Barra de acero de alta resistencia: Producción y propiedades

1. Prefacio

Las barras de acero de alta resistencia se consideran la columna vertebral y el esqueleto de la industria de la construcción. En la actualidad, existen cinco áreas principales de desarrollo para los materiales de refuerzo de alta resistencia:

  • Hacer hincapié en la investigación, el desarrollo, la promoción y la aplicación de barras de acero de alta resistencia con una fuerza de 500 MPa y superior.
  • Centrado en la producción y utilización de refuerzos sísmicos.
  • Hacer hincapié en la investigación, el desarrollo, la promoción y la aplicación de refuerzos resistentes a la corrosión.
  • Reforzar la investigación, el desarrollo, la promoción y la aplicación de refuerzos rentables y de alto rendimiento.
  • Se centra en la investigación de la tecnología de aplicación del refuerzo de alta resistencia.

Este artículo ofrece un breve resumen de las propiedades y el proceso de producción de las barras de acero de alta resistencia y las barras de acero sísmico con un grado de 500MPa y superior para la construcción de edificios.

2. Proceso de producción del refuerzo de alta resistencia de 500 MPa y superior

2.1 Proceso de producción del refuerzo de alta resistencia de 500 MPa

El principal proceso de producción de barras de acero de alta resistencia de 500MPa consiste en añadir el elemento microaleante vanadio al acero de baja aleación 20MnSi y utilizar nitrógeno barato para lograr el refuerzo por precipitación. De este modo, el acero alcanza una resistencia de 500 MPa.

La tecnología de microaleación de vanadio presenta varias ventajas, como un diseño de composición rentable y razonable, un rendimiento de refuerzo estable, una elevada relación resistencia/rendimiento y un excelente rendimiento a baja temperatura y en soldadura.

Este proceso se considera un método óptimo para producir refuerzo de alta resistencia de 500 MPa.

2.1.1 Diseño de la composición y propiedades mecánicas

GB1499.2 (revisada en 2016) especifica que la composición química y el equivalente de carbono de HRB500 deben cumplir los requisitos enumerados en la Tabla 1. Además, elementos como el vanadio, el niobio y el titanio puede añadirse al acero según sea necesario.

La tabla 1 de GB1499.2 (revisada en 2016) describe la composición química y los requisitos de propiedades mecánicas para el refuerzo de alta resistencia de 500 MPa.

Composición química, masa%MarcaHRB500HRBFS00HRBSODEHRBFSOOE
C0.25
Si0.8
Mn1.6
P0.045
S0.045
Ca0.S5
Propiedades mecánicasLímite elástico RtL, MPa500
Resistencia a la tracción R, MPa630
Alargamiento tras fractura A%15-
Longitud secundaria total relación de fuerza máxima A%7.59

2.1.2 Itinerario técnico

Los procesos técnicos para la producción de barras de acero de alta resistencia de 500MPa incluyen el tratamiento térmico residual posterior al laminado, el grano ultrafino y el microaleado.

Los dos primeros métodos utilizan la composición del acero de baja aleación 20MnSi, mientras que el proceso de microaleación consiste en añadir elementos de microaleación como vanadio, niobio y titanio al 20MnSi.

1) Microaleación

La tecnología de microaleación mejora propiedades mecánicas del acero añadiendo elementos de microaleación al acero 20MnSi mediante métodos metalúrgicos. El mecanismo de refuerzo implica la formación de carburos y nitruros de alto punto de fusión y gran dureza a partir de los elementos de microaleación y los átomos de carbono y nitrógeno del acero.

Por un lado, la precipitación de estos carburos y nitruros en el austenita El límite de grano impide el crecimiento de los granos de austenita durante el calentamiento y da lugar al 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 obstaculiza el movimiento de dislocación en la red de hierro y conduce al fortalecimiento de la precipitación.

