邵際平，徐玉強(qiáng)，葉爾哈那提，高磊

（新疆昆玉鋼鐵有限公司）

1 前言

高強(qiáng)度化、輕量化以及綜合性能更優(yōu)化的建筑要求，為熱軋帶肋鋼筋今后發(fā)展指明了方向。在滿(mǎn)足建筑設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，使用高強(qiáng)鋼筋可以減少構(gòu)件自重，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨合理，減少鋼筋運(yùn)輸、加工量，提高安全儲(chǔ)備等。另外從綜合性能更優(yōu)化來(lái)看，地球每年發(fā)生地震350萬(wàn)次，給世界上許多國(guó)家?guī)?lái)十分慘重的災(zāi)難，我國(guó)是地震多發(fā)地區(qū)，應(yīng)做地震設(shè)防的地震烈度7級(jí)以上的地震區(qū)達(dá)101個(gè)，分布在全國(guó)26個(gè)省、市、自治區(qū)，占全國(guó)總面積的32.5%。對(duì)于地震多發(fā)地區(qū)，重點(diǎn)應(yīng)用高強(qiáng)屈比、均勻延伸率高的高強(qiáng)度抗震鋼筋。我國(guó)于2008年3月1日頒布實(shí)施《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》GB l499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)，就充分考慮抗震鋼筋的要求。昆玉鋼鐵在開(kāi)發(fā)HRB500E抗震鋼筋的過(guò)程中，出現(xiàn)了HRB500E抗震鋼筋強(qiáng)屈比偏低且不穩(wěn)定的問(wèn)題，一度影響了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)穩(wěn)定性。

2 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)抗震鋼筋的要求

該標(biāo)準(zhǔn)充分考慮抗震鋼筋的要求，提高了所有強(qiáng)度等級(jí)的鋼筋延伸率以及最大力總伸長(zhǎng)率Agt的指標(biāo)要求，鋼筋的延伸性總體比原標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有所改善和提高，具體變化：（1）鋼筋測(cè)實(shí)抗拉強(qiáng)度與實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度之比Rom／RoeL不小于1.25；（2）鋼筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度與規(guī)定的屈服強(qiáng)度特征值之比RoeL／ReL不大于1.30；（3）鋼筋的最大力總伸長(zhǎng)率Agt不小于9%。

由于在強(qiáng)烈的地震時(shí)，結(jié)構(gòu)物通常進(jìn)入非彈性范圍工作，因此在抗震設(shè)計(jì)中要力求控制一些部位形成塑性鉸，并應(yīng)避免塑性鉸過(guò)于集中在某一位置，如果鋼筋的抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度之比足夠大（強(qiáng)屈比必須大于1.25），那么這一目的就容易達(dá)到。因?yàn)橐坏┠骋晃恢眯纬伤苄糟q，隨著鋼筋應(yīng)變硬化所增加的后備抗力，就能夠促使塑性鉸適當(dāng)擴(kuò)展，從而保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)獲得充分吸收地震能量的能力，而不至于倒塌。所以從結(jié)構(gòu)抗震觀點(diǎn)要求鋼筋有足夠大的強(qiáng)屈比[1]。

3 昆玉軋鋼生產(chǎn)工藝流程與特點(diǎn)

工藝流程：連鑄坯上料→加熱爐加熱→高壓水除鱗→六機(jī)架粗軋→1#飛剪切頭尾→八機(jī)架中軋→控軋裝置（替換輥道）→2#飛剪切頭尾→四機(jī)架精軋→控冷裝置（替換輥道）→倍尺飛剪分段→步進(jìn)式冷床冷卻→850t冷剪定尺剪切→鏈?zhǔn)脚_(tái)架收集→計(jì)數(shù)、打捆→成品收集→稱(chēng)重、標(biāo)牌、入庫(kù)。

