高强度钢筋减量化技术研究

张朝晖，赵福才，孔维明

（西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 710055）

高强度钢筋减量化技术研究

张朝晖，赵福才，孔维明

（西安建筑科技大学冶金工程学院，西安 710055）

阐述了微合金化高强度钢筋具有强度高、焊接性能好、抗震性能优、经济性好等特性，合金化工艺成为高强钢筋生产的发展趋势。高强度钢筋在建筑工程中的推广，有利于实现建筑用钢的减量化。在生产过程中，根据市场需求的变化，合理地选择低价位的合金元素，降低合金元素的添加量，采用控轧控冷技术提高强度，可降低生产成本，实现成本减量化。

高强度；钢筋；减量化

钢筋在钢铁材料中单个品种数量比例较高，约占全国钢产量的20%以上，并且随着我国城镇化建设的加速，钢筋的使用量增长速度较快。2011年我国钢筋产量在1.5亿t左右，其中主要以普通钢筋为主，高强度钢筋所占比例占45%左右。高强度钢筋具有强度高、综合性能优的特点，同时作为节材、节能环保产品，高强度钢筋在建筑工程中的大力推广应用，能够实现建筑用钢的减量化，从而提高资源利用率、节约建筑成本，这对推动我国节能减排的政策的实施具有重要的现实意义。

1 大力推广高强度钢筋，节约建筑钢材更有利于保证施工质量

目前,我国建筑用钢还主要以335MPa级及其以下强度级钢筋为主。因此，为了达到建筑物的使用强度，必须增加钢筋的使用数量。在建筑工程中利用高强钢筋替代335MPa级钢筋，平均可节省钢材12%以上。如果在全国建筑行业内全部使用高强度钢筋，2011年钢筋的使用量可减少1170万t，相应的可以节约铁矿石1872万t、标准煤702万t，并且可减少二氧化碳排放量达2340万t。同时，在施工中使用高强钢筋，可减少钢筋加工的工作量，方便混凝土浇筑，有利于保证混凝土施工质量[1]。

2 高强度钢筋添加微量元素的减量化

目前国内高强度钢筋主要有余热热处理、超细晶粒和微合金化3种生产工艺。经过余热处理的钢筋的可焊性、机械连接性能和施工使用性能较低，因而钢筋的应用范围受了限制，但其生产成本较低；超细晶粒钢筋的焊接性能较差，这是因为在焊接过程中，由于焊接热的影响区晶粒会长大，从而使焊接接头区域出现软化的现象，使其强度降低；微合金化工艺可使钢筋具有强度高、焊接性能好、抗震性能优等特点，是产品性能最好的高强度钢筋生产工艺，但生产成本相对较高。物质的经济性通常为表现为性价比，对钢筋来说表现为强度与价格之比，根据测算，高强度钢筋比普通钢筋具有较好的经济效益。采用微合金化技术是世界各国发展高强度钢筋的主要技术路线之一[1-2]。

2.1 高强度钢筋微合金元素减量化的可行性分析

新修订的热轧带肋钢筋标准中对所添加得合金元素量不再作硬性要求，这就在钢筋的生产过程中为减少合金元素的添加量提供了依据。关于高强度钢筋微合金元素含量的规定，GB1499—1998要求V的含量在0.04%～0.12%之间，但在新修订的标准中GB1499.2—2007中对该含量不再作硬性要求，仅提到根据需要钢中可加入V、Nb、Ti等元素[3]。随着冶炼和轧制技术的进步，目前将微合金化元素的含量控制在0.04%以下，已完全能满足其强度的要求。

由于钢筋这类长形材产品生产速度快，轧制温度高，终轧温度通常在1000℃以上，其生产工艺特点决定了钢筋的合金设计适宜采用钒微合金化技术[4-5]。以H RB400级螺纹钢为例，选用1 50mm×1 50mm断面的方坯，其中V的含量在0.03 4%～0.040%之间，在轧制小规格（如Φ8mm和Φ10mm）螺纹钢时，轧制压缩比较大，产品性能良好，一般屈服强度在5 10MPa以上，详见表1。该强度比国家标准高出100MPa以上。

