高強度鋼筋減量化技術研究

張朝暉，趙福才，孔維明

（西安建筑科技大學冶金工程學院，西安 710055）

高強度鋼筋減量化技術研究

張朝暉，趙福才，孔維明

（西安建筑科技大學冶金工程學院，西安 710055）

闡述了微合金化高強度鋼筋具有強度高、焊接性能好、抗震性能優、經濟性好等特性，合金化工藝成為高強鋼筋生產的發展趨勢。高強度鋼筋在建筑工程中的推廣，有利于實現建筑用鋼的減量化。在生產過程中，根據市場需求的變化，合理地選擇低價位的合金元素，降低合金元素的添加量，采用控軋控冷技術提高強度，可降低生產成本，實現成本減量化。

高強度；鋼筋；減量化

鋼筋在鋼鐵材料中單個品種數量比例較高，約占全國鋼產量的20%以上，并且隨著我國城鎮化建設的加速，鋼筋的使用量增長速度較快。2011年我國鋼筋產量在1.5億t左右，其中主要以普通鋼筋為主，高強度鋼筋所占比例占45%左右。高強度鋼筋具有強度高、綜合性能優的特點，同時作為節材、節能環保產品，高強度鋼筋在建筑工程中的大力推廣應用，能夠實現建筑用鋼的減量化，從而提高資源利用率、節約建筑成本，這對推動我國節能減排的政策的實施具有重要的現實意義。

1 大力推廣高強度鋼筋，節約建筑鋼材更有利于保證施工質量

目前,我國建筑用鋼還主要以335MPa級及其以下強度級鋼筋為主。因此，為了達到建筑物的使用強度，必須增加鋼筋的使用數量。在建筑工程中利用高強鋼筋替代335MPa級鋼筋，平均可節省鋼材12%以上。如果在全國建筑行業內全部使用高強度鋼筋，2011年鋼筋的使用量可減少1170萬t，相應的可以節約鐵礦石1872萬t、標準煤702萬t，并且可減少二氧化碳排放量達2340萬t。同時，在施工中使用高強鋼筋，可減少鋼筋加工的工作量，方便混凝土澆筑，有利于保證混凝土施工質量[1]。

2 高強度鋼筋添加微量元素的減量化

目前國內高強度鋼筋主要有余熱熱處理、超細晶粒和微合金化3種生產工藝。經過余熱處理的鋼筋的可焊性、機械連接性能和施工使用性能較低，因而鋼筋的應用范圍受了限制，但其生產成本較低；超細晶粒鋼筋的焊接性能較差，這是因為在焊接過程中，由于焊接熱的影響區晶粒會長大，從而使焊接接頭區域出現軟化的現象，使其強度降低；微合金化工藝可使鋼筋具有強度高、焊接性能好、抗震性能優等特點，是產品性能最好的高強度鋼筋生產工藝，但生產成本相對較高。物質的經濟性通常為表現為性價比，對鋼筋來說表現為強度與價格之比，根據測算，高強度鋼筋比普通鋼筋具有較好的經濟效益。采用微合金化技術是世界各國發展高強度鋼筋的主要技術路線之一[1-2]。

2.1 高強度鋼筋微合金元素減量化的可行性分析

新修訂的熱軋帶肋鋼筋標準中對所添加得合金元素量不再作硬性要求，這就在鋼筋的生產過程中為減少合金元素的添加量提供了依據。關于高強度鋼筋微合金元素含量的規定，GB1499—1998要求V的含量在0.04%～0.12%之間，但在新修訂的標準中GB1499.2—2007中對該含量不再作硬性要求，僅提到根據需要鋼中可加入V、Nb、Ti等元素[3]。隨著冶煉和軋制技術的進步，目前將微合金化元素的含量控制在0.04%以下，已完全能滿足其強度的要求。

由于鋼筋這類長形材產品生產速度快，軋制溫度高，終軋溫度通常在1000℃以上，其生產工藝特點決定了鋼筋的合金設計適宜采用釩微合金化技術[4-5]。以H RB400級螺紋鋼為例，選用1 50mm×1 50mm斷面的方坯，其中V的含量在0.03 4%～0.040%之間，在軋制小規格（如Φ8mm和Φ10mm）螺紋鋼時，軋制壓縮比較大，產品性能良好，一般屈服強度在5 10MPa以上，詳見表1。該強度比國家標準高出100MPa以上。

為了節約成本，可將釩的含量降低至0.024%～0.026%，通過控制軋制和冷卻過程保證產品性能。降釩后，螺紋鋼的性能見表2。

表1 未降釩前螺紋鋼的性能參數

表2 降釩前螺紋鋼的性能參數

從表2中可以看出，將釩含量降低0.01%后，螺紋鋼的屈服強度還比國家標準高出70MPa以上，這說明還有降低合金釩含量的空間。

2.2 微合金化元素的理論添加量

企業在生產高強度鋼材時廣泛采用釩微合金化技術，利用微合金元素釩在鐵素體中與碳、氮結合生成細小彌散的顆粒物V（C，N），產生沉淀強化，同時阻止晶粒長大，起到細化晶粒作用，從而提高鋼的強度[5]。釩-氮鋼中的釩主要以V（C，N）形式析出，占釩總質量分數的70%，只有20%的釩固溶于基體，剩余10%的釩溶于Fe3C中[6]。釩是通過在奧氏體中以細小的VN、VC或V（C，N）形式析出，起到沉淀強化作用，也能在一定程度上細化晶粒，起到細晶強化作用[7-8]。Roborts[4]等在1980年所做的早期研究已證實了這一點，含V鋼中添加少量的N能顯著提高沉淀強化作用。

