一、研究的背景與問題
我國是世界最大的建筑鋼筋生產(chǎn)國，2020年我國鋼筋產(chǎn)量為2.66億噸。隨著我國經(jīng)濟(jì)運(yùn)行全球化、工業(yè)技術(shù)現(xiàn)代化和社會(huì)結(jié)構(gòu)都市化的迅速發(fā)展以及低碳環(huán)保的要求，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)安全可靠性和使用壽命提出了更為嚴(yán)格的要求，從而對(duì)最主要的建筑材料高強(qiáng)度鋼筋提出了更高的性能質(zhì)量要求，包括更高的強(qiáng)度級(jí)別、良好的可焊性和塑性成形能力、優(yōu)良的抗震性能、耐低溫性能、耐大氣腐蝕能力以及耐火性能等。近日住建部發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)GB 55008-2021《混凝土結(jié)構(gòu)通用規(guī)范》。隨著新的通用規(guī)范的頒布，今后500和600MPa的高強(qiáng)鋼筋的用量會(huì)得到進(jìn)一步的提升，這不僅可以減少鋼材消耗量，而且對(duì)于降低建造成本、提高建設(shè)速度、減少污染和CO2排放、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。
根據(jù)有關(guān)市場調(diào)研和質(zhì)量抽查檢驗(yàn)表明，市場銷售的熱軋鋼筋仍然存在不合格產(chǎn)品，質(zhì)量穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)鋼筋不合格項(xiàng)主要為：顯微組織、硬度、金相組織、成分、力學(xué)性能，其余為表面質(zhì)量、尺寸外形、重量偏差、鋼筋標(biāo)識(shí)等。
同時(shí)熱軋鋼筋企業(yè)生產(chǎn)過程中主要存在的問題：（1）鋼中氮元素含量不穩(wěn)定，釩氮原子比不合理，未能充分發(fā)揮釩的強(qiáng)化作用，導(dǎo)致鋼筋中釩元素添加量偏高，造成合金的浪費(fèi)。（2）軋后穿水時(shí)如果控制不當(dāng)，易出現(xiàn)回火組織，或者表面出現(xiàn)銹蝕。（3）空冷鋼筋有時(shí)表面出現(xiàn)氣泡。（4）多線切分軋制時(shí)，各線強(qiáng)度線差大。（5）HRB400E鋼筋采用穿水工藝使得屈服強(qiáng)度波動(dòng)大，且顯微組織又不合格現(xiàn)象出現(xiàn)，質(zhì)量穩(wěn)定性有待提升。（6）500MPa級(jí)以上的高強(qiáng)鋼筋，強(qiáng)屈比指標(biāo)富余量小，對(duì)于小規(guī)格鋼筋（φ12-14mm），強(qiáng)屈比指標(biāo)雖復(fù)檢合格，但一次合格率較低。
針對(duì)上述行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵共性問題，鋼鐵研究總院技術(shù)團(tuán)隊(duì)，從顯微組織、顯微硬度、化學(xué)成分、力學(xué)性能、應(yīng)用性能調(diào)控等不同角度，自主創(chuàng)新開發(fā)了高性能熱軋鋼筋減量化制備關(guān)鍵技術(shù)。
二、解決問題的思路與技術(shù)路線
本項(xiàng)目針對(duì)目前存在的問題和技術(shù)目標(biāo)，進(jìn)行了技術(shù)路線的制定，主要在研究內(nèi)容、研究防范、創(chuàng)新措施和預(yù)期實(shí)施效果等方面。技術(shù)思路和技術(shù)路線圖如下。
圖1 技術(shù)路線圖
通過冶煉—連鑄—軋制—冷卻一體化協(xié)同控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，獲得減量化制備關(guān)鍵工藝，主要的關(guān)鍵技術(shù)如下：
1、穩(wěn)定增氮工藝：利用廉價(jià)的氮，在添加釩氮合金的基礎(chǔ)上通過底吹氬+硅氮合金二次增氮，從各個(gè)冶煉連鑄環(huán)節(jié)進(jìn)行增氮穩(wěn)氮實(shí)踐，完善了穩(wěn)定增氮理論，并獲得氮釩原子比在0.5-1.0的穩(wěn)定增氮工藝。生產(chǎn)HRB500E，控制0.06~0.08%V+0.013~0.015%N; HRB600E，控制在0.10~0.12%V+0.022~0.024%N; YS700E，控制在Ni、Cr、0.16%V+0.028~0.030%N，同時(shí)配合氣霧冷卻或弱水冷工藝，進(jìn)行冷卻路徑優(yōu)化。
圖2 V-N復(fù)合微合金化技術(shù)
2、新型冷卻工藝（Spray Evaporation Cooling），考慮全過程控冷工藝，階梯型分段冷卻+中間返溫+冷床控冷；通過控制水霧粒度分布提高汽化冷卻比例和冷卻效率，優(yōu)化冷卻路徑，控制每個(gè)冷卻段的降溫、返溫溫度以及冷卻速度，控制V（或Nb）的碳氮化物在γ~α轉(zhuǎn)變過程中的相間析出和在鐵素體區(qū)的析出，并控制各冷卻段的終冷溫度，從而達(dá)到控制細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的目標(biāo)。
圖3 分級(jí)氣霧冷卻路徑設(shè)計(jì)
3、低溫軋制工藝：在現(xiàn)有設(shè)備條件下實(shí)現(xiàn)低溫軋制在熱軋鋼筋中的應(yīng)用；
