提高HRB500E抗震鋼筋強屈比的措施

邵際平，徐玉強，葉爾哈那提，高磊

（新疆昆玉鋼鐵有限公司）

1 前言

高強度化、輕量化以及綜合性能更優化的建筑要求，為熱軋帶肋鋼筋今后發展指明了方向。在滿足建筑設計強度要求的前提下，使用高強鋼筋可以減少構件自重，使結構設計更趨合理，減少鋼筋運輸、加工量，提高安全儲備等。另外從綜合性能更優化來看，地球每年發生地震350萬次，給世界上許多國家帶來十分慘重的災難，我國是地震多發地區，應做地震設防的地震烈度7級以上的地震區達101個，分布在全國26個省、市、自治區，占全國總面積的32.5%。對于地震多發地區，重點應用高強屈比、均勻延伸率高的高強度抗震鋼筋。我國于2008年3月1日頒布實施《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB l499.2-2007標準，就充分考慮抗震鋼筋的要求。昆玉鋼鐵在開發HRB500E抗震鋼筋的過程中，出現了HRB500E抗震鋼筋強屈比偏低且不穩定的問題，一度影響了產品的開發和生產穩定性。

2 標準對抗震鋼筋的要求

該標準充分考慮抗震鋼筋的要求，提高了所有強度等級的鋼筋延伸率以及最大力總伸長率Agt的指標要求，鋼筋的延伸性總體比原標準規定有所改善和提高，具體變化：（1）鋼筋測實抗拉強度與實測屈服強度之比Rom／RoeL不小于1.25；（2）鋼筋實測屈服強度與規定的屈服強度特征值之比RoeL／ReL不大于1.30；（3）鋼筋的最大力總伸長率Agt不小于9%。

由于在強烈的地震時，結構物通常進入非彈性范圍工作，因此在抗震設計中要力求控制一些部位形成塑性鉸，并應避免塑性鉸過于集中在某一位置，如果鋼筋的抗拉強度與屈服強度之比足夠大（強屈比必須大于1.25），那么這一目的就容易達到。因為一旦某一位置形成塑性鉸，隨著鋼筋應變硬化所增加的后備抗力，就能夠促使塑性鉸適當擴展，從而保證了整個結構獲得充分吸收地震能量的能力，而不至于倒塌。所以從結構抗震觀點要求鋼筋有足夠大的強屈比[1]。

3 昆玉軋鋼生產工藝流程與特點

工藝流程：連鑄坯上料→加熱爐加熱→高壓水除鱗→六機架粗軋→1#飛剪切頭尾→八機架中軋→控軋裝置（替換輥道）→2#飛剪切頭尾→四機架精軋→控冷裝置（替換輥道）→倍尺飛剪分段→步進式冷床冷卻→850t冷剪定尺剪切→鏈式臺架收集→計數、打捆→成品收集→稱重、標牌、入庫。

工藝布置特點：新疆昆玉棒材生產線不同于國內其它棒材生產線的“6+6+6”的主流配置模式，而是改為“6+8+4”的配置模式，在14#軋機之后增加了長度8390m控軋裝置，分為2段冷卻，以提高控軋冷卻能力；18#軋機至3#飛剪中心線距離為36200m，以滿足控冷和緩冷裝置需要，實現了控軋控冷與切分全面升級的完美結合，同時這兩項技術也成為該生產線的兩大工藝特點和技術優勢。

微合金化強化效果顯著，工藝敏感性強，強度越高強屈比越難以保證。一般工藝條件下是成分決定組織，組織決定性能。昆玉棒材通過裝備優勢，真正意義上實現了成分和工藝決定組織，組織決定性能，增加了工藝控制能力和手段，在充分發揮合金元素的強化機制和韌性機制的基礎上，通過溫度控制等工藝手段，特別是利用控軋、控冷溫度對抗拉強度和屈服強度的不同影響，來提高強屈比。

4 影響強屈比的因素及控制措施

強屈比是指鋼筋的抗震性能，是由鋼筋的抗拉強度實測值/屈服強度實測值得來的，反映了鋼材的強度儲備。由此可見影響屈服強度和抗拉強度的因素都會對強屈比產生影響，從金屬內在因素來看，金屬本性及晶格類型、晶粒大小和亞結構、溶質元素、第二相以及外在因素：溫度、應變速率、應變狀態等都會對屈服強度和抗拉強度產生不同的影響。由于強屈比是由鋼筋的抗拉強度實測值/屈服強度實測值得來的，因此各種影響因素由于對屈服強度和抗拉強度的貢獻程度不同，勢必對強屈比的產生不同的影響。

