高強(qiáng)度鋼筋減量化技術(shù)研究

張朝暉，趙福才，孔維明

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，西安 710055）

高強(qiáng)度鋼筋減量化技術(shù)研究

張朝暉，趙福才，孔維明

（西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院，西安 710055）

闡述了微合金化高強(qiáng)度鋼筋具有強(qiáng)度高、焊接性能好、抗震性能優(yōu)、經(jīng)濟(jì)性好等特性，合金化工藝成為高強(qiáng)鋼筋生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。高強(qiáng)度鋼筋在建筑工程中的推廣，有利于實(shí)現(xiàn)建筑用鋼的減量化。在生產(chǎn)過程中，根據(jù)市場(chǎng)需求的變化，合理地選擇低價(jià)位的合金元素，降低合金元素的添加量，采用控軋控冷技術(shù)提高強(qiáng)度，可降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)成本減量化。

高強(qiáng)度；鋼筋；減量化

鋼筋在鋼鐵材料中單個(gè)品種數(shù)量比例較高，約占全國(guó)鋼產(chǎn)量的20%以上，并且隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化建設(shè)的加速，鋼筋的使用量增長(zhǎng)速度較快。2011年我國(guó)鋼筋產(chǎn)量在1.5億t左右，其中主要以普通鋼筋為主，高強(qiáng)度鋼筋所占比例占45%左右。高強(qiáng)度鋼筋具有強(qiáng)度高、綜合性能優(yōu)的特點(diǎn)，同時(shí)作為節(jié)材、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，高強(qiáng)度鋼筋在建筑工程中的大力推廣應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)建筑用鋼的減量化，從而提高資源利用率、節(jié)約建筑成本，這對(duì)推動(dòng)我國(guó)節(jié)能減排的政策的實(shí)施具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 大力推廣高強(qiáng)度鋼筋，節(jié)約建筑鋼材更有利于保證施工質(zhì)量

目前,我國(guó)建筑用鋼還主要以335MPa級(jí)及其以下強(qiáng)度級(jí)鋼筋為主。因此，為了達(dá)到建筑物的使用強(qiáng)度，必須增加鋼筋的使用數(shù)量。在建筑工程中利用高強(qiáng)鋼筋替代335MPa級(jí)鋼筋，平均可節(jié)省鋼材12%以上。如果在全國(guó)建筑行業(yè)內(nèi)全部使用高強(qiáng)度鋼筋，2011年鋼筋的使用量可減少1170萬(wàn)t，相應(yīng)的可以節(jié)約鐵礦石1872萬(wàn)t、標(biāo)準(zhǔn)煤702萬(wàn)t，并且可減少二氧化碳排放量達(dá)2340萬(wàn)t。同時(shí)，在施工中使用高強(qiáng)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(zhì)量[1]。

2 高強(qiáng)度鋼筋添加微量元素的減量化

目前國(guó)內(nèi)高強(qiáng)度鋼筋主要有余熱熱處理、超細(xì)晶粒和微合金化3種生產(chǎn)工藝。經(jīng)過余熱處理的鋼筋的可焊性、機(jī)械連接性能和施工使用性能較低，因而鋼筋的應(yīng)用范圍受了限制，但其生產(chǎn)成本較低；超細(xì)晶粒鋼筋的焊接性能較差，這是因?yàn)樵诤附舆^程中，由于焊接熱的影響區(qū)晶粒會(huì)長(zhǎng)大，從而使焊接接頭區(qū)域出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象，使其強(qiáng)度降低；微合金化工藝可使鋼筋具有強(qiáng)度高、焊接性能好、抗震性能優(yōu)等特點(diǎn)，是產(chǎn)品性能最好的高強(qiáng)度鋼筋生產(chǎn)工藝，但生產(chǎn)成本相對(duì)較高。物質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性通常為表現(xiàn)為性價(jià)比，對(duì)鋼筋來說表現(xiàn)為強(qiáng)度與價(jià)格之比，根據(jù)測(cè)算，高強(qiáng)度鋼筋比普通鋼筋具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。采用微合金化技術(shù)是世界各國(guó)發(fā)展高強(qiáng)度鋼筋的主要技術(shù)路線之一[1-2]。