工藝布置特點(diǎn)：新疆昆玉棒材生產(chǎn)線(xiàn)不同于國(guó)內(nèi)其它棒材生產(chǎn)線(xiàn)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(jī)之后增加了長(zhǎng)度8390m控軋裝置，分為2段冷卻，以提高控軋冷卻能力；18#軋機(jī)至3#飛剪中心線(xiàn)距離為36200m，以滿(mǎn)足控冷和緩冷裝置需要，實(shí)現(xiàn)了控軋控冷與切分全面升級(jí)的完美結(jié)合，同時(shí)這兩項(xiàng)技術(shù)也成為該生產(chǎn)線(xiàn)的兩大工藝特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

微合金化強(qiáng)化效果顯著，工藝敏感性強(qiáng)，強(qiáng)度越高強(qiáng)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(guò)裝備優(yōu)勢(shì)，真正意義上實(shí)現(xiàn)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(fā)揮合金元素的強(qiáng)化機(jī)制和韌性機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過(guò)溫度控制等工藝手段，特別是利用控軋、控冷溫度對(duì)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的不同影響，來(lái)提高強(qiáng)屈比。

4 影響強(qiáng)屈比的因素及控制措施

強(qiáng)屈比是指鋼筋的抗震性能，是由鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值/屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值得來(lái)的，反映了鋼材的強(qiáng)度儲(chǔ)備。由此可見(jiàn)影響屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的因素都會(huì)對(duì)強(qiáng)屈比產(chǎn)生影響，從金屬內(nèi)在因素來(lái)看，金屬本性及晶格類(lèi)型、晶粒大小和亞結(jié)構(gòu)、溶質(zhì)元素、第二相以及外在因素：溫度、應(yīng)變速率、應(yīng)變狀態(tài)等都會(huì)對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不同的影響。由于強(qiáng)屈比是由鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值/屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值得來(lái)的，因此各種影響因素由于對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)程度不同，勢(shì)必對(duì)強(qiáng)屈比的產(chǎn)生不同的影響。

4.1 成分影響

4.1.1 微合金化元素特點(diǎn)

采用微合金化技術(shù)是目前世界各國(guó)發(fā)展高強(qiáng)度可焊接鋼筋的主要技術(shù)路線(xiàn)[2]。微合金化技術(shù)是20世紀(jì)70年代在國(guó)際冶金界出現(xiàn)的新型冶金學(xué)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(qiáng)碳氮化物形成元素(如:鈮、釩、鈦等)進(jìn)行合金化，通過(guò)高純潔度的冶煉工藝(脫氣、脫硫及夾雜物形態(tài)控制)煉鋼，在加工過(guò)程中施以控制軋制/控制冷卻等新工藝，通過(guò)控制細(xì)化鋼的晶粒和碳氮化物沉淀強(qiáng)化的物理冶金過(guò)程在熱軋狀態(tài)下獲得高強(qiáng)度、高韌性、高可焊接性、良好的成型性能等最佳機(jī)械性能配合的工程結(jié)構(gòu)材料。

鈮、釩、鈦是在普通的低碳C-Mn鋼中添加微量的強(qiáng)碳氮化物形成元素，由于Ti與鋼中的O、S、N有很強(qiáng)的結(jié)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(dǎo)致鋼中Ti含量的穩(wěn)定性控制困難，從而引起鋼的強(qiáng)度水平的大幅波動(dòng)，顯然通過(guò)添加Ti來(lái)提高材料強(qiáng)度，對(duì)性能穩(wěn)定性控制不利。含Nb鋼生產(chǎn)工藝要求嚴(yán)格在鋼筋的生產(chǎn)條件下難以實(shí)現(xiàn)，鋼筋生產(chǎn)過(guò)程中一般是升溫軋制，鋼筋在終軋機(jī)架的出口溫度高達(dá)1100℃以上，因此鋼筋生產(chǎn)很難滿(mǎn)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(yīng)用受限制的另一原因，在典型鋼筋成分下，加熱溫度1200℃時(shí)能夠固溶到鋼中的Nb含量?jī)H0.02%。

