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摘  要：GB1499.2-2007標準的頒布和GB50010 《混凝土結構設計規范》已于2011年7月1日起開(kāi)始實(shí)施，為我國高強抗震鋼筋的發(fā)展創(chuàng )造了條件。近年來(lái)，承鋼公司利用得天獨厚的釩鈦資源特點(diǎn)，采用釩微合金化方式，成功的開(kāi)發(fā)了HRB500E高強抗震鋼筋，產(chǎn)品性能均達到GB1499.2-2007標準規定的抗震要求，成為國內生產(chǎn)建筑鋼筋牌號、規格最全的企業(yè)之一。

關(guān)鍵詞：HRB500E 抗震鋼筋 研制

1 前言

建筑用鋼材是建筑工程用基礎材料之一，而混凝土結構用鋼筋，則是世界上普遍生產(chǎn)和使用的一種主要鋼材產(chǎn)品，約占世界鋼材產(chǎn)量的13%。在工業(yè)發(fā)達國家，如美國、英國、德國等的建筑用鋼國家標準中已淘汰了335MPa級及以下等級鋼筋，均采用400MPa級以上建筑鋼筋。

我國是地震多發(fā)國家，所以對建筑結構的安全性要求也越來(lái)越高，而提高建筑安全性的關(guān)鍵之一是提高鋼筋的強度和抗震性能。同時(shí)，GB50010 《混凝土結構設計規范》已于2011

年7月1日起開(kāi)始實(shí)施，這為我國高強抗震鋼筋的發(fā)展創(chuàng )造了一個(gè)良好契機。

河北鋼鐵股份有限公司承德分公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)承鋼公司）作為國內熱軋帶肋鋼筋的重點(diǎn)生產(chǎn)企業(yè)，而且又是全國兩大釩產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)之一，研究含釩的高強抗震鋼筋，滿(mǎn)足抗震建筑結構的需要，是我們義不容辭的責任。

2 HRB500E高強度抗震鋼筋的技術(shù)條件要求

1）HRB500E高強度抗震鋼筋化學(xué)成分應符合表1的要求，根據需要，鋼中還可加入V、Nb、Ti等元素。

表1 HRB500E化學(xué)成分要求

2）鋼筋的力學(xué)性能特征值應符合表2規定。

表2 HRB500E力學(xué)性能要求

注：直徑為28～40mm鋼筋的斷后伸長(cháng)率A可降低1%；直徑大于40mm鋼筋的斷后伸長(cháng)率A可降低2%。

3 承鋼HRB500螺紋鋼筋生產(chǎn)情況簡(jiǎn)介

2008年-2010年承鋼生產(chǎn)HRB500鋼筋規格涵蓋GB/T1499.2-2007所有規格，包括φ6～φ12mm盤(pán)螺、φ12～φ50mm直螺；通過(guò)統計：φ6～φ12mm盤(pán)螺強度值波動(dòng)大，造成成分設計難度加大；φ12～φ50mm直螺性能穩定，屈標比滿(mǎn)足抗震鋼筋要求，但符合強屈比大于1.25的比例只有50%左右；不同規格的鋼筋Agt均可滿(mǎn)足≥9％的要求。因此，HRB500E抗震鋼筋研究的難點(diǎn)是解決盤(pán)條鋼筋的強度值波動(dòng)大、直條鋼筋強屈比不合問(wèn)題。

4 HRB500E高強度抗震鋼筋生產(chǎn)方案設計

根據GB1499.2-2007標準規定，鋼筋應以熱軋狀態(tài)交貨，明確了余熱處理鋼筋不在標準的適用范圍，同時(shí)規定了鋼筋金相組織主要是鐵素體+珠光體。因此，承鋼公司利用自有的釩資源優(yōu)勢，采用釩鐵合金化、氮化釩鐵（氮化釩）合金化以及氮化釩鐵（氮化釩）+釩鐵復合合金化技術(shù)，研制開(kāi)發(fā)GB1499.2—2007國家標準中HRB500E高強度抗震鋼筋。

4.1 鋼筋強屈比的影響因素

4.1.1碳、硅、錳常規元素對鋼筋強屈比影響

從鋼的強化機理來(lái)看，碳、硅、錳元素在鋼中的強化作用主要都為固溶強化，固溶強化效果雖然遠低于沉淀強化的效果，但是固溶強化對抗拉強度的提高幅度較大；從鋼的組織上看，在亞共析鋼中，碳、錳元素的提高皆有利于提高珠光體的轉變，硅元素對珠光體形成基本無(wú)影響，珠光體有著(zhù)良好的綜合性能，能大幅度提高鋼筋的抗拉強度。因此固溶強化和珠光體強化都能夠提高鋼筋強屈比。

