摘  要：GB1499.2-2007标准的颁布和GB50010 《混凝土结构设计规范》已于2011年7月1日起开始实施，为我国高强抗震钢筋的发展创造了条件。近年来，承钢公司利用得天独厚的钒钛资源特点，采用钒微合金化方式，成功的开发了HRB500E高强抗震钢筋，产品性能均达到GB1499.2-2007标准规定的抗震要求，成为国内生产建筑钢筋牌号、规格最全的企业之一。

关键词：HRB500E 抗震钢筋 研制

1 前言

建筑用钢材是建筑工程用基础材料之一，而混凝土结构用钢筋，则是世界上普遍生产和使用的一种主要钢材产品，约占世界钢材产量的13%。在工业发达国家，如美国、英国、德国等的建筑用钢国家标准中已淘汰了335MPa级及以下等级钢筋，均采用400MPa级以上建筑钢筋。

我国是地震多发国家，所以对建筑结构的安全性要求也越来越高，而提高建筑安全性的关键之一是提高钢筋的强度和抗震性能。同时，GB50010 《混凝土结构设计规范》已于2011

年7月1日起开始实施，这为我国高强抗震钢筋的发展创造了一个良好契机。

河北钢铁股份有限公司承德分公司（以下简称承钢公司）作为国内热轧带肋钢筋的重点生产企业，而且又是全国两大钒产品生产企业之一，研究含钒的高强抗震钢筋，满足抗震建筑结构的需要，是我们义不容辞的责任。

2 HRB500E高强度抗震钢筋的技术条件要求

1）HRB500E高强度抗震钢筋化学成分应符合表1的要求，根据需要，钢中还可加入V、Nb、Ti等元素。

表1 HRB500E化学成分要求

2）钢筋的力学性能特征值应符合表2规定。

表2 HRB500E力学性能要求

注：直径为28～40mm钢筋的断后伸长率A可降低1%；直径大于40mm钢筋的断后伸长率A可降低2%。

3 承钢HRB500螺纹钢筋生产情况简介

2008年-2010年承钢生产HRB500钢筋规格涵盖GB/T1499.2-2007所有规格，包括φ6～φ12mm盘螺、φ12～φ50mm直螺；通过统计：φ6～φ12mm盘螺强度值波动大，造成成分设计难度加大；φ12～φ50mm直螺性能稳定，屈标比满足抗震钢筋要求，但符合强屈比大于1.25的比例只有50%左右；不同规格的钢筋Agt均可满足≥9％的要求。因此，HRB500E抗震钢筋研究的难点是解决盘条钢筋的强度值波动大、直条钢筋强屈比不合问题。

4 HRB500E高强度抗震钢筋生产方案设计

根据GB1499.2-2007标准规定，钢筋应以热轧状态交货，明确了余热处理钢筋不在标准的适用范围，同时规定了钢筋金相组织主要是铁素体+珠光体。因此，承钢公司利用自有的钒资源优势，采用钒铁合金化、氮化钒铁（氮化钒）合金化以及氮化钒铁（氮化钒）+钒铁复合合金化技术，研制开发GB1499.2—2007国家标准中HRB500E高强度抗震钢筋。

4.1 钢筋强屈比的影响因素

4.1.1碳、硅、锰常规元素对钢筋强屈比影响

从钢的强化机理来看，碳、硅、锰元素在钢中的强化作用主要都为固溶强化，固溶强化效果虽然远低于沉淀强化的效果，但是固溶强化对抗拉强度的提高幅度较大；从钢的组织上看，在亚共析钢中，碳、锰元素的提高皆有利于提高珠光体的转变，硅元素对珠光体形成基本无影响，珠光体有着良好的综合性能，能大幅度提高钢筋的抗拉强度。因此固溶强化和珠光体强化都能够提高钢筋强屈比。