2) Tecnología de grano ultrafino

La tecnología de grano ultrafino es un moderno proceso de producción que combina la laminación controlada y el enfriamiento controlado, y no requiere la adición de elementos de microaleación. La aplicación de este proceso requiere un control informático de la temperatura en toda la línea de producción de laminado de acero, y el sistema específico del proceso de laminado debe adaptarse a la variedad y las especificaciones del acero.

Esta tecnología utiliza una combinación de mecanismos de laminación controlada por recristalización, laminación controlada por no recristalización, transformación de ferrita inducida por deformación y recristalización dinámica de ferrita para controlar el tamaño de grano y la microestructura, logrando en última instancia el refuerzo de grano fino del acero.

3) Tratamiento térmico residual tras el laminado

La tecnología de tratamiento térmico residual posterior al laminado es un proceso que no requiere la adición de elementos de microaleación. Integra los procesos de laminación en caliente y tratamiento térmico, en el que las barras de acero se templan en línea tras la laminación en caliente para enfriar la superficie y, a continuación, el calor residual del núcleo de acero se utiliza para templar la capa superficial de las barras de acero. Esto transforma la estructura superficial de las barras de acero en sorbita templada, que retiene el martensita mientras que el núcleo se convierte en una estructura refinada de ferrita y perlita con un mayor contenido relativo de perlita. El resultado final es que el acero 20MnSi alcanza un nivel de resistencia de 500 MPa gracias al refuerzo microestructural.

Aunque el tratamiento térmico posterior al laminado y las tecnologías de grano ultrafino no requieren la adición de elementos de microaleación, tienen un elevado coste de equipo y una baja relación resistencia/rendimiento, y son propensos al envejecimiento. En consecuencia, estos métodos no son adecuados para conexiones mecánicas mediante soldadura o daños superficiales.

La tecnología de microaleación tiene el menor coste de equipamiento, ya que no requiere equipos de control de temperatura en la línea de producción de laminado de acero. También tiene una elevada relación resistencia/rendimiento, baja sensibilidad al envejecimiento y buen rendimiento de soldadura.

Basándose en una comparación del rendimiento del producto y el coste de producción, se puede concluir que el mejor método técnico para producir barras de acero de alta resistencia de 500MPa es mediante el proceso de microaleación.

La tabla 2 de GB1499.2 (revisada en 2016) describe la composición química y los requisitos de propiedades mecánicas para el refuerzo de alta resistencia de 600 MPa.

Composición química, masa%Número de bazoHRB600
C0.28
Si0.8
Mn1.6
P0.045
S0.045
Cr0.58
Propiedades mecánicasLímite elástico RL, MPa600
Resistencia a la tracción Rm/MPa730
Alargamiento tras fractura%14
Alargamiento total de la fuerza máxima A%7.5

2.2 Proceso de producción del refuerzo de alta resistencia de 600 MPa

2.2.1 Diseño de la composición y propiedades mecánicas

En la actualidad, plantas siderúrgicas como las de Shagang, Chenggang y Jigang, en China, tienen un historial probado de producción con éxito de barras deformadas laminadas en caliente de 600 MPa.

La tabla 2 de GB1499.2 (revisada en 2016) describe los requisitos para la composición química y las propiedades mecánicas del refuerzo de alta resistencia HRB600 de 600MPa.

2.2.2 Itinerario técnico

En la actualidad, muchas plantas siderúrgicas de China pueden producir barras de acero de alta resistencia de 600 MPa que se utilizan en proyectos de construcción. Sin embargo, la investigación sobre la composición química, la transformación de fases y la evolución de la microestructura de estas barras de acero y su relación con los procesos de producción de laminación y enfriamiento es limitada. El resultado es una adaptación inadecuada de la tecnología de microaleación y de los procesos controlados de laminación y enfriamiento, lo que conlleva el desperdicio de costosos recursos. elementos de aleación y el incumplimiento de las propiedades mecánicas exigidas a las barras de acero.