鋼筋是鐵素體+珠光體型鋼，屈服強度主要由4部分組成：基體的晶格力、晶粒細化強化、沉淀強化和固溶強化。V/N釩與氮的理想化學配比為3.64，釩在螺紋鋼中主要起到晶粒細化和沉淀強化的作用[9]，大量研究結果[5，10]表明，對具有鐵素體和珠光體組織的鋼的屈服強度具有以下關系式：

V/N釩與氮的理想化學配比為3.64；

為固溶強化值，其估算值為228；

為屈服強度，國家標準要求值400MPa以上；

鋼筋中 [C]為0.22%，[Si]為0.5%，[Mn]為1.30%，則釩的理論加入量為：

3 合理選取微合金化元素，采用控軋控冷技術，提高鋼筋強度，降低生產成本

由于微合金化技術生產的高強度鋼材的使用，使得合金消耗量大幅度增加，價格飆升，合金價格的提高使冶金企業生產高強度鋼材的成本也在大幅度增加，利潤下降。釩、鈮等微合金化元素隨著市場變化的波動比較大。各企業應該熟練掌握釩、鈮等微合金化生產高強度鋼筋技術，根據釩、鈮等合金的價格變動規律，選擇價格低廉的合金元素，以降低生產成本。

在生產微合金化高強度鋼筋的工程中，通過控制鋼坯的加熱溫度、開軋溫度、終軋溫度、變形制度及軋后冷卻等工藝參數，來控制奧氏體組織變化規律和相變產物的組織形態，可達到細化組織、提高鋼材強韌性的目的[11-13]。

將軋制和冷卻過程的控制相結合能充分發揮熱軋鋼材的兩種強化效果，從而進一步提高鋼材的強韌性和獲得合理的綜合力學性能，提高熱軋鋼材性能合格率。同時可簡化工序、節省能耗、節約合金，具有顯著的經濟效益和社會效益。

4 結論

微合金化鋼筋具有強度高、焊接性能好、抗震性能優、經濟性好的優點，成為高強鋼筋的發展趨勢；大力推廣高強度鋼筋，有利于鋼筋減量化，節約鋼材，降低成本，同時便于施工；合理地利用市場變化選擇微合金并降低其添加量，采用控軋控冷技術，可增強鋼材性能，節約資源，降低生產成本。

[1]加快推廣應用高強鋼筋實現減量化用鋼 [N].世界金屬導報，2012-01-3 1.

[2] Sage A M.Effect of Vanadium，Nitrogen and Aluminium on the Mechanical Properties of Reinforcing Bar Steels[J].Metals Technology，1976（2）：65-70.

[3]GB1499—1998，鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋[S].

[4] 楊才福，張永權，柳書平.釩、氮微合金化鋼筋的強化機制[J].鋼鐵，2001，36（5）：55-56.

[5] 聶雨青，溫德智.釩氮微合金化工藝開發HRB400熱軋帶肋鋼筋的生產實踐[J].漣鋼科技與管理，2002（3）：5-7.

[6] 戚正風．金屬材料熱處理原理[M]．北京：機械工業出版社，1986：81-88．

[7] 孫邦明，季懷忠，楊才福，等．V-N微合金化鋼筋中釩的析出行為[J]．鋼鐵，2001，36（2）：44-47．

[8] 叢曉艷．VN元素在微合金化鋼中的作用和開發前景[J]．湖南冶金，2004，32（3）：3-5．

[9] 解萬里.釩對低合金鋼的強化作用[J]．承鋼技術，2006（2）：31-33.

[10]王有銘，李曼云，韋光.鋼材的控制軋制和控制冷卻[M].北京:冶金工業出版社，2005.

[11]王占學.控制軋制與控制冷卻[M].北京:冶金工業出版社，1988.

[12]小指軍.控制軋制控制冷卻—改善材質的軋制技術發展[M].李伏桃，陳巋，譯.北京:冶金工業出版社，2002.

[13]李述創，向德淵.鋼的微合金化及控制軋制[M].北京:冶金工業出版社，1984.

Study on Quantitative Reduction Technique for High Strength Rebar

ZHANG Zhao-hui,ZHAO Fu-cai and KONG Wei-ming

(College of Metallurgy Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055，China)

The paper expounds that micro-alloying high strength rebar is characterized by high strength,good welding performance,good seismic behavior and superior economic effect.The alloying process has become the development trend of high strength rebar production.The promotion of high strength rebar in building projects facilitates the reduction of construction steel.Production cost can be lowered and cost reduction realized by reasonably choosing alloy elements at low prize with the changes of market demand,lowering alloy addition quantity and improving steel strength with controlled rolling and cooling technology in production.

high strength;rebar;reduction

2013-01-08

2013-02-02

西安市科技計劃項目（CXY1125（7））

張朝暉（196 7—），男，博士，教授，主要從事鋼鐵冶金方面的研究工作，E-mail：zhzhhui67@126.com。

（編輯 潘娜）