在碳、硅、锰三种元素中，碳对提高钢筋强度和强屈比的作用最大；硅元素虽可提高钢筋强屈比，但其对钢筋强度的提高作用不如锰元素。

在成分设计中要综合考虑强度、塑性及焊接性能的各项指标，确定其具体含量。

4.1.2钒微合金化方式对强屈比的影响

1）不同钒微合金化方式下钢筋强屈比、抗拉强度和屈服强度的回归统计

通过数据分析，得出氮化钒铁、氮化钒和钒铁对钢筋强屈比、抗拉强度、屈服强度的回归结果，见表3～表5。

表3  钢筋强屈比与化学成份回归统计结果

表4  钢筋抗拉强度与化学成分回归统计结果

表5  钢筋屈服强度与化学成分回归统计结果

2）钒铁、氮化钒、氮化钒铁微合金化影响钢筋强屈比的分析

钒在钢中可以起到固溶强化、析出强化和细晶强化的作用，但在钢中氮含量很少的情况下，钒主要固溶在钢中，只有少部分钒形成碳氮化物析出。也就是说钢中氮含量在较低的情况下，钒析出强化和细晶强化的作用较小，而析出强化和细晶强化都是大幅提高钢的屈服强度的，对抗拉强度的提高相对要低很多，所以在钢中钒含量一定的情况下，钒铁合金化对钢强屈比降低的程度最小。

当钒钢中的氮逐渐增加时，由于氮和钒具有很强的亲和力，促进了VC、VN的析出，使钢中固溶状态的钒更多的转变为析出状态，起到了更多的沉淀强化作用；而且氮的增加还会促进碳（氮）化钒在奥氏体-铁素体界面的析出，有效阻止铁素体晶粒的长大，起到了细化铁素体晶粒的作用。因此当钢中氮含量增多时，钒析出强化和细晶强化的作用逐渐增大，其对强屈比降低的作用也进一步增强。

钒在钢中沉淀强化的效果取决于析出相的数量和弥散度，质点越多、越细小弥散，沉淀强化的效果越大。有研究表明：V和N比例越接近理想当量比4：1，钢中V(C，N)中VN比例越高，即VN多、VC少，强化沉淀效果越好。而承钢公司的钢水中原始氮含量较高，一般均大于70ppm，加上氮化钒或氮化钒铁带入的氮，其钒和氮的比例均已达到或超过V／N=4：1的理想值。也就是说，承钢的钢水无论采用氮化钒还是氮化钒铁合金化，钒在钢中沉淀强化的作用都达到了理想状态，氮化钒铁中多余的氮更多地起到了细晶强化的作用。

3）钒微合金化方式的确定

根据表3～表5回归统计结果，结合我公司铁水含V的特点，确定了生产HRB500E高强度抗震钢筋的钒微合金化方式。对于小规格钢筋，采用氮化钒铁合金化方式，对于大规格钢筋，采用氮化钒铁+钒铁复合合金化方式。

4.2 HRB500E化学成分设计

4.2.1常规元素  根据表4～表5统计，钢中每增加0.01%C，屈服强度、抗拉强度可分别提高7MPA和8MPA,但对钢的塑性和焊接性能均不利。因此,要控制钢中的C含量,防止碳当量过高。Mn的加入可提高固溶强化效果, 降低相变温度,细化钢的组织,提高强度及韧性,且Mn能提高V在奥氏体中的固溶度积,增强其沉淀强化效果，但含量太高会增加碳当量,不利于焊接。

4.2.2 V元素含量对抗拉强度和屈服强度的影响

通过对大量的相关数据进行分析比较，确定V元素含量对抗拉强度和屈服强度的影响程度，其散点图如下：

图1   钒元素与屈服强度散点图(高强抗震钢筋的研制)

图2    钒元素与抗拉强度散点图(高强抗震钢筋的研制)

通过散点图我们可以看到，当钢中钒元素含量超过0.12%后，其对钢筋抗拉强度和屈服强度贡献的绝对值都呈下降趋势，因此钒元素加入量不宜超过0.12%。

4.2.3由于钢筋规格从φ6～φ50mm，跨度非常大，用同一种成分显然不可能满足所有规格的生产要求。因此，根据不同规格确定不同的化学成分，规格相近的采用相同的化学成分。