鑒于以上原因，采用V/V-N微合金化技術(shù)是目前世界各國(guó)發(fā)展高強(qiáng)度可焊接鋼筋的主要技術(shù)路線(xiàn)[3]。在添加FeV的釩鋼中，釩主要以固溶狀態(tài)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(shuō)明釩鋼中大量的微合金化元素沒(méi)有起到沉淀強(qiáng)化作用，可以說(shuō)是釩的一種浪費(fèi)。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(jìn)了釩從固溶狀態(tài)向V(C,N)析出相中的轉(zhuǎn)移，從而使釩起到了更強(qiáng)的沉淀強(qiáng)化作用。V-N鋼筋中V含量的波動(dòng)范圍非常小，鋼中V含量可穩(wěn)定控制，其波動(dòng)值達(dá)到0.004%的高水平，為鋼筋獲得穩(wěn)定的性能創(chuàng)造了便利條件。

4.1.2 鋼中C、Si、Mn、V元素對(duì)強(qiáng)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(qiáng)度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬和釩等元素強(qiáng)。硅還能能提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈服比(σs/σb),以及疲勞強(qiáng)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(yīng)適當(dāng)降低鋼中硅的含量，從而提高強(qiáng)屈比。

錳元素強(qiáng)化鐵素體或奧氏體的作用不及碳，磷、硅，在增加強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)延展性影響不大。由于細(xì)化了珠光體，顯著提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度，使延展性有所降低。通過(guò)提高淬透性而提高了調(diào)質(zhì)處理索氏體鋼的力學(xué)性能。據(jù)此分析，Mn元素對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，增大強(qiáng)屈比。碳元素增加，提高了材料的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，但塑性和沖擊性降低。從實(shí)際生產(chǎn)中統(tǒng)計(jì)分析，碳對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，增大強(qiáng)屈比。

含釩鋼是通過(guò)鐵素體沉淀硬化和細(xì)化鐵索體晶粒來(lái)強(qiáng)化的，從這一點(diǎn)上分析，釩對(duì)屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，影響強(qiáng)屈比降低。

4.2 強(qiáng)化機(jī)制選擇

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

表1 鈮、釩、鈦微合金化的強(qiáng)化效果

鈮具有最強(qiáng)的晶粒細(xì)化強(qiáng)化效果，而釩具有最強(qiáng)的沉淀強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)制主要是細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。

4.3 溫度制度的影響

溫度制度是對(duì)熱軋中各工序開(kāi)始或終了時(shí)軋件溫度的具體規(guī)定，針對(duì)開(kāi)軋溫度、控軋溫度、控冷溫度進(jìn)行討論。由于VC和VN在鋼中的固溶度相對(duì)較大,因而通?；瘜W(xué)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(dāng)鋼中釩、氮元素含量確定時(shí),碳元素的含量對(duì)碳氮化釩的全固溶溫度影響很小，根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shí)考慮到晶粒度對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響，避免強(qiáng)屈比不符合標(biāo)準(zhǔn)，可適當(dāng)提高開(kāi)展溫度，但一定要兼顧鋼材的組織結(jié)構(gòu)。2014年9月昆玉生產(chǎn)HRB500Eφ12mm抗震鋼筋，因前一批強(qiáng)屈比較低，通過(guò)提高開(kāi)軋溫度來(lái)改善強(qiáng)屈比，但因提高溫度幅度較大，晶粒粗化、組織結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀明顯，見(jiàn)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(lái)看，由于開(kāi)軋溫度提高幅度較大，雖然強(qiáng)屈比平均由1.24上升到1.34，達(dá)到了提高強(qiáng)屈比的目的，但是晶粒出現(xiàn)粗化，組織出現(xiàn)了明顯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。另外從屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度看，隨著鋼溫升高性能不降反升，主要是1409195批開(kāi)軋溫度沒(méi)能使釩充分固溶，而1409196批溫度較高使釩充分固溶為沉淀強(qiáng)化創(chuàng)造了條件，性能的提高正是發(fā)揮了釩微合金元素的沉淀強(qiáng)化效果顯著的優(yōu)勢(shì)。

