicas exigidas das barras de aço.

As siderúrgicas nacionais, como Shagang, Chenggang e Jigang, que alcançaram com sucesso a produção de HRB600, adotam principalmente a técnica de liga de vanádio, que envolve a adição de vanádio para melhorar significativamente a resistência. A produção de barras de aço de alta resistência de 600 MPa através de nióbio, titânio e controle de processo ainda é rara.

A tecnologia de liga de vanádio é a principal via técnica para o desenvolvimento de barras de aço soldáveis ​​de alta resistência em todo o mundo. O controle do processo pode ser alcançado através de laminação controlada e resfriamento controlado ou tratamento térmico pós-laminação. Barras de aço de alta resistência são produzidas por meio de laminação e resfriamento controlados, principalmente por meio de laminação em baixa temperatura e resfriamento rápido, para reduzir o tamanho do grão e melhorar a resistência.

Usar o mesmo processo de produção de barras de aço de média e baixa resistência para produzir barras de aço de alta resistência de 600 MPa por meio de ligas traz vários benefícios. Em primeiro lugar, evita a transformação da linha de produção e os problemas a ela associados, incluindo a entrada de custos para modificação de equipamentos. Em segundo lugar, ajuda na rápida produção e promoção em larga escala de novos produtos HRB600.

No entanto, depender apenas da liga para melhorar a resistência aumenta o custo das ligas, e um maior teor de liga também pode causar anormalidades estruturais.

Concluindo, a rota atual do processo para a produção de reforço de alta resistência de 600 MPa é principalmente liga, complementada pelo controle do processo. Durante a fase inicial, o processo de produção do reforço de alta resistência de 600 MPa deve ser o mais próximo possível do do reforço de média e baixa resistência para facilitar a sua ampla adoção e aplicação.

3. Processo de produção de reforço anti-sísmico de alta resistência

Devido às crescentes demandas da indústria de construção chinesa por barras de aço de alto desempenho, existe uma preocupação generalizada com a segurança e a resistência sísmica das estruturas dos edifícios.

3.1 Projeto de composição e propriedades mecânicas

Na norma GB 1499.2-2007, o índice de desempenho sísmico das armaduras é incluído pela primeira vez como norma nacional. Foram especificados três índices representativos de armadura sísmica: a relação resistência-rendimento (R ˚ m /R ˚ eL), a relação de superflexão (R ​​˚ eL/ReL) e o alongamento total à força máxima (Agt).

As Tabelas 3 e 4 mostram a composição química e os índices de propriedades mecânicas para o reforço sísmico HRB400E e HRB500E de uma siderúrgica nacional. Esses índices foram obtidos a partir da inspeção multiamostras.

Tabela 3 Composição Química da % de Reforço Sísmico de Alta Resistência HRB400E e HRB500E

Tabela 4 Inspeção de Propriedade Mecânica do Reforço Sísmico de Alta Resistência HRB400E e HRB500E

3.2 Percurso técnico

3.2.1 Tecnologia de microligas

O desempenho de fadiga de alta deformação e baixo ciclo é o principal índice sísmico para barras de aço.

O principal método para melhorar o desempenho de fadiga de alta tensão e baixo ciclo de barras de aço sísmicas é através da microliga. Esta tecnologia é amplamente utilizada tanto nacional como internacionalmente para melhorar as propriedades abrangentes das barras de aço, refinando os grãos e fortalecendo a precipitação.

Na China, o vanádio é preferido como elemento de microliga e uma pequena quantidade de nitrogênio é adicionada ao mesmo tempo para aumentar o número de fases precipitadas V (C, N). Isso aumenta o papel do reforço por precipitação e do reforço de grãos finos e melhora significativamente o desempenho sísmico do aço.

Alguns pesquisadores também desenvolveram com sucesso reforço anti-sísmico de alta resistência e grão fino de grau 600MPa usando um processo de microliga Cr+V. O vanádio é usado para formar compostos V (C, N) no aço, o que melhora significativamente sua resistência. Além disso, uma certa quantidade de cromo é adicionada para melhorar o desempenho sísmico do reforço. As propriedades mecânicas finais atendem aos requisitos de resistência sísmica de alta resistência e grãos finos de 600MPa.

A estrutura metalográfica da armadura é composta por “ferrita+perlita” na borda e no centro, sem estrutura de bainita ou revenido de borda que impactaria negativamente seu desempenho em serviço.

3.2.2 Tecnologia de cristalização fina

O Japão tem uma longa história de estudo da tecnologia de cristalização fina, que envolve a combinação de laminação de grande deformação com recristalização dinâmica para refinar a estrutura do grão. Isto levou ao desenvolvimento de reforço sísmico de ultra-alta resistência com uma faixa de resistência de 685-980MPa, que é considerado de nível internacional avançado.

Em contraste, a China está a concentrar-se na combinação de deformação e transformação de fase para alcançar o refinamento dos grãos.

Barras de aço de granulação fina são conhecidas por sua ampla faixa de deformação plástica cíclica e baixa probabilidade de trincas durante a deformação do material. Além disso, essas barras têm maior tenacidade cíclica e menor vida útil em fadiga em comparação com barras de aço tratadas termicamente. Além disso, o aço de granulação ultrafina tem melhor soldabilidade do que o aço ferrita perlita.

No entanto, ainda existem algumas limitações na aplicação prática de barras de aço de granulação fina. Isso inclui requisitos rigorosos para equipamentos e tamanho da peça, microestrutura e propriedades irregulares devido à deformação e resfriamento irregular de barras de grande porte, e uma diminuição na taxa de rendimento da resistência devido a um aumento maior na resistência ao escoamento do que na resistência à tração quando o tamanho do grão é muito pequeno. O aço de granulação fina também apresenta baixa resistência à corrosão devido à sua estrutura de granulação fina e ao aumento do número de contornos de granulação.

Portanto, é necessário um maior desenvolvimento da tecnologia de cristalização fina.

4. Conclusão

Três métodos comuns para produzir barras de aço de alta resistência são microligas, cristalização fina e tratamento térmico residual.

Em comparação com os outros dois processos, as barras de aço microligadas têm a vantagem de desempenho estável, baixa sensibilidade ao envelhecimento por deformação e bom desempenho de soldagem.

As barras de aço tratadas termicamente são produzidas pela têmpera de barras de aço laminadas a quente, resultando em maior resistência. Este processo é eficiente em termos de recursos e energia, levando a custos de produção mais baixos.

O reforço de granulação fina é capaz de atender aos requisitos de resistência e tenacidade para reforço sísmico.

Apesar desses avanços, ainda existem alguns desafios nos processos acima, incluindo:

• O alto custo de produção da tecnologia de microligas;
• A baixa ductilidade, soldabilidade, desempenho de conexão mecânica e adaptabilidade de construção do reforço de tratamento térmico de resíduos;
• A complexidade da tecnologia de cristalização fina e a baixa taxa de rendimento de resistência do reforço.

Portanto, para produzir barras de aço de alta resistência, é crucial combinar efetivamente tecnologias de microliga, cristalização fina e tratamento térmico de resíduos com base nas necessidades reais de aplicação e na relação custo-benefício. Isto não só reduzirá a adição de elementos de liga e diminuirá os custos de produção, mas também aumentará significativamente as propriedades mecânicas das barras de aço.