4.1 成分影響

4.1.1 微合金化元素特點

采用微合金化技術是目前世界各國發展高強度可焊接鋼筋的主要技術路線[2]。微合金化技術是20世紀70年代在國際冶金界出現的新型冶金學科,它是在普通的低碳C-Mn鋼中添加微量(通常小于0.1%)的強碳氮化物形成元素(如:鈮、釩、鈦等)進行合金化，通過高純潔度的冶煉工藝(脫氣、脫硫及夾雜物形態控制)煉鋼，在加工過程中施以控制軋制/控制冷卻等新工藝，通過控制細化鋼的晶粒和碳氮化物沉淀強化的物理冶金過程在熱軋狀態下獲得高強度、高韌性、高可焊接性、良好的成型性能等最佳機械性能配合的工程結構材料。

鈮、釩、鈦是在普通的低碳C-Mn鋼中添加微量的強碳氮化物形成元素，由于Ti與鋼中的O、S、N有很強的結合力，在形成TiC之前，Ti將首先與鋼中的O、S、N等元素形成氧化物、硫化物和氮化物，這導致鋼中Ti含量的穩定性控制困難，從而引起鋼的強度水平的大幅波動，顯然通過添加Ti來提高材料強度，對性能穩定性控制不利。含Nb鋼生產工藝要求嚴格在鋼筋的生產條件下難以實現，鋼筋生產過程中一般是升溫軋制，鋼筋在終軋機架的出口溫度高達1100℃以上，因此鋼筋生產很難滿足含Nb鋼的低溫大變形的工藝條件。另外NbCN的溶解度是Nb在鋼筋上應用受限制的另一原因，在典型鋼筋成分下，加熱溫度1200℃時能夠固溶到鋼中的Nb含量僅0.02%。

鑒于以上原因，采用V/V-N微合金化技術是目前世界各國發展高強度可焊接鋼筋的主要技術路線[3]。在添加FeV的釩鋼中，釩主要以固溶狀態存在，固溶釩占總含量的56.3%，僅有35.5%的釩形成V(C,N)析出相。這說明釩鋼中大量的微合金化元素沒有起到沉淀強化作用，可以說是釩的一種浪費。釩氮鋼的情況完全相反，70%的釩形成了V(C,N)析出相，僅剩20%的釩固溶于基體。這表明氮的介入改變了釩在相間的分布，促進了釩從固溶狀態向V(C,N)析出相中的轉移，從而使釩起到了更強的沉淀強化作用。V-N鋼筋中V含量的波動范圍非常小，鋼中V含量可穩定控制，其波動值達到0.004%的高水平，為鋼筋獲得穩定的性能創造了便利條件。

4.1.2 鋼中C、Si、Mn、V元素對強屈比的影響

硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬和釩等元素強。硅還能能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比(σs/σb),以及疲勞強度和疲勞比等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。因此應適當降低鋼中硅的含量，從而提高強屈比。

錳元素強化鐵素體或奧氏體的作用不及碳，磷、硅，在增加強度的同時，對延展性影響不大。由于細化了珠光體，顯著提高低碳和中碳珠光體鋼的強度，使延展性有所降低。通過提高淬透性而提高了調質處理索氏體鋼的力學性能。據此分析，Mn元素對抗拉強度的貢獻大于對屈服強度的貢獻，增大強屈比。碳元素增加，提高了材料的屈服點和抗拉強度，但塑性和沖擊性降低。從實際生產中統計分析，碳對抗拉強度的貢獻大于屈服強度的貢獻，增大強屈比。

含釩鋼是通過鐵素體沉淀硬化和細化鐵索體晶粒來強化的，從這一點上分析，釩對屈服強度的貢獻大于對抗拉強度的貢獻，影響強屈比降低。

4.2 強化機制選擇

鋼的強化機制分為固溶強化、位錯強化、沉淀強化、細晶強化（晶界強化、亞晶強化）、相變強化。在普通的低碳C-Mn鋼中添加微量的鈮、釩、鈦元素進行鋼的強化，但強化機理有所不同。表1中列出了鈮、釩、鈦三種元素在微合金化過程中的強化效果。

