建筑用钢材的冶炼、分类和主要技术标准.pdf

建筑用钢材的冶炼、分类和主要技术标准 钢材是以铁为主要元素，含碳量一般在 2%以下，并含有其他元素的材料。建筑钢材是指建筑工程中使用的各种钢材，包括钢结构用各种型材（如圆钢、角钢、工字钢、钢管）、板材，以及混凝土结构用钢筋、钢丝、钢绞线。钢材是在严格的技术条件下生产的材料，它有如下的优点：材质均匀，性能可靠，强度高，具有一定的塑性和韧性，具有承受冲击和振动荷载的能力，可焊接、铆接或螺栓连接，便于装配；其缺点是：易锈蚀，维护费用大。钢材的这些特性决定了它是经济建设部门所需要的重要材料之一。建筑上由各种型钢组成的钢结构安全性大，自重较轻，适用于大跨度和高层结构。但由于各部门都需要大量的钢材，因此钢结构的大量应用在一定程度上受到了限制。而混凝土结构尽管存在着自重大等缺点，但用钢量大为减少，同时克服了钢材因锈蚀而维护费用高的缺点，所以钢材在混凝土结构中得到了广泛的应用。第一节 钢的冶炼 钢是由生铁冶炼而成的，钢和铁都是铁碳合金，钢的含碳量在 2%以下，而生铁的含碳量大于 2%。另外，钢中的杂质含量也少于生铁。生铁中由于含有较多的碳和其他杂质，性质较脆，强度低、韧性差，也不能采用轧制、锻压等方法进行加工。生铁有炼钢生铁和铸造生铁之分。炼钢生铁中铁和碳元素以 Fe3C 化合物形式存在，其断口为银白色，质硬而强度高，又称为白口铁。而铸造生铁中碳以石墨状态存在，断面呈灰色，也称灰口铁，质较软、强度低，可进行切削加工，用于铸造业。钢的冶炼就是将熔融的生铁进行氧化，使碳的含量降低到规定范围，其他杂质含量也降低到允许范围之内。根据炼钢设备所用炉种不同，炼钢方法主要可分为平炉炼钢、氧气转炉炼钢和电炉炼钢三种。（一）平炉炼钢 平炉是较早使用的炼钢炉种。它以熔融状态或固体状生铁、铁矿石或废钢铁为原料，以煤气或重油为燃料，利用铁矿石中的氧或鼓入空气中的氧使杂质氧化。因为平炉的冶炼时间长，便于化学成分的控制和杂质的去除，所以平炉钢的质量稳定而且比较好，但由于炼制周期长、成本较高，此法逐渐被氧气转炉法取代。（二）氧气转炉炼钢 以熔融的铁水为原料，由转炉顶部吹入高纯度氧气，能有效地去除有害杂质，并且冶炼时间短（2040min），生产效率高，因此氧气转炉钢质量好，成本低，应用广泛。（三）电炉炼钢 以电为能源迅速将废钢、生铁等原料熔化，并精炼成钢。电炉又分为电弧炉、感应炉和电渣炉等。因为电炉熔炼温度高，便于调节控制，所以电炉钢的质量最好，主要用于冶炼优质碳素钢及特殊合金钢，但成本较高。冶炼后的钢水中含有以 FeO 形式存在的氧，FeO 与碳作用生成 CO 气泡，并使某些元素产生偏析（分布不均匀），影响钢的质量。因此必须进行脱氧处理，方法是在钢水中加入锰铁、硅铁或铝等脱氧剂。由于锰、硅、铝与氧的结合能力大于氧与铁的结合能力，生成的 MnO、SiO2、Al2O3 等氧化物成为钢渣被排除。第二节 钢的分类（一）按化学成分分类 1.碳素钢 含碳量为 0.02%2.06%的铁碳合金称为碳素钢，也称碳钢。其主要成分是铁和碳，还有少量的硅、锰、磷、硫、氧、氮等。碳素钢中的含碳量较多，且对钢的性质影响较大。根据含碳量的不同，碳素钢又分为三种：低碳钢，含碳量小于 0.25%；中碳钢，含碳量为 0.25%0.6%；高碳钢，含碳量大于 0.6%。2.合金钢 合金钢是在碳素钢中加入一定的合金元素的钢。钢中除含有铁、碳和少量不可避免的硅、锰、磷、硫外，还含有一定量的（有意加入的）硅、锰、铁、钛、钒等一种或多种合金元素。其目的是改善钢的性能或使其获得某些特殊性能。合金钢按合金元素总含量分为三种：低合金钢，合金元素总含量小于 5%；中合金钢，合金元素总含量为 5%10%；高合金钢，合金元素总含量大于10%。（二）按冶炼时脱氧程度分类 冶炼时脱氧程度不同，钢的质量差别很大，通常可分为以下四种。1.沸腾钢 炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，有大量的CO 气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“F”。沸腾钢组织不够致密，成分不够均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。2.