在碳、硅、錳三種元素中，碳對提高鋼筋強度和強屈比的作用最大；硅元素雖可提高鋼筋強屈比，但其對鋼筋強度的提高作用不如錳元素。

在成分設計中要綜合考慮強度、塑性及焊接性能的各項指標，確定其具體含量。

4.1.2釩微合金化方式對強屈比的影響

1）不同釩微合金化方式下鋼筋強屈比、抗拉強度和屈服強度的回歸統計

通過(guò)數據分析，得出氮化釩鐵、氮化釩和釩鐵對鋼筋強屈比、抗拉強度、屈服強度的回歸結果，見(jiàn)表3～表5。

表3  鋼筋強屈比與化學(xué)成份回歸統計結果

表4  鋼筋抗拉強度與化學(xué)成分回歸統計結果

表5  鋼筋屈服強度與化學(xué)成分回歸統計結果

2）釩鐵、氮化釩、氮化釩鐵微合金化影響鋼筋強屈比的分析

釩在鋼中可以起到固溶強化、析出強化和細晶強化的作用，但在鋼中氮含量很少的情況下，釩主要固溶在鋼中，只有少部分釩形成碳氮化物析出。也就是說(shuō)鋼中氮含量在較低的情況下，釩析出強化和細晶強化的作用較小，而析出強化和細晶強化都是大幅提高鋼的屈服強度的，對抗拉強度的提高相對要低很多，所以在鋼中釩含量一定的情況下，釩鐵合金化對鋼強屈比降低的程度最小。

當釩鋼中的氮逐漸增加時(shí)，由于氮和釩具有很強的親和力，促進(jìn)了VC、VN的析出，使鋼中固溶狀態(tài)的釩更多的轉變?yōu)槲龀鰻顟B(tài)，起到了更多的沉淀強化作用；而且氮的增加還會(huì )促進(jìn)碳（氮）化釩在奧氏體-鐵素體界面的析出，有效阻止鐵素體晶粒的長(cháng)大，起到了細化鐵素體晶粒的作用。因此當鋼中氮含量增多時(shí)，釩析出強化和細晶強化的作用逐漸增大，其對強屈比降低的作用也進(jìn)一步增強。

釩在鋼中沉淀強化的效果取決于析出相的數量和彌散度，質(zhì)點(diǎn)越多、越細小彌散，沉淀強化的效果越大。有研究表明：V和N比例越接近理想當量比4：1，鋼中V(C，N)中VN比例越高，即VN多、VC少，強化沉淀效果越好。而承鋼公司的鋼水中原始氮含量較高，一般均大于70ppm，加上氮化釩或氮化釩鐵帶入的氮，其釩和氮的比例均已達到或超過(guò)V／N=4：1的理想值。也就是說(shuō)，承鋼的鋼水無(wú)論采用氮化釩還是氮化釩鐵合金化，釩在鋼中沉淀強化的作用都達到了理想狀態(tài)，氮化釩鐵中多余的氮更多地起到了細晶強化的作用。

3）釩微合金化方式的確定

根據表3～表5回歸統計結果，結合我公司鐵水含V的特點(diǎn)，確定了生產(chǎn)HRB500E高強度抗震鋼筋的釩微合金化方式。對于小規格鋼筋，采用氮化釩鐵合金化方式，對于大規格鋼筋，采用氮化釩鐵+釩鐵復合合金化方式。

4.2 HRB500E化學(xué)成分設計

4.2.1常規元素  根據表4～表5統計，鋼中每增加0.01%C，屈服強度、抗拉強度可分別提高7MPA和8MPA,但對鋼的塑性和焊接性能均不利。因此,要控制鋼中的C含量,防止碳當量過(guò)高。Mn的加入可提高固溶強化效果, 降低相變溫度,細化鋼的組織,提高強度及韌性,且Mn能提高V在奧氏體中的固溶度積,增強其沉淀強化效果，但含量太高會(huì )增加碳當量,不利于焊接。

4.2.2 V元素含量對抗拉強度和屈服強度的影響

通過(guò)對大量的相關(guān)數據進(jìn)行分析比較，確定V元素含量對抗拉強度和屈服強度的影響程度，其散點(diǎn)圖如下：

圖1   釩元素與屈服強度散點(diǎn)圖(高強抗震鋼筋的研制)

圖2    釩元素與抗拉強度散點(diǎn)圖(高強抗震鋼筋的研制)

通過(guò)散點(diǎn)圖我們可以看到，當鋼中釩元素含量超過(guò)0.12%后，其對鋼筋抗拉強度和屈服強度貢獻的絕對值都呈下降趨勢，因此釩元素加入量不宜超過(guò)0.12%。

4.2.3由于鋼筋規格從φ6～φ50mm，跨度非常大，用同一種成分顯然不可能滿(mǎn)足所有規格的生產(chǎn)要求。因此，根據不同規格確定不同的化學(xué)成分，規格相近的采用相同的化學(xué)成分。