为了节约成本，可将钒的含量降低至0.024%～0.026%，通过控制轧制和冷却过程保证产品性能。降钒后，螺纹钢的性能见表2。

表1 未降钒前螺纹钢的性能参数

表2 降钒前螺纹钢的性能参数

从表2中可以看出，将钒含量降低0.01%后，螺纹钢的屈服强度还比国家标准高出70MPa以上，这说明还有降低合金钒含量的空间。

2.2 微合金化元素的理论添加量

企业在生产高强度钢材时广泛采用钒微合金化技术，利用微合金元素钒在铁素体中与碳、氮结合生成细小弥散的颗粒物V（C，N），产生沉淀强化，同时阻止晶粒长大，起到细化晶粒作用，从而提高钢的强度[5]。钒-氮钢中的钒主要以V（C，N）形式析出，占钒总质量分数的70%，只有20%的钒固溶于基体，剩余10%的钒溶于Fe3C中[6]。钒是通过在奥氏体中以细小的VN、VC或V（C，N）形式析出，起到沉淀强化作用，也能在一定程度上细化晶粒，起到细晶强化作用[7-8]。Roborts[4]等在1980年所做的早期研究已证实了这一点，含V钢中添加少量的N能显著提高沉淀强化作用。

钢筋是铁素体+珠光体型钢，屈服强度主要由4部分组成：基体的晶格力、晶粒细化强化、沉淀强化和固溶强化。V/N钒与氮的理想化学配比为3.64，钒在螺纹钢中主要起到晶粒细化和沉淀强化的作用[9]，大量研究结果[5，10]表明，对具有铁素体和珠光体组织的钢的屈服强度具有以下关系式：

V/N钒与氮的理想化学配比为3.64；

为固溶强化值，其估算值为228；

为屈服强度，国家标准要求值400MPa以上；

钢筋中 [C]为0.22%，[Si]为0.5%，[Mn]为1.30%，则钒的理论加入量为：

3 合理选取微合金化元素，采用控轧控冷技术，提高钢筋强度，降低生产成本

由于微合金化技术生产的高强度钢材的使用，使得合金消耗量大幅度增加，价格飙升，合金价格的提高使冶金企业生产高强度钢材的成本也在大幅度增加，利润下降。钒、铌等微合金化元素随着市场变化的波动比较大。各企业应该熟练掌握钒、铌等微合金化生产高强度钢筋技术，根据钒、铌等合金的价格变动规律，选择价格低廉的合金元素，以降低生产成本。

在生产微合金化高强度钢筋的工程中，通过控制钢坯的加热温度、开轧温度、终轧温度、变形制度及轧后冷却等工艺参数，来控制奥氏体组织变化规律和相变产物的组织形态，可达到细化组织、提高钢材强韧性的目的[11-13]。

将轧制和冷却过程的控制相结合能充分发挥热轧钢材的两种强化效果，从而进一步提高钢材的强韧性和获得合理的综合力学性能，提高热轧钢材性能合格率。同时可简化工序、节省能耗、节约合金，具有显著的经济效益和社会效益。

4 结论

微合金化钢筋具有强度高、焊接性能好、抗震性能优、经济性好的优点，成为高强钢筋的发展趋势；大力推广高强度钢筋，有利于钢筋减量化，节约钢材，降低成本，同时便于施工；合理地利用市场变化选择微合金并降低其添加量，采用控轧控冷技术，可增强钢材性能，节约资源，降低生产成本。

[1]加快推广应用高强钢筋实现减量化用钢 [N].世界金属导报，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，钢筋混凝土用热轧带肋钢筋[S].

[4] 杨才福，张永权，柳书平.钒、氮微合金化钢筋的强化机制[J].钢铁，2001，36（5）：55-56.

[5] 聂雨青，温德智.钒氮微合金化工艺开发HRB400热轧带肋钢筋的生产实践[J].涟钢科技与管理，2002（3）：5-7.

[6] 戚正风．金属材料热处理原理[M]．北京：机械工业出版社，1986：81-88．

[7] 孙邦明，季怀忠，杨才福，等．V-N微合金化钢筋中钒的析出行为[J]．钢铁，2001，36（2）：44-47．

[8] 丛晓艳．VN元素在微合金化钢中的作用和开发前景[J]．湖南冶金，2004，32（3）：3-5．

[9] 解万里.钒对低合金钢的强化作用[J]．承钢技术，2006（2）：31-33.

[10]王有铭，李曼云，韦光.钢材的控制轧制和控制冷却[M].北京:冶金工业出版社，2005.

[11]王占学.控制轧制与控制冷却[M].北京:冶金工业出版社，1988.

[12]小指军.控制轧制控制冷却—改善材质的轧制技术发展[M].李伏桃，陈岿，译.北京:冶金工业出版社，2002.

[13]李述创，向德渊.钢的微合金化及控制轧制[M].北京:冶金工业出版社，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

西安市科技计划项目（CXY1125（7））

张朝晖（196 7—），男，博士，教授，主要从事钢铁冶金方面的研究工作，E-mail：zhzhhui67@126.com。

（编辑 潘娜）