Las plantas siderúrgicas nacionales, como Shagang, Chenggang y Jigang, que han logrado con éxito la producción de HRB600 adoptan principalmente la técnica de aleación con vanadio, que consiste en añadir 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 sigue siendo poco frecuente.

La tecnología de aleación con vanadio es la principal vía técnica para desarrollar barras de acero soldables de alta resistencia en todo el mundo. El control del proceso puede lograrse mediante el laminado controlado y el enfriamiento controlado o el tratamiento térmico posterior al laminado. Las barras de acero de alta resistencia se producen mediante laminado controlado y enfriamiento controlado, 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 que el de las barras de acero de resistencia media y baja para producir barras de acero de alta resistencia de 600 MPa mediante aleación tiene varias ventajas. En primer lugar, evita la transformación de la línea de producción y los problemas asociados a ella, incluido el coste de modificación de los equipos. En segundo lugar, ayuda a la producción rápida a gran escala y a la promoción de nuevos productos HRB600.

Sin embargo, depender únicamente de la aleación para mejorar la resistencia aumenta el coste de las aleaciones, y un mayor contenido de aleación también puede causar anomalías estructurales.

En conclusión, el proceso actual de producción del refuerzo de alta resistencia de 600 MPa consiste principalmente en la aleación, complementada por el control del proceso. Durante la fase inicial, el proceso de producción del refuerzo de alta resistencia de 600 MPa debe ser lo más parecido posible al del refuerzo de resistencia media y baja para facilitar su adopción y aplicación generalizadas.

3. Proceso de producción del refuerzo antisísmico de alta resistencia

Debido a la creciente demanda del sector chino de la construcción de barras de acero de alto rendimiento, existe una preocupación generalizada por la seguridad y la resistencia sísmica de las estructuras de los edificios.

3.1 Diseño de la composición y propiedades mecánicas

En la norma GB 1499.2-2007, el índice de comportamiento sísmico de la armadura se incluye por primera vez como norma nacional. Se han especificado tres índices representativos del refuerzo sísmico: la relación resistencia-rendimiento (R ˚ m /R ˚ eL), el índice super relación de flexión (R ˚ eL/ReL), y la elongación total a la fuerza máxima (Agt).

Las tablas 3 y 4 muestran la composición química y los índices de propiedades mecánicas de las armaduras sísmicas HRB400E y HRB500E procedentes de una acería nacional. Estos índices se obtuvieron a partir de la inspección multimuestra.

Tabla 3 Composición química del refuerzo sísmico de alta resistencia HRB400E y HRB500E %

MarcaCSiMnV
HRB400E0.19-0.250.36-0.570.27-1.520.035-0.056
HRB500E0.20-0.250.36-0.571.38-1.580.082-0.113

Tabla 4 Inspección de las propiedades mecánicas de las armaduras sísmicas de alta resistencia HRB400E y HRB500E

MarcaRpL,MPaRm,MPaA,%Agt,%R0m/R0pLR0pL/RpL
HRB400E425-485570-62521.5-30.510.5-18.51.28-1.411.06-1.21
HRBS00E515-595665-72519.5-26.510.0-17.51.26-1.391.03-1.19

3.2 Itinerario técnico

3.2.1 Tecnología de microaleación

El comportamiento a la fatiga de alta deformación y bajo ciclo es el principal índice sísmico de las barras de acero.

El método principal para mejorar el rendimiento a fatiga de las barras de acero sísmico con alta deformación y bajo ciclo es la microaleación. Esta tecnología se utiliza ampliamente tanto a nivel nacional como internacional para mejorar las propiedades integrales de las barras de acero mediante el refinamiento de los granos y el refuerzo por precipitación.

En China, se prefiere el vanadio como elemento de microaleación, y se añade al mismo tiempo una pequeña cantidad de nitrógeno para aumentar el número de fases precipitadas V (C, N). De este modo se potencia el papel del refuerzo por precipitación y el refuerzo de grano fino, y se mejora significativamente el comportamiento sísmico del acero.