控軋控冷的目的是控制軋制溫度、冷卻速度等工藝參數(shù)，來(lái)細(xì)化晶粒、改善組織結(jié)構(gòu)，提高鋼材綜合性能。從生產(chǎn)實(shí)際來(lái)看，控軋控冷溫度溫度對(duì)強(qiáng)屈比影響較大，主要是溫度對(duì)軋件晶粒度的影響晶粒越細(xì)，枝晶間距越小，屈服強(qiáng)度越高，但是由于晶粒細(xì)化對(duì)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不同，采用細(xì)晶強(qiáng)化的結(jié)果使強(qiáng)屈比下降。

4.4 應(yīng)變速率的影響

應(yīng)變速率增大，金屬材料的強(qiáng)度增加，根據(jù)圖3應(yīng)變速率和金屬?gòu)?qiáng)度關(guān)系分析，屈服強(qiáng)度隨應(yīng)變速率的變化較抗拉強(qiáng)度的變化要明顯的多，受此影響強(qiáng)屈比隨這應(yīng)變速率的提高而降低。

圖3 應(yīng)變速率和金屬?gòu)?qiáng)度

4.5 負(fù)差率的影響

強(qiáng)屈比是由鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值/屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值得來(lái)的。

式中：R0m-抗拉強(qiáng)度實(shí)測(cè)值；

R0eL-屈服強(qiáng)度實(shí)測(cè)值；

F0m-相應(yīng)的最大力；

F0eL-不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小力；

s0-公稱(chēng)截面面積；

i-強(qiáng)屈比。

目前大部分鋼材采取負(fù)差軋制，若負(fù)差率為n%，試樣實(shí)際截面面積減少n%，相應(yīng)的不計(jì)初始瞬時(shí)效應(yīng)時(shí)的最小力和最大力各下降n%。

從式（1）和式（2）來(lái)看，負(fù)差率的變化對(duì)強(qiáng)屈比沒(méi)有產(chǎn)生影響。這一點(diǎn)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：將小規(guī)格的試樣（相當(dāng)于大規(guī)格的大負(fù)差的產(chǎn)品），在試驗(yàn)機(jī)上按照大規(guī)格做實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度變化特別大，而強(qiáng)屈比不變。但是不能因?yàn)樨?fù)差率的變化對(duì)強(qiáng)屈比沒(méi)有產(chǎn)生影響，就認(rèn)為負(fù)差率與強(qiáng)屈比調(diào)整沒(méi)有關(guān)系，由于負(fù)差率對(duì)強(qiáng)度影響較大，可以通過(guò)減少負(fù)差率，即增加成品的實(shí)際截面積來(lái)提高抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度（對(duì)HRB500E的抗震鋼筋來(lái)說(shuō)，負(fù)差率降低2%，抗拉強(qiáng)度平均提高15MPa、屈服強(qiáng)度提高10MPa），由于負(fù)差率的減少使產(chǎn)品強(qiáng)度的富余量增大，為控軋控冷溫度調(diào)整創(chuàng)造了條件，再通過(guò)提高控軋控冷溫度，在適當(dāng)降低屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的同時(shí)達(dá)到提高強(qiáng)屈比的目的。當(dāng)然通過(guò)降低負(fù)差率來(lái)改善強(qiáng)屈比，對(duì)于理重交貨的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，影響成本控制，但從保證產(chǎn)品性能和質(zhì)量權(quán)衡來(lái)考慮，也不失為有效手段。

5 結(jié)論

抗震鋼筋隨著強(qiáng)度的提高，強(qiáng)屈比越難以保證，昆玉鋼鐵在對(duì)HRB500E抗震鋼筋的開(kāi)發(fā)中，就遇到了強(qiáng)屈比偏低且不穩(wěn)定的問(wèn)題，一度影響了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，通過(guò)分析元素影響、強(qiáng)化機(jī)制、溫度制度、應(yīng)變速率及負(fù)差率等因素，提出了相應(yīng)的解決辦法，保證了HRB500E抗震鋼筋開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

[1]丁大鈞.現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)學(xué).中國(guó)建筑工業(yè)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.