镇静钢 炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能有去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“Z”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。3.半镇静钢 半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“B”。4.特殊镇静钢 特殊镇静钢是比镇静钢脱氧程度还要充分还要彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构，代号为“TZ”。（三）按压力加工方式分类 由于在冶炼、铸锭过程中，钢材中往往出现结构不均匀、气泡等缺陷，因此在工业上使用的钢材须经压力加工，使缺陷得以消除，同时具有要求的形状。压力加工可分为热加工和冷加工。1.热加工钢材 热加工是将钢锭加热至一定温度，使钢锭呈塑性状态进行的压力加工，如热轧、热锻等。2.冷加工钢材 冷加工钢材是指在常温下进行加工的钢材。（四）按有害杂质含量分类 按钢中有害杂质磷（P）和硫（S）含量的多少，钢材可分为以下四类。1.普通钢 磷含量不大于 0.045%，硫含量不大于 0.050%。2.优质钢 磷含量不大于 0.035%，硫含量不大于 0.035%。3.高级优质钢 磷含量不大于 0.030%，硫含量不大于 0.030%。4.特级优质钢 磷含量不大于 0.025%，硫含量不大于 0.020%。三、钢材的加工 冶炼生产的钢，除极少量直接用做铸件外，绝大部分都是先浇铸成钢锭，然后再加工制成各种钢材。将钢锭加热到 11501300后进行热轧，所得的产品为热轧钢材。将钢锭先热轧，经冷却至室温后再进行冷轧的产品为冷轧钢材。一般建筑钢材以热轧为主。钢管是用钢板加工焊制而成的。无缝钢管是对实心钢坯进行穿孔，经热轧、挤压、冷轧、冷拔等工艺而制得的。第三节 钢材的主要技术标准 一、碳素结构钢（一）碳素结构钢的牌号及其表示方法 国家标准碳素结构钢（GB/T7002006）规定，碳素结构钢按其屈服点分Q195、Q215、Q235 和 Q275 四个牌号。各牌号钢又按其硫、磷含量由多至少分为 A、B、C、D 四个质量等级。碳素结构钢的牌号由代表屈服强度的字母“Q”、屈服强度数值（单位为 MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号（F、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。例如，Q235AF，它表示屈服强度为 235MPa、质量等级为 A 级的沸腾碳素结构钢。碳素结构钢的牌号组成中，表示镇静钢的符号“Z”和表示特殊镇静钢的符号“TZ”可以省略，例如：质量等级分别为 C 级和 D 级的 Q235 钢，其牌号表示为 Q235CZ 和 Q235DTZ，可以省略为 Q235C 和 Q235D。（二）碳素结构钢的技术要求 碳素结构钢的化学成分、力学性能及冷弯性能应符合表 7.1、表 7.2 及表 7.3的规定。表 7.1 碳素结构钢的化学成分（GB/T7002006）注：表中为镇静钢、特殊镇静钢牌号的统一数字代码，沸腾钢牌号的统一数字代号如下：Q195F-U11950；Q215AF-U12150，Q215BF-U12153；Q235AF-U12350，Q235BF-U12353；Q275AF-U12750。经需方同意，Q235B 的碳含量可不大于 0.22%。表 7.2 碳素结构钢的力学性能（GB/B7002006）注：Q195 的屈服强度值仅供参考，不作交货条件。厚度大于 100mm 的钢材，抗拉强度下限允许降低 20MPa。宽带钢（包括剪切钢板）抗拉强度上限不作交货条件。厚度小于 25mm 的 Q235B 级钢材，如供方能保证冲击吸收值合格，经需方同意，可不做检验。表 7.3 碳素机构钢的冷弯性能（GB/T7002006）由表 7.1、表 7.2 和表 7.3 可知，碳素结构钢随着牌号的增大，其含碳量增加，强度提高，塑性和韧性降低，冷弯性能逐渐变差。（三）碳结构钢的特性与选用 工程中应用最广泛的碳素结构钢牌号为 Q235，其含碳量为 0.14%0.22%，属低碳钢，由于该牌号钢既具有较高的强度，又具有较好的塑性和韧性，可焊性也好，故能较好地满足一般钢结构和钢筋混凝土结构的用钢要求。