4.2.4綜合以上因素，確定了鋼坯化學(xué)成分應符合表6的規定。

表6 HRB500E化學(xué)成分控制要求/%

注：根據不同規格，釩的加入方式分為三種：釩鐵、氮化釩鐵（氮化釩）、氮化釩鐵（氮化釩）+釩鐵

4.3 盤(pán)條鋼筋控軋控冷工藝

通過(guò)針對HRB500盤(pán)螺生產(chǎn)情況統計，盤(pán)螺生產(chǎn)中存在強度值波動(dòng)大，同一卷最大值與最小值相差40～50Mpa，無(wú)法保證屈標比合格，因此解決盤(pán)螺強度值波動(dòng)大是HRB500E抗震鋼筋研制另一個(gè)難題。解決措施：控制加熱通條鋼坯溫度差，以及降低散冷線(xiàn)盤(pán)卷搭接點(diǎn)與中間部位溫度差。

4.4 工藝路線(xiàn)

高爐鐵水→轉爐冶煉→脫氧合金化→LF爐精煉→方坯連鑄→加熱→棒線(xiàn)材機組軋制→冷卻→收集→產(chǎn)品檢驗→包裝、入庫

4.5 工藝控制

4.5.1化學(xué)成分

為保證鋼筋的屈服強度控制在500～650MPa之間，同時(shí)保證鋼筋的強度和塑性的最佳匹配，主要控制C、Mn、V的含量。一般C、Mn含量按中限控制，根據不同的軋制規格調整V的加入方式。

4.5.2冶煉

為保證鋼坯質(zhì)量，降低鋼水氧化性，嚴格控制冶煉終點(diǎn)C含量，為使鋼中夾雜物充分上浮，保證吹氬時(shí)間，同時(shí)連鑄時(shí)實(shí)行全過(guò)程保護澆注，并穩定鋼坯拉速。

4.5.3軋制

1）制定合理的加熱制度。根據不同生產(chǎn)線(xiàn)及不同軋制規格控制不同的鋼坯出爐溫度，確保終軋溫度穩定，盡量避免鋼筋組織粗大、不均勻現象造成力學(xué)性能下降。

2）盤(pán)條鋼筋制定合理的控軋控冷參數，根據盤(pán)條鋼筋實(shí)際生產(chǎn)特點(diǎn)，制定吐絲溫度以及散冷線(xiàn)參數，通過(guò)設定風(fēng)機開(kāi)啟臺數、風(fēng)量大小、佳靈裝置開(kāi)度，確保盤(pán)條鋼筋均勻冷卻，降低通條性能差。

3）對大規格鋼筋的外形設計進(jìn)行改進(jìn)，確保冷彎性能合格。

5 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量

5.1 產(chǎn)品性能指標

采用不同的釩加入方式生產(chǎn)的HRB500E高強度抗震鋼筋，力學(xué)性能指標如表7所示。

表7 HRB500E鋼筋的實(shí)際力學(xué)性能

5.2 表面質(zhì)量

生產(chǎn)的HRB500E抗震鋼筋表面沒(méi)有有害的缺陷，外形尺寸全部符合GBl499.2-2007的要求。

5.3 內部組織

對鋼筋內部組織進(jìn)行檢驗，均為鐵素體加珠光體。

圖3  HRB500E抗震鋼筋金相組織

Fig.3 The microstructure of HRB500E

5.4 鋼筋的焊接性能、機械連接性能試驗

對成品鋼筋進(jìn)行不同焊接方法的焊接型式試驗，接頭試樣力學(xué)性能、拉伸斷裂位置、斷口特征、彎曲等指標全部合格。

為檢驗成品鋼筋的機械連接性能, 分別做單向拉伸、高應力反復拉壓、大變形反復拉壓性能試驗。試驗結果均符合機械連接的要求,說(shuō)明鋼筋的機械連接性能良好。

6 結 語(yǔ)

1）HRB500E高強抗震鋼筋的成功生產(chǎn)標志著(zhù)承鋼公司高強度抗震鋼筋生產(chǎn)水平再上新的臺階，同時(shí)也為國家高強抗震鋼筋的全面推廣和應用奠定了基礎。

2）HRB500E高強抗震鋼筋采用不同釩合金加入方式生產(chǎn)，化學(xué)成分設計合理，既保證了鋼筋性能達到GB1499.2-2007標準要求，又達到了節省合金的目的。

3）高強抗震鋼筋用于建筑工程，不僅可大大提高安全性，而且由于強度的提高，價(jià)格比下降，從而可節約鋼材，提高資源利用率，并且減少了對環(huán)境的污染，具有較大的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。

參考文獻

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 (河北鋼鐵集團承鋼公司技術(shù)中心)