4.2.4综合以上因素，确定了钢坯化学成分应符合表6的规定。

表6 HRB500E化学成分控制要求/%

注：根据不同规格，钒的加入方式分为三种：钒铁、氮化钒铁（氮化钒）、氮化钒铁（氮化钒）+钒铁

4.3 盘条钢筋控轧控冷工艺

通过针对HRB500盘螺生产情况统计，盘螺生产中存在强度值波动大，同一卷最大值与最小值相差40～50Mpa，无法保证屈标比合格，因此解决盘螺强度值波动大是HRB500E抗震钢筋研制另一个难题。解决措施：控制加热通条钢坯温度差，以及降低散冷线盘卷搭接点与中间部位温度差。

4.4 工艺路线

高炉铁水→转炉冶炼→脱氧合金化→LF炉精炼→方坯连铸→加热→棒线材机组轧制→冷却→收集→产品检验→包装、入库

4.5 工艺控制

4.5.1化学成分

为保证钢筋的屈服强度控制在500～650MPa之间，同时保证钢筋的强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，根据不同的轧制规格调整V的加入方式。

4.5.2冶炼

为保证钢坯质量，降低钢水氧化性，严格控制冶炼终点C含量，为使钢中夹杂物充分上浮，保证吹氩时间，同时连铸时实行全过程保护浇注，并稳定钢坯拉速。

4.5.3轧制

1）制定合理的加热制度。根据不同生产线及不同轧制规格控制不同的钢坯出炉温度，确保终轧温度稳定，尽量避免钢筋组织粗大、不均匀现象造成力学性能下降。

2）盘条钢筋制定合理的控轧控冷参数，根据盘条钢筋实际生产特点，制定吐丝温度以及散冷线参数，通过设定风机开启台数、风量大小、佳灵装置开度，确保盘条钢筋均匀冷却，降低通条性能差。

3）对大规格钢筋的外形设计进行改进，确保冷弯性能合格。

5 产品实物质量

5.1 产品性能指标

采用不同的钒加入方式生产的HRB500E高强度抗震钢筋，力学性能指标如表7所示。

表7 HRB500E钢筋的实际力学性能

5.2 表面质量

生产的HRB500E抗震钢筋表面没有有害的缺陷，外形尺寸全部符合GBl499.2-2007的要求。

5.3 内部组织

对钢筋内部组织进行检验，均为铁素体加珠光体。

图3  HRB500E抗震钢筋金相组织

Fig.3 The microstructure of HRB500E

5.4 钢筋的焊接性能、机械连接性能试验

对成品钢筋进行不同焊接方法的焊接型式试验，接头试样力学性能、拉伸断裂位置、断口特征、弯曲等指标全部合格。

为检验成品钢筋的机械连接性能, 分别做单向拉伸、高应力反复拉压、大变形反复拉压性能试验。试验结果均符合机械连接的要求,说明钢筋的机械连接性能良好。

6 结 语

1）HRB500E高强抗震钢筋的成功生产标志着承钢公司高强度抗震钢筋生产水平再上新的台阶，同时也为国家高强抗震钢筋的全面推广和应用奠定了基础。

2）HRB500E高强抗震钢筋采用不同钒合金加入方式生产，化学成分设计合理，既保证了钢筋性能达到GB1499.2-2007标准要求，又达到了节省合金的目的。

3）高强抗震钢筋用于建筑工程，不仅可大大提高安全性，而且由于强度的提高，价格比下降，从而可节约钢材，提高资源利用率，并且减少了对环境的污染，具有较大的社会效益和经济效益。

参考文献

[1] 赵彻，孟宪珩，齐宏智，不同钒微合金化方式对钢筋强屈比的影响，2009全国建筑钢筋生产、设计与应用技术交流研讨会，2009， 第200-206页.

[2] 杨才福，高强度建筑钢筋的最新技术进展，2009全国建筑钢筋生产、设计与应用技术交流研讨会，2009，第103-113页.

[3] 樊晓雷，王学忠，400、500 MPa级钢筋的抗震性能研究，金属材料与冶金工程，2009，第30-34页.

 (河北钢铁集团承钢公司技术中心)