2.1 高強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)中對(duì)所添加得合金元素量不再作硬性要求，這就在鋼筋的生產(chǎn)過程中為減少合金元素的添加量提供了依據(jù)。關(guān)于高強(qiáng)度鋼筋微合金元素含量的規(guī)定，GB1499—1998要求V的含量在0.04%～0.12%之間，但在新修訂的標(biāo)準(zhǔn)中GB1499.2—2007中對(duì)該含量不再作硬性要求，僅提到根據(jù)需要鋼中可加入V、Nb、Ti等元素[3]。隨著冶煉和軋制技術(shù)的進(jìn)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(qiáng)度的要求。

由于鋼筋這類長(zhǎng)形材產(chǎn)品生產(chǎn)速度快，軋制溫度高，終軋溫度通常在1000℃以上，其生產(chǎn)工藝特點(diǎn)決定了鋼筋的合金設(shè)計(jì)適宜采用釩微合金化技術(shù)[4-5]。以H RB400級(jí)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(guī)格（如Φ8mm和Φ10mm）螺紋鋼時(shí)，軋制壓縮比較大，產(chǎn)品性能良好，一般屈服強(qiáng)度在5 10MPa以上，詳見表1。該強(qiáng)度比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)高出100MPa以上。

為了節(jié)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(chǎn)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(shù)

表2 降釩前螺紋鋼的性能參數(shù)

從表2中可以看出，將釩含量降低0.01%后，螺紋鋼的屈服強(qiáng)度還比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yè)在生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材時(shí)廣泛采用釩微合金化技術(shù)，利用微合金元素釩在鐵素體中與碳、氮結(jié)合生成細(xì)小彌散的顆粒物V（C，N），產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化，同時(shí)阻止晶粒長(zhǎng)大，起到細(xì)化晶粒作用，從而提高鋼的強(qiáng)度[5]。釩-氮鋼中的釩主要以V（C，N）形式析出，占釩總質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(xì)小的VN、VC或V（C，N）形式析出，起到沉淀強(qiáng)化作用，也能在一定程度上細(xì)化晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化作用[7-8]。Roborts[4]等在1980年所做的早期研究已證實(shí)了這一點(diǎn)，含V鋼中添加少量的N能顯著提高沉淀強(qiáng)化作用。

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

V/N釩與氮的理想化學(xué)配比為3.64；

為固溶強(qiáng)化值，其估算值為228；

為屈服強(qiáng)度，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(shù)，提高鋼筋強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本

由于微合金化技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼材的使用，使得合金消耗量大幅度增加，價(jià)格飆升，合金價(jià)格的提高使冶金企業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼材的成本也在大幅度增加，利潤(rùn)下降。釩、鈮等微合金化元素隨著市場(chǎng)變化的波動(dòng)比較大。各企業(yè)應(yīng)該熟練掌握釩、鈮等微合金化生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼筋技術(shù)，根據(jù)釩、鈮等合金的價(jià)格變動(dòng)規(guī)律，選擇價(jià)格低廉的合金元素，以降低生產(chǎn)成本。

在生產(chǎn)微合金化高強(qiáng)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(shù)，來控制奧氏體組織變化規(guī)律和相變產(chǎn)物的組織形態(tài)，可達(dá)到細(xì)化組織、提高鋼材強(qiáng)韌性的目的[11-13]。

將軋制和冷卻過程的控制相結(jié)合能充分發(fā)揮熱軋鋼材的兩種強(qiáng)化效果，從而進(jìn)一步提高鋼材的強(qiáng)韌性和獲得合理的綜合力學(xué)性能，提高熱軋鋼材性能合格率。同時(shí)可簡(jiǎn)化工序、節(jié)省能耗、節(jié)約合金，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)論

微合金化鋼筋具有強(qiáng)度高、焊接性能好、抗震性能優(yōu)、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點(diǎn)，成為高強(qiáng)鋼筋的發(fā)展趨勢(shì)；大力推廣高強(qiáng)度鋼筋，有利于鋼筋減量化，節(jié)約鋼材，降低成本，同時(shí)便于施工；合理地利用市場(chǎng)變化選擇微合金并降低其添加量，采用控軋控冷技術(shù)，可增強(qiáng)鋼材性能，節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本。

[1]加快推廣應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋實(shí)現(xiàn)減量化用鋼 [N].世界金屬導(dǎo)報(bào)，2012-01-3 1.

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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(jì)劃項(xiàng)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）