Algunos investigadores también han desarrollado con éxito un refuerzo antisísmico de grano fino y alta resistencia de 600 MPa mediante un proceso de microaleación de Cr+V. El vanadio se utiliza para formar compuestos V (C, N) en el 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 los requisitos de resistencia sísmica de alta resistencia de grano fino de 600 MPa.

La estructura metalográfica del refuerzo se compone de "ferrita+perlita" en el borde y en el centro, sin bainita ni estructura de revenido en el borde que pudiera afectar negativamente a su rendimiento en servicio.

3.2.2 Tecnología de cristalización fina

Japón tiene un largo historial de estudio de la tecnología de cristalización fina, que consiste en combinar el laminado de gran deformación con la recristalización dinámica para refinar la estructura del grano. Esto ha llevado al desarrollo del refuerzo sísmico de ultra alta resistencia con un rango de resistencia de 685-980MPa, que se considera de nivel avanzado internacional.

En cambio, China se centra en combinar la deformación y la transformación de fases para lograr el refinamiento del grano.

Las barras de acero de grano fino destacan por su amplio rango de deformación plástica cíclica y su baja probabilidad de agrietamiento durante la deformación del material. Además, estas barras tienen una mayor tenacidad cíclica y una menor vida a fatiga por ciclos en comparación con las barras de acero tratadas térmicamente con residuos. Además, el acero de grano ultrafino tiene mejor soldabilidad que el acero perlita ferrita.

Sin embargo, todavía existen algunas limitaciones en la aplicación práctica de las barras de acero de grano fino. Entre ellas se encuentran los estrictos requisitos de equipamiento y tamaño de la pieza, la microestructura y propiedades desiguales debidas a la deformación y el enfriamiento desigual de las barras de gran tamaño, y la disminución del coeficiente de límite elástico debido a un mayor aumento del límite elástico que de la resistencia a la tracción cuando el tamaño del grano es demasiado pequeño. El acero de grano fino también presenta una baja resistencia a la corrosión debido a su estructura de grano fino y al mayor número de límites de grano.

Por lo tanto, es necesario seguir desarrollando la tecnología de cristalización fina.

4. Conclusión

Tres métodos habituales para producir barras de acero de alta resistencia son la microaleación, la cristalización fina y el tratamiento térmico de residuos.

En comparación con los otros dos procesos, las barras de acero microaleado tienen la ventaja de un rendimiento estable, una baja sensibilidad al envejecimiento por deformación y un buen rendimiento de soldadura.

Las barras de acero tratadas con calor residual se fabrican templando barras de acero laminadas en caliente, lo que mejora su resistencia. Este proceso es eficiente desde el punto de vista energético y de los recursos, lo que reduce los costes de producción.

El refuerzo de grano fino es capaz de satisfacer tanto los requisitos de resistencia como de tenacidad para el refuerzo sísmico.

A pesar de estos avances, los procesos mencionados siguen planteando algunos retos, entre ellos:

  • El elevado coste de producción de la tecnología de microaleación;
  • La escasa ductilidad, soldabilidad, rendimiento de las conexiones mecánicas y adaptabilidad a la construcción de las armaduras de tratamiento térmico de residuos;
  • La complejidad de la tecnología de cristalización fina y el bajo límite elástico de la armadura.

Por lo tanto, para producir barras de acero de alta resistencia, es crucial combinar eficazmente las tecnologías de microaleación, cristalización fina y tratamiento térmico de residuos en función de las necesidades reales de aplicación y de la rentabilidad. Esto no sólo reducirá la adición de elementos de aleación y disminuirá los costes de producción, sino que también mejorará significativamente la propiedades mecánicas del acero bares.

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Shane
Autor

Shane

Fundador de MachineMFG

Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.

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