4、珠光體細(xì)化技術(shù)：通過控制鐵素體珠光體組織比例和珠光體團(tuán)塊尺寸、片層間距，實(shí)現(xiàn)珠光體相變的精確控制；
表1 不同冷卻工藝對(duì)珠光體細(xì)化的影響
注：VN-0.02%V， VN2-0.01%V，其余成分相同。
圖4 不同氣霧冷卻工藝條件下的珠光體團(tuán)塊尺寸和片層間距對(duì)比
（a）900℃；（b）840℃；（c）800℃；
5、析出物控制技術(shù)；在穩(wěn)定增氮工藝的實(shí)施條件下，根據(jù)奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)PTT析出曲線，獲得碳氮化釩控制析出軋制工藝技術(shù)VCN-PCRP ，并增加VCN析出相內(nèi)VN析出相的比例，有效減小了VCN析出相顆粒的尺寸，提高了析出強(qiáng)化效果，有效提高微合金元素的利用率，降低合金成本；
圖5 HRB500E奧氏體區(qū)和鐵素體區(qū)PTT析出控制曲線
6、氧化鐵皮結(jié)構(gòu)精確控制工藝：為了避免鋼筋表面的紅銹引起的建筑物安全隱患，綜合考慮溫度、氧化程度、應(yīng)力狀態(tài)、Fe-O激活能等因素，利用高溫γ區(qū)（ FeO ）+相變過程（ FeO+少量Fe3O4）+后續(xù)冷床氧化（FeO+Fe3O4）的氧化鐵皮控制工藝，獲得致密氧化膜，可以有效解決水冷卻后表面紅銹的問題。
圖6 不同冷卻工藝對(duì)氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的影響
（a）空冷；（b）分級(jí)氣霧冷卻；（c）分段穿水；
7、高強(qiáng)鋼筋的強(qiáng)塑化機(jī)理研究；通過位錯(cuò)強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、相變強(qiáng)化等手段的綜合應(yīng)用，獲得500~800MPa高性能鋼筋的強(qiáng)塑化關(guān)鍵制備工藝，為今后超高強(qiáng)鋼筋的開發(fā)和應(yīng)用提供了新的技術(shù)途徑和技術(shù)參考。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1、揭示了經(jīng)濟(jì)型500~600MPa級(jí)高強(qiáng)抗震鋼筋質(zhì)量穩(wěn)定性控制規(guī)律，開發(fā)出500MPa級(jí)鋼筋基于最佳氮釩原子比的穩(wěn)定增氮及析出物控制工藝，完善了V-N微合金鋼理論，提高了HRB500E力學(xué)性能和HRB600E的強(qiáng)屈比穩(wěn)定性，且減少了釩的加入量。
2、開發(fā)了高性能熱軋鋼筋分級(jí)氣霧冷卻工藝和設(shè)備，通過軋后冷速的分級(jí)精確控制，HRB400E-HRB600E可節(jié)約0.01~0.02%V；
3、開發(fā)出采用NiCrVN（Ni、Cr?1.0%）700MPa~800 MPa抗震耐候鋼筋的微合金化與控軋控冷工藝，獲得細(xì)化的復(fù)相組織和彌散析出的碳氮化物，其強(qiáng)屈比?1.25，高應(yīng)變低周疲勞抗力優(yōu)良；
4、闡明了高性能熱軋鋼筋基于氧化鐵皮結(jié)構(gòu)調(diào)控的耐蝕機(jī)理，通過優(yōu)化冷卻方式和冷卻介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了氧化鐵皮的控制，使鋼筋具有良好的耐大氣腐蝕性能。
四、應(yīng)用情況與效果
本項(xiàng)目研究成功在多條生產(chǎn)線實(shí)施應(yīng)用，分別有：福建三鋼閩光股份有限公司、山西建龍實(shí)業(yè)有限公司、湖南華菱漣源鋼鐵有限公司、成渝釩鈦科技有限公司、敬業(yè)鋼鐵有限公司、中天鋼鐵集團(tuán)有限公司等示范線，合計(jì)節(jié)約成本10~20元/噸鋼，產(chǎn)品合格率100%。推廣的六家企業(yè)近三年累計(jì)增加銷售收入超過了20億元、創(chuàng)造直接經(jīng)濟(jì)效益超過了2億元。研制成功的系列化高強(qiáng)抗震耐候鋼筋，應(yīng)用在川藏鐵路和大興機(jī)場，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。
該項(xiàng)技術(shù)成果獲得授權(quán)專利15件（發(fā)明專利10件），2021年1月，由中國金屬學(xué)會(huì)組織的科技成果評(píng)價(jià)專家委員會(huì)的評(píng)價(jià)意見為：“該項(xiàng)技術(shù)成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中高性能熱軋鋼筋分級(jí)氣霧冷卻工藝和設(shè)備、超高強(qiáng)鋼筋強(qiáng)屈比控制技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平” 。
該技術(shù)從合金源頭、質(zhì)量升級(jí)、設(shè)備工藝創(chuàng)新、全生命周期等方面開展了系列化高性能熱軋鋼筋減量化制備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究，不僅解決了高性能熱軋鋼筋質(zhì)量穩(wěn)定性和合金減量化的關(guān)鍵問題，也為減少碳排放提供了工藝路徑和技術(shù)參考。
