砷元素對(duì)建筑用鋼筋物理性能的影響討論

喻愛喜，周琳，汪濤

（1.武昆股份公司生產(chǎn)管理中心質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)中心 云南 安寧 650302 2.武昆股份公司科技創(chuàng)新中心（技術(shù)中心） 云南 安寧 650302）

0 引言

砷是鋼中常見殘留元素之一，主要來源于鐵礦石、廢鋼及再生生鐵。砷在鋼中常以Fe2As，F(xiàn)e3As2，F(xiàn)eAs及固溶體形式存在，易發(fā)生偏析現(xiàn)象，砷含量較高時(shí)，影響鐵水質(zhì)量的同時(shí)還影響最終產(chǎn)品質(zhì)量。相關(guān)研究表明，由于砷常聚集在晶界處，對(duì)鋼材焊接條件下熔合線的沖擊韌性轉(zhuǎn)變溫度影響較大；其次，當(dāng)砷含量與含量達(dá)到或超過0.5%的（Ni、Cr、Mn、V、Mo等） 過渡族金屬交互作用時(shí)可提高鋼材的回火脆性。相關(guān)國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于不同類型鋼種的砷含量要求不同，如GB/T700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》5.1.1.3條明確規(guī)定砷含量不得超過0.080%。而在GB/T1499.1《鋼筋混凝土用鋼第1部分熱軋光圓鋼筋》和GB/T 1499.2《鋼筋混凝土用鋼第2部分熱軋帶肋鋼筋》產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中并沒有對(duì)鋼中砷含量作出明確規(guī)定。砷的作用與磷元素相似，在鋼中含量不能超過0.10%，它對(duì)鋼的一般力學(xué)性能（常溫狀態(tài)下）影響不大，但增加回火脆性的敏感性如對(duì)彎曲性能特別敏感，超過一定限量（或與其他有害元素疊加含量較高時(shí)）常常導(dǎo)致彎曲脆斷，給建筑工程造成極大隱患。由于公司所處地理位置特殊性，省內(nèi)周邊礦山開采的礦石中都含有一定量的砷，決定了帶肋鋼筋中砷的主要來源源于礦石。主要通過對(duì)砷元素≤0.10%的鑄坯軋制后對(duì)建筑用鋼材性能影響情況進(jìn)行跟蹤研究，確定今后公司自產(chǎn)坯有害元素砷的化學(xué)成分最高含量值。

1 使用現(xiàn)狀

一段時(shí)間內(nèi)，公司冶金生產(chǎn)過程使用的鐵礦石自給能力不足50%。隨著礦產(chǎn)資源稅和環(huán)境使用稅的開征，以及礦石資源不斷被壟斷，國外進(jìn)口礦石的采購成本相應(yīng)上升，約占生鐵生產(chǎn)成本的75%～85%，因此，若要獲得相對(duì)多的利潤(rùn)，必須優(yōu)化用礦成本。公司在配礦過程中適當(dāng)提高了采購成本低的省內(nèi)貧雜礦使用比例，其進(jìn)廠渠道多，多數(shù)貧雜礦的有害元素含量相對(duì)偏高，砷含量平均0.210%，部分甚至達(dá)到0.285%。在2009年8~11月用礦結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中，使用了一部分砷含量在0.140%～0.285%的純粉礦進(jìn)行配料后作為燒結(jié)用原料，同時(shí)對(duì)鐵水質(zhì)量進(jìn)行跟蹤，因砷含量較高，鐵水質(zhì)量出現(xiàn)明顯波動(dòng)，煉鋼工序使用該批鐵水冶煉后，連續(xù)產(chǎn)生了17爐砷含量偏高達(dá)到0.080%以上的鑄坯，經(jīng)公司專業(yè)管理部門及生產(chǎn)單位共同評(píng)審決定，對(duì)砷含量≤0.100%～>0.080%的3爐鑄坯按合格品評(píng)審判定后進(jìn)行試軋跟蹤，視檢驗(yàn)結(jié)果確定余下鑄坯的處置和今后出現(xiàn)類似情況如何管理，其次，砷含量超過0.100%的鑄坯按不合格品判定。

2 軋制及試驗(yàn)方法

按評(píng)審決定對(duì)砷≤0.100%～>0.080%的3爐鑄坯按合格品判定后流往棒材生產(chǎn)線軋制，質(zhì)檢部門在按爐送鋼流動(dòng)卡中注明“軋制規(guī)格≤φ25mm，單爐軋制，取雙倍樣”；按HRB400熱軋工藝要求執(zhí)行。公司質(zhì)量管理部門和生產(chǎn)單位須對(duì)該批砷高的鑄坯進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤試軋，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)量的兩倍分散取樣送檢物理性能。同時(shí)，每爐加取1根4m長(zhǎng)的試樣進(jìn)行成分、物理性能、時(shí)效的試驗(yàn)分析，送樣單注明“來樣保留”。時(shí)效以一周為一個(gè)時(shí)間段，在同一根鋼筋上依次取樣檢驗(yàn)第一周、第二周、……第四周的性能時(shí)效變化。

2.1 跟蹤軋制

2009年11月，在加熱、軋制等工藝制度以及重量偏差控制與當(dāng)前相鄰前后爐批一致的前提下，按確定試軋方案連續(xù)入爐軋制了3批砷高的HRB400鑄坯，相關(guān)單位專業(yè)技術(shù)管理人員現(xiàn)場(chǎng)跟蹤軋制全過程，監(jiān)督生產(chǎn)單位對(duì)每批鋼材按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定樣量的兩倍間隔分散取樣送檢。