表1 鈮、釩、鈦微合金化的強化效果

鈮具有最強的晶粒細化強化效果，而釩具有最強的沉淀強化效果，鈦介于上述兩者之間。使用鈮、釩、鈦，這三種微合金化元素采用的強化機制主要是細晶強化和沉淀強化。

4.3 溫度制度的影響

溫度制度是對熱軋中各工序開始或終了時軋件溫度的具體規定，針對開軋溫度、控軋溫度、控冷溫度進行討論。由于VC和VN在鋼中的固溶度相對較大,因而通常化學成分的含釩鋼中碳氮化釩的全固溶溫度一般均較低，碳氮化釩的全固溶溫度主要隨鋼中氮含量和釩含量的增大而升高;而當鋼中釩、氮元素含量確定時,碳元素的含量對碳氮化釩的全固溶溫度影響很小，根據實驗含碳量0.2%的0.1%V～0.02%N鋼，碳氮化釩的全固溶溫度為1104.5℃。因此為了使含釩鋼中碳氮化釩充分固溶，同時考慮到晶粒度對屈服強度和抗拉強度的影響，避免強屈比不符合標準，可適當提高開展溫度，但一定要兼顧鋼材的組織結構。2014年9月昆玉生產HRB500Eφ12mm抗震鋼筋，因前一批強屈比較低，通過提高開軋溫度來改善強屈比，但因提高溫度幅度較大，晶粒粗化、組織結構網狀明顯，見表2、圖1、圖2。

表2 HRB500Eφ12mm抗震鋼筋（五切分）性能

圖1 組織照片1409195批

圖1 組織照片1409196批

從表2，圖1、2來看，由于開軋溫度提高幅度較大，雖然強屈比平均由1.24上升到1.34，達到了提高強屈比的目的，但是晶粒出現粗化，組織出現了明顯網狀結構。另外從屈服強度和抗拉強度看，隨著鋼溫升高性能不降反升，主要是1409195批開軋溫度沒能使釩充分固溶，而1409196批溫度較高使釩充分固溶為沉淀強化創造了條件，性能的提高正是發揮了釩微合金元素的沉淀強化效果顯著的優勢。

控軋控冷的目的是控制軋制溫度、冷卻速度等工藝參數，來細化晶粒、改善組織結構，提高鋼材綜合性能。從生產實際來看，控軋控冷溫度溫度對強屈比影響較大，主要是溫度對軋件晶粒度的影響晶粒越細，枝晶間距越小，屈服強度越高，但是由于晶粒細化對屈服強度和抗拉強度的貢獻不同，采用細晶強化的結果使強屈比下降。

4.4 應變速率的影響

應變速率增大，金屬材料的強度增加，根據圖3應變速率和金屬強度關系分析，屈服強度隨應變速率的變化較抗拉強度的變化要明顯的多，受此影響強屈比隨這應變速率的提高而降低。

圖3 應變速率和金屬強度

4.5 負差率的影響

強屈比是由鋼筋的抗拉強度實測值/屈服強度實測值得來的。

式中：R0m-抗拉強度實測值；

R0eL-屈服強度實測值；

F0m-相應的最大力；

F0eL-不計初始瞬時效應時的最小力；

s0-公稱截面面積；

i-強屈比。

目前大部分鋼材采取負差軋制，若負差率為n%，試樣實際截面面積減少n%，相應的不計初始瞬時效應時的最小力和最大力各下降n%。

從式（1）和式（2）來看，負差率的變化對強屈比沒有產生影響。這一點可以通過實驗驗證：將小規格的試樣（相當于大規格的大負差的產品），在試驗機上按照大規格做實驗，結果發現抗拉強度和屈服強度變化特別大，而強屈比不變。但是不能因為負差率的變化對強屈比沒有產生影響，就認為負差率與強屈比調整沒有關系，由于負差率對強度影響較大，可以通過減少負差率，即增加成品的實際截面積來提高抗拉強度和屈服強度（對HRB500E的抗震鋼筋來說，負差率降低2%，抗拉強度平均提高15MPa、屈服強度提高10MPa），由于負差率的減少使產品強度的富余量增大，為控軋控冷溫度調整創造了條件，再通過提高控軋控冷溫度，在適當降低屈服強度和抗拉強度的同時達到提高強屈比的目的。當然通過降低負差率來改善強屈比，對于理重交貨的產品來說，影響成本控制，但從保證產品性能和質量權衡來考慮，也不失為有效手段。

5 結論

抗震鋼筋隨著強度的提高，強屈比越難以保證，昆玉鋼鐵在對HRB500E抗震鋼筋的開發中，就遇到了強屈比偏低且不穩定的問題，一度影響了產品開發，通過分析元素影響、強化機制、溫度制度、應變速率及負差率等因素，提出了相應的解決辦法，保證了HRB500E抗震鋼筋開發進程。

[1]丁大鈞.現代混凝土結構學.中國建筑工業出版社，2000.

[2]D.Russwurmand P.Wille.“High Strength Weldable Reinforcing Bars”.Microalloying'95,Pittsburgh,PA,ISS,1995.

[3]M.Korchynsky.“Overview”.Proc.8th Process Tech.Conf.,Iron and Steel Society,1988:79～87.