砷元素對建筑用鋼筋物理性能的影響討論

喻愛喜，周琳，汪濤

（1.武昆股份公司生產管理中心質量計量檢測中心 云南 安寧 650302 2.武昆股份公司科技創新中心（技術中心） 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，Fe3As2，FeAs及固溶體形式存在，易發生偏析現象，砷含量較高時，影響鐵水質量的同時還影響最終產品質量。相關研究表明，由于砷常聚集在晶界處，對鋼材焊接條件下熔合線的沖擊韌性轉變溫度影響較大；其次，當砷含量與含量達到或超過0.5%的（Ni、Cr、Mn、V、Mo等） 過渡族金屬交互作用時可提高鋼材的回火脆性。相關國家產品標準對于不同類型鋼種的砷含量要求不同，如GB/T700-2006《碳素結構鋼》5.1.1.3條明確規定砷含量不得超過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》產品標準中并沒有對鋼中砷含量作出明確規定。砷的作用與磷元素相似，在鋼中含量不能超過0.10%，它對鋼的一般力學性能（常溫狀態下）影響不大，但增加回火脆性的敏感性如對彎曲性能特別敏感，超過一定限量（或與其他有害元素疊加含量較高時）常常導致彎曲脆斷，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。主要通過對砷元素≤0.10%的鑄坯軋制后對建筑用鋼材性能影響情況進行跟蹤研究，確定今后公司自產坯有害元素砷的化學成分最高含量值。

1 使用現狀

一段時間內，公司冶金生產過程使用的鐵礦石自給能力不足50%。隨著礦產資源稅和環境使用稅的開征，以及礦石資源不斷被壟斷，國外進口礦石的采購成本相應上升，約占生鐵生產成本的75%～85%，因此，若要獲得相對多的利潤，必須優化用礦成本。公司在配礦過程中適當提高了采購成本低的省內貧雜礦使用比例，其進廠渠道多，多數貧雜礦的有害元素含量相對偏高，砷含量平均0.210%，部分甚至達到0.285%。在2009年8~11月用礦結構調整過程中，使用了一部分砷含量在0.140%～0.285%的純粉礦進行配料后作為燒結用原料，同時對鐵水質量進行跟蹤，因砷含量較高，鐵水質量出現明顯波動，煉鋼工序使用該批鐵水冶煉后，連續產生了17爐砷含量偏高達到0.080%以上的鑄坯，經公司專業管理部門及生產單位共同評審決定，對砷含量≤0.100%～>0.080%的3爐鑄坯按合格品評審判定后進行試軋跟蹤，視檢驗結果確定余下鑄坯的處置和今后出現類似情況如何管理，其次，砷含量超過0.100%的鑄坯按不合格品判定。

2 軋制及試驗方法

按評審決定對砷≤0.100%～>0.080%的3爐鑄坯按合格品判定后流往棒材生產線軋制，質檢部門在按爐送鋼流動卡中注明“軋制規格≤φ25mm，單爐軋制，取雙倍樣”；按HRB400熱軋工藝要求執行。公司質量管理部門和生產單位須對該批砷高的鑄坯進行現場跟蹤試軋，按標準規定數量的兩倍分散取樣送檢物理性能。同時，每爐加取1根4m長的試樣進行成分、物理性能、時效的試驗分析，送樣單注明“來樣保留”。時效以一周為一個時間段，在同一根鋼筋上依次取樣檢驗第一周、第二周、……第四周的性能時效變化。

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前相鄰前后爐批一致的前提下，按確定試軋方案連續入爐軋制了3批砷高的HRB400鑄坯，相關單位專業技術管理人員現場跟蹤軋制全過程，監督生產單位對每批鋼材按標準規定樣量的兩倍間隔分散取樣送檢。

2.2 化學成分分析力學和工藝性能試驗結果

對試軋爐批進行成分分析、力學和工藝性能試驗。根據試驗結果，研究鋼中砷含量不大于0.100%時對成品鋼材力學和工藝性能的影響，試樣成分見表1。力學及工藝性能試驗見表2。

表2 力學及工藝性能表

2.3 時效試驗

自然時效后的力學性能見表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照片所對應的力學性能。表5是圖1試樣所對應的化學成分。

從表1檢驗結果可以看出，在保證軋鋼工序加熱、軋制工藝及重量偏差穩定控制的前提下，鋼中砷含量不大于0.100%時，對成品鋼材的力學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 時效力學性能表

3 對砷含量高的鋼筋力學性能及工藝性能分析

3.1 性能分析

砷對鋼材力學性能的機理與磷有類似之處，常溫下，鋼中其含量在一定范圍內，可使鋼的強度增高、塑性降低。當達到一定量時，鋼會變脆，這是由于砷熔點低，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。通過對表1和表2、表4圖1對應試樣進行力學性能分析，在常溫下，砷對鋼力學性能影響小。金相組織與同規格、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對應的試樣的化學成分表

3.2 對砷含量高的鋼筋進行時效性能分析

圖3、圖4、圖5是2#樣品自然時效與基準試樣屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率對比分析圖。

圖3 2#樣品屈服強度變化對比圖

圖4 2#樣品抗拉強度變化對比圖

對圖3、圖4、圖5及表4分析。砷含量高的鋼筋經過4周時間自然時效，屈服和抗拉強度分別下降約20MPa、30MPa，斷后伸長率增加2%，說明在經過自然時效后，鋼筋強度較基準試樣有一定降低，但仍然符合GB/T1499.2標準表6中的要求。

圖5 2#樣品斷后伸長率變化對比圖

3.3 礦石及鋼坯

對于鋼中砷含量接近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定控制的前提下，對成品鋼材的力學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，為優化用礦結構和成本，獲得相對多的利潤，建議公司在配礦過程中可根據鋼材生產品種計劃及用途（生產的建筑用鋼材除HRB500及以上重點工程用鋼外），適當提高省內貧雜礦的使用比例，采用的主要對策是一方面從配礦控制入爐含砷量以滿足鋼材使用質量要求，另一方面采用高堿度燒結礦抑制砷揮發防止砷污染環境以滿足環保要求。

試軋成功后，對余下的砷含量接近0.100%的10爐鑄坯按常規工藝組織軋制，物理性能均合格。至今，跟蹤的定向發貨各個用戶（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彎曲斷裂等質量異議訴求，說明鋼材在使用過程中能夠滿足施工和相關標準要求，因此，可將試軋成功案例納入標準化管理。

4 結語

在配礦過程中可根據鋼材生產品種計劃及用途（生產的建筑用鋼材除HRB500及以上重點工程用鋼外），適當提高鐵貧雜礦使用比例。對于供軋建筑用鋼材，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，納入內控標準和日常檢驗判定管理。按常規工藝生產，軋制的鋼材直徑不得大于25mm，單爐軋制，定向發往非重點、非高層工程使用。砷含量≤0.100%～0.080%鋼筋的實際使用溫度應建議控制在室溫范圍內。