級高強抗震鋼筋抗震性能研究

白天平

摘要：本文討論了生產500MPa級高強度鋼筋的軋制工藝、微合金化技術、各合金元素及其強化機制對高強抗震鋼筋抗震指標的影響，并介紹了宣鋼在提高500MPa級高強抗震鋼筋抗震性能方面的實踐與效果。

關鍵詞：高強抗震鋼筋；微合金化；抗震性能

隨著建筑工業的迅速發展，城市市政工程和高層建筑等工程結構對鋼筋性能的要求越來越高，在國家大力提倡節能減排、綠色環保的背景下，作為資源消耗大戶的建筑業， 普通強度鋼筋作為建筑用鋼主材的狀況已無法滿足建設發展的需要。而隨著建筑市場對高強抗震鋼筋需求量的不斷提高，宣鋼早在2010年就完成了HRB500MPa級鋼筋的開發工作，具備生產Φ8mmΦ40mm全系列高強抗震鋼筋的能力。但在生產初期，HRB500E的強屈比不穩定，甚至超出國家標準，導致不能批量生產。

1 強屈比影響因素分析

鋼的強度和韌性決定了鋼材的基本性能，而鋼的強韌性又是由其強化機制、金相組織結構、成分配比、微合金化等多方面因素綜合作用的結果。所以要找到影響強屈比的關鍵因素，就必須從上述幾個方面入手，進行逐一分析，找出造成產品強屈比偏低的原因。

1.1 鋼的強度對強屈比影響

熱軋螺紋鋼涉及到的金屬強化機制主要有晶界強化、固溶強化及沉淀強化三種，而每一種強化都將同時提高鋼的抗拉強度和屈服強度，但作用程度不同，從而導致不同的強化機制決定了不同的強屈比變化趨勢。有三種強化機制，晶界強化（細晶強化）、固溶強化、分散強化（沉淀強化）無論采用哪種強化方式，隨著鋼材強度提高都會造成強屈比不同程度的的降低，其中晶界強化造成強屈比降低的幅度最大，分散強化其次，而固溶強化造成強屈比減低的幅度最小。

1.2 鋼的韌性對強屈比影響

通過繪制趨勢線可以發現，隨著伸長率的提高，鋼材的強屈比也會隨之提高。

2 宣鋼高強抗震鋼筋HRB500E生產工藝優化

2.1 窄成分控制

通過上述分析可知，無論采用何種強化方式都會造成強屈比的降低，所以保證鋼材合理的強度范圍是保證產品強屈比的根本。從幾次實際生產情況來看，產品屈服強度在540MPa560MPa最為合理，即確保了充足的性能富余量，又不會因產品強度太高而導致強屈比偏低。在煉鋼環節中，通過穩定轉爐裝入量、準確計算出鋼量、有效控制噴濺，確保采用含量穩定的合金料及合理的合金加入順序等手段，并且隨著近幾年稱量系統的不斷完善、數據信息傳遞更加及時、準確，使得煉鋼成分控制精度得以明顯提高，為高強抗震鋼筋的窄成分控制提供了基礎。

2.2 成分優化

2.2.1 以固溶強化為主的元素控制

鋼中主要起固溶強化作用的元素主要有【C】、【Mn】、【Si】，【C】含量較低時，隨著【C】含量的升高是有利與提高產品強屈比的，且【C】的合金成本非常低，所以設定【C】含量內控制范圍時，要盡量靠近國標上限要求，從而提高強屈比，降低其他合金料消耗。

隨著【Mn】含量的提高，抗拉強度上升速度要明顯高于屈服強度，所以強屈比升高速度也較為緩和，有利于提高強屈比。但是由于當【Mn】和【Si】含量較高時，鋼的韌性將出現大幅降低，所以當【Mn】含量的過高時，很可能造成最大力總伸長率、冷彎等檢驗項目不合格。

所以在確定【Mn】和【Si】的含量內控制范圍時，要在確保鋼材的韌性不受影響的同時盡可能提高控制范圍。

2.2.2 【Cr】元素的控制要求

當【Cr】元素含量較低時，對強度的貢獻較小，但對韌性的提升作用非常明顯，且【Cr】的加入，可以提高【V】在奧氏體中的溶解度，這種作用使得V（CN）的析出最大量所對應的溫度降低，增加了【V】的固溶強化效果，減輕了V的析出強化和細晶強化的作用，避免使鋼的晶粒過度細化，所以在提高鋼的屈服強度的同時，能夠大幅度提高其抗拉強度。但其與錳、硅、釩搭配使用時，淬透性將大大提高，同時當【Cr】含量過高時可能造成晶粒過分細小，從而導致強屈比大幅降低。從生產實踐情況來看，少量【Cr】元素的加入，對提高產品強屈比有明顯作用。

2.2.3 微合金化的應用

微合金化鋼是在普通的低CMn鋼中添加微量的強碳氮化物形成元素（如鈮、釩、鈦等）進行合金化，通過控制軋制，可以起到晶粒細化、析出強化、再結晶控制、夾雜物改性等作用。考慮經濟合理、生產組織方便等因素，HRB500E開發時采用了釩的微合金化技術，而合金料采用的是釩鐵。通過多次實踐生產對比發現，添加氮化釩鐵時釩的利用率要高于釩氮合金，而釩鐵利用率最低。通過實際生產對比發現，使用釩氮合金最為合理，即保證了較高的第二相析出量，也不會因析出量過大而造成的晶粒過度細化，使產品強屈比降低。

2.2.4 環境溫度變化的影響

由于我地區冬夏季溫差較大，夏季最高在30℃以上，冬季在20℃以下，所以導致軋后冷卻速度存在一定的差異。從多年我公司生產螺紋鋼的經驗看，冬季較夏季性能約升高10MPa15MPa，而從上述分析可知，性能的高低與強屈比存在密切的關系。所以當冬季性能升高時勢必會造成產品強屈比的下降，從而導致產品抗震指標一次合格率降低。為此在成分設計時必須考慮環境溫度變化的影響，以滿足產品抗震指標要求。

2.3 軋制工藝優化

為得到珠光體+鐵素體組織，保證鋼筋的抗震性能，產品開發時將開軋溫度范圍定為11501200℃，以避免因軋制溫度過低而造成的晶粒過分細小。

當加熱溫度在950℃1050℃以上時，奧氏體晶粒度長大傾向已經開始迅速增大，所以當開軋溫度不低于1050℃時，并不會造成晶粒過度細化，且V的碳氮化物固溶溫度很低，在850℃950℃迅速溶解，在940℃時溶解入奧氏體的量可達95%，而在1100℃以下就可完全溶解。因此將開軋溫度控制在1050℃1100℃最為合理。

3 結語

通過研究軋制工藝、微合金化、各元素及強化機制對高強抗震鋼筋抗震指標的影響，對產品成分進行重新梳理、細化。并對考慮環境溫度變化、不同開軋溫度對產品強度及微合金化的影響等因素，相應的對產品生產工藝進行了逐步優化，大幅提高了產品一次合格率，徹底解決了HRB500E高強抗震鋼筋由于抗震指標合格率偏低造成的不能批量生產問題。

參考文獻：

[1]楊才福，張永權，柳書平.VN微舍金化鋼筋強化機制.鋼鐵，2011，55～57.