周和敏1,2，武兵強(qiáng)1，王長城3，蔡恒忠4，李存旺4

　　（1.鋼鐵研究總院先進(jìn)流程與材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京，100081）

　　2.鋼研晟華科技股份有限公司3.江蘇鹽城聯(lián)鑫鋼鐵有限公司4.廣西盛隆冶金有限公司）

　　1 引言

　　熱軋鋼筋主要包括帶肋鋼筋和光圓鋼筋，是重要的鋼筋混凝土用鋼材，廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土建筑的受力主筋、箍筋、配筋等。近些年，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國城市建設(shè)突飛猛進(jìn)。根據(jù)GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的規(guī)定，建筑高度大于27m的住宅建筑和建筑高度大于24m的非單層廠房、倉庫和其他民用建筑，建筑高度增加后，建筑的防火問題就成為直接關(guān)系到人身財(cái)產(chǎn)安全的重要問題[1]。日本鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，常溫下鋼材屈服強(qiáng)度的2/3相當(dāng)于該材料的長期允許應(yīng)力值，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，如果耐火鋼的屈服點(diǎn)仍然能保持此值，建筑物就不會(huì)倒塌。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)時(shí)間溫度曲線，火災(zāi)發(fā)生后30分鐘溫度可達(dá)到800℃，60分鐘可接近1000℃。由于普通建筑用鋼在溫度達(dá)到600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度明顯下降，不到室溫狀態(tài)下屈服強(qiáng)度的1/2，因此，使得普通鋼結(jié)構(gòu)建筑在火災(zāi)面前容易出現(xiàn)災(zāi)難性后果。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)所采用的鋼筋、水泥、砂石等建材在高溫作用下的理化性能發(fā)生改變，混凝土內(nèi)的鋼筋受到溫升的影響抗拉強(qiáng)度會(huì)降低，碳酸鹽、硅酸鹽在高溫下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)而使砌體破壞，因此，鋼筋的保護(hù)層厚度以及鋼筋在高溫下的性能，均會(huì)影響梁、柱、板等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐火極限以及發(fā)生火災(zāi)后建筑物的加固修護(hù)。

　　根據(jù)建筑用鋼的一般要求，耐火鋼筋可以定義為：鋼中加入適量的耐火合金元素，如Cr、Ni、Mo、Nb、V等，使其具有在600℃時(shí)其屈服強(qiáng)度不低于常溫屈服強(qiáng)度2/3的耐火性能，按熱軋狀態(tài)交貨的鋼筋。確定建筑用高強(qiáng)度耐火抗震鋼筋的性能指標(biāo)如下：

　?。?）耐火性能:Rel,600℃≥(2/3)Rel,20℃；

 　　表1  耐火鋼筋高溫性能

　　（2）室溫力學(xué)性能及其他質(zhì)量指標(biāo)滿足普通建筑用鋼標(biāo)準(zhǔn)的要求；

　　（3）抗震性：室溫下(Rm/Rel)≥1.25，屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍盡量??；

　?。?）焊接性良好；

　?。?）其他特殊性能根據(jù)具體要求設(shè)定，如耐大氣腐蝕和耐氯離子腐蝕。

　　鑒于我國鋼筋年產(chǎn)量達(dá)2億多噸，而耐火鋼筋的開發(fā)在國內(nèi)是空白，為了解決鋼筋在高層或超高層建筑的耐火性能問題，正在制定了耐火鋼筋相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并開展耐火鋼筋實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場試生產(chǎn)工作，取得了一定進(jìn)展。

　　2 耐火鋼筋實(shí)驗(yàn)研究

　　2.1合金元素對(duì)耐火性能的影響

　　Mo、Cr是提高鋼的高溫強(qiáng)度最為有效的合金元素，但很貴重，如在鋼中添加大量的這類元素將大幅度增加生產(chǎn)成本，這對(duì)使用量大而廣的結(jié)構(gòu)材料是不可行的[2,3]。另外，Cr，Mo等合金元素會(huì)增加鋼的淬透性，提高碳當(dāng)量，對(duì)焊接性不利。因此，建筑用耐火鋼中這類合金元素含量應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于耐熱鋼。Mo元素在耐火鋼主要起到固溶強(qiáng)化的作用，以固溶形式存在于鋼中的Mo的含量約占90%，并且隨著溫度的升高沒有顯著變化。隨著Mo含量的增加，髙溫強(qiáng)度增加十分明顯，使YS比（高溫屈服強(qiáng)度與低溫屈服強(qiáng)度比）上升，室溫強(qiáng)屈比提高，既提高了高溫性能又相對(duì)提高了抗震性能。Mo元素在鋼中起到一定的析出強(qiáng)化效果，其析出物主要有MoC和Mo2C。發(fā)現(xiàn)Mo2C在鋼中比較粗大，對(duì)鋼的強(qiáng)度作用很小，而細(xì)小的MoC對(duì)鋼的高溫強(qiáng)度貢獻(xiàn)比較明顯。Cr可以有效地提高鋼的高溫抗氧化性和抗蠕變性能，可以有效地提高鋼的高溫強(qiáng)度[4]。

　　耐火鋼的另一個(gè)主要強(qiáng)化方式是碳化物的析出強(qiáng)化作用，微合金化元素Nb，V，Ti析出物具有良好的高溫穩(wěn)定性，對(duì)提高鋼的高溫強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生有益的影響。日本通過在鋼中添加微量的Cr、Mo、Nb等合金元素開發(fā)出了耐火溫度為600℃的建筑用耐火鋼，韓國側(cè)重于Nb、V、Ti等微合金化元素的影響并降低了Mo的含量。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)Mo對(duì)高溫屈服強(qiáng)度的提升大于Nb，耐火鋼中均添加一定量的Mo，同時(shí)也添加Nb，V，Ti等元素。

　　由于原材料成本的增長，Mo、Ni、Cr、Nb、V、Ti等合金價(jià)格呈現(xiàn)翻番增長態(tài)勢。根據(jù)耐火鋼筋生產(chǎn)的技術(shù)要求，在煉鋼工序需要加入鎳鐵、鉻鐵、釩鐵或釩氮合金。如果利用海砂礦、紅土鎳礦廉價(jià)原料，代替部分鉬鐵合金，開發(fā)含鉻鎳的新型耐火鋼筋，將有利于降低鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)成本。

　　2.2 海砂礦紅土鎳礦直接還原技術(shù)

　　試驗(yàn)用紅土鎳礦取自菲律賓，其成分見表2。紅土鎳礦含有大量結(jié)晶水，總水分含量高達(dá)32%-35%。為確保合金冶煉爐況穩(wěn)定，鎳礦在入爐前必須進(jìn)行脫水至8~10%處理。需要研究烘干工藝制度（烘干溫度、烘干時(shí)間）對(duì)脫水率的影響。海砂礦取自印尼，其成分見表3。