Q195、Q215 号钢强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用做钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q215 号钢经冷加工后可代替 Q235 号钢使用。Q275 号钢强度较高，但塑性、韧性和可焊性较差，不易焊接和冷加工，可用于轧制钢筋、制作螺栓配件等。二、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢分为优质钢、高级优质钢（钢号后加 A）和特级优质钢（钢号后加 E）。根据国家标准钢铁产品牌号表示方法（GB/T2212000）规定，优质碳素结构钢的牌号采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和规定的符号表示，以两位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分数计），例如：平均含碳量为 0.08%的沸腾钢，其牌号表示为“08F”；平均含碳量为 0.10%的半镇静钢，其牌号表示为“10b”；较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均含碳量的阿拉伯数字后加锰元素符号，如平均含碳量为 0.50%，含锰量为 0.70%1.0%的钢，其牌号表示为“50Mn”。目前，我国生产的优质碳素结构钢有 31 个牌号（详见 优质碳素结构钢（GB/T69919991），优质碳素结构钢中的硫、磷等有害杂质含量更低，且脱氧充分，质量稳定，在建筑工程中常用做重要结构的钢铸件、高强螺栓及预应力锚具。三、低合金高强度结构钢 为了改善碳素结构钢的力学性能和工艺性能，或为了得到某种特殊的理化性能，在炼钢时有意识地加入一定量的一种或几种合金元素，所得的钢称为合金钢。低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，添加总量小于 5%的一种或几种合金元素的一种结构钢，所加元素主要有锰、硅、钒、钛、铌、铬、镍及稀土元素，其目的是提高钢的屈服强度、抗拉强度、耐磨性、耐蚀性及耐低温性能等。因此，它是综合性能较为理想的钢材。另外，与使用碳素钢相比，可节约钢材20%30%，而成本并不很高。（一）低合金高强度结构钢的牌号表示法 根据国家标准低合金高强度结构钢（GB15911994）及钢铁产品牌号表示方法（GB/T2212000）的规定，低合金高强度结构钢分 5 个牌号。其牌号的表示方法由屈服点字母“Q”、屈服点数值（单位为 MPa）、质量等级（A、B、C、D、E 五级）三部分组成。例如：Q345C，Q345D。低合金高强度结构钢分为镇静钢和特殊镇静钢，在牌号的组成中没有表示脱氧方法的符号。低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量，以万分数计）和规定的元素符号，按顺序表示。（二）低合金高强度结构钢的技术要求 低合金高强度结构钢的拉伸、冷弯和冲击试验指标，按钢材厚度或直径不同，其技术要求见表 7.4。表 7.4 低合金高强度结构钢的力学性能 续表 （三）低合金高强度结构钢的特点与应用 由于低合金高强度结构钢中的合金元素的结晶强化和固熔强化等作用，该钢材不但具有较高的强度，而且也具有较好的塑性、韧性和可焊牲。因此，在钢结构和钢筋混凝土结构中常采用低合金高强度结构钢轧制型钢（角钢、槽钢、工字钢）、钢板、钢管及钢筋，来建筑桥梁、高层及大跨度建筑，尤其在承受动荷载和冲击荷载的结构中更为适用。另外，与使用碳素结构钢相比，可节约钢材 20%30%，而成本并不很高。目前，我国生产的低合金结构钢有17 种，分别是：09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn、18Nb、12MnV、09MnCuPTi、10MnSiCu、14MnNb、16Mn、16MnRe、10MnPNbRe、15MnV、15MnTi、16MnNb、14MnVTiRe、15MnVN。钢号中前面两个数字代表钢的平均含碳量的万分数，合金元素后无数字者，表示该元素的平均含量少于 1.5%，标有“2”、“3”则指其含量为“1.5%2.49%”及“2.5%3.49%”，余类推。例：09Mn2，表示该低合金高强度结构钢的含碳量为万分之九，合金元素为锰，其含量为 1.5%2.49%。