2.2 化學(xué)成分分析力學(xué)和工藝性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)試軋爐批進(jìn)行成分分析、力學(xué)和工藝性能試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，研究鋼中砷含量不大于0.100%時(shí)對(duì)成品鋼材力學(xué)和工藝性能的影響，試樣成分見表1。力學(xué)及工藝性能試驗(yàn)見表2。

表2 力學(xué)及工藝性能表

2.3 時(shí)效試驗(yàn)

自然時(shí)效后的力學(xué)性能見表3。

2.4 金相組織

圖1是1#樣品正常1-1#的金相組織照片，圖2是HRB400As含量低于0.050%爐批的金相組織照片。表4是圖1照片所對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能。表5是圖1試樣所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分。

從表1檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，在保證軋鋼工序加熱、軋制工藝及重量偏差穩(wěn)定控制的前提下，鋼中砷含量不大于0.100%時(shí)，對(duì)成品鋼材的力學(xué)和工藝性能沒有明顯影響，能夠滿足用戶使用要求。

圖1 樣品圖一

圖2 樣品圖二

表3 時(shí)效力學(xué)性能表

3 對(duì)砷含量高的鋼筋力學(xué)性能及工藝性能分析

3.1 性能分析

砷對(duì)鋼材力學(xué)性能的機(jī)理與磷有類似之處，常溫下，鋼中其含量在一定范圍內(nèi)，可使鋼的強(qiáng)度增高、塑性降低。當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，鋼會(huì)變脆，這是由于砷熔點(diǎn)低，在鋼中溶解度小，未溶解的剩余砷以化合物或共晶體形式分布在晶界上，降低金屬塑性。通過對(duì)表1和表2、表4圖1對(duì)應(yīng)試樣進(jìn)行力學(xué)性能分析，在常溫下，砷對(duì)鋼力學(xué)性能影響小。金相組織與同規(guī)格、同工藝及成分接近下的金相組織相差不大（見圖1、圖2）。

表5 圖1對(duì)應(yīng)的試樣的化學(xué)成分表

3.2 對(duì)砷含量高的鋼筋進(jìn)行時(shí)效性能分析

圖3、圖4、圖5是2#樣品自然時(shí)效與基準(zhǔn)試樣屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率對(duì)比分析圖。

圖3 2#樣品屈服強(qiáng)度變化對(duì)比圖

圖4 2#樣品抗拉強(qiáng)度變化對(duì)比圖

對(duì)圖3、圖4、圖5及表4分析。砷含量高的鋼筋經(jīng)過4周時(shí)間自然時(shí)效，屈服和抗拉強(qiáng)度分別下降約20MPa、30MPa，斷后伸長(zhǎng)率增加2%，說明在經(jīng)過自然時(shí)效后，鋼筋強(qiáng)度較基準(zhǔn)試樣有一定降低，但仍然符合GB/T1499.2標(biāo)準(zhǔn)表6中的要求。

圖5 2#樣品斷后伸長(zhǎng)率變化對(duì)比圖

3.3 礦石及鋼坯

對(duì)于鋼中砷含量接近0.100%的供軋建筑鋼材用鑄坯，跟蹤軋制后在保證軋鋼工序加熱工藝、軋制工藝及重量偏差穩(wěn)定控制的前提下，對(duì)成品鋼材的力學(xué)和工藝性能沒有明顯的影響，能夠滿足用戶的使用要求，同時(shí)，為優(yōu)化用礦結(jié)構(gòu)和成本，獲得相對(duì)多的利潤(rùn)，建議公司在配礦過程中可根據(jù)鋼材生產(chǎn)品種計(jì)劃及用途（生產(chǎn)的建筑用鋼材除HRB500及以上重點(diǎn)工程用鋼外），適當(dāng)提高省內(nèi)貧雜礦的使用比例，采用的主要對(duì)策是一方面從配礦控制入爐含砷量以滿足鋼材使用質(zhì)量要求，另一方面采用高堿度燒結(jié)礦抑制砷揮發(fā)防止砷污染環(huán)境以滿足環(huán)保要求。

試軋成功后，對(duì)余下的砷含量接近0.100%的10爐鑄坯按常規(guī)工藝組織軋制，物理性能均合格。至今，跟蹤的定向發(fā)貨各個(gè)用戶（工程）均未提出該批含砷量≤0.100%～>0.080%鑄坯軋制的鋼材使用后出現(xiàn)彎曲斷裂等質(zhì)量異議訴求，說明鋼材在使用過程中能夠滿足施工和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，因此，可將試軋成功案例納入標(biāo)準(zhǔn)化管理。

4 結(jié)語

在配礦過程中可根據(jù)鋼材生產(chǎn)品種計(jì)劃及用途（生產(chǎn)的建筑用鋼材除HRB500及以上重點(diǎn)工程用鋼外），適當(dāng)提高鐵貧雜礦使用比例。對(duì)于供軋建筑用鋼材，鋼中砷含量接近并≤0.100%鑄坯，可按合格品判定，明確鋼中砷含量控制范圍，納入內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)和日常檢驗(yàn)判定管理。按常規(guī)工藝生產(chǎn)，軋制的鋼材直徑不得大于25mm，單爐軋制，定向發(fā)往非重點(diǎn)、非高層工程使用。砷含量≤0.100%～0.080%鋼筋的實(shí)際使用溫度應(yīng)建議控制在室溫范圍內(nèi)。