1. 前言
高強(qiáng)鋼筋被稱為建筑業(yè)的脊梁，也是建筑業(yè)的骨架。2012年1月，我國(guó)出臺(tái)《關(guān)于加快應(yīng)用高強(qiáng)鋼筋的指導(dǎo)意見》，要求在建筑工程中加速淘汰335MPa級(jí)鋼筋，優(yōu)先使用400MPa級(jí)鋼筋，積極推廣500MPa級(jí)鋼筋，當(dāng)時(shí)的目標(biāo)是，到2015年底，高強(qiáng)鋼筋產(chǎn)量將達(dá)到螺紋鋼筋總產(chǎn)量的80%，使用量將達(dá)到建筑用鋼筋總量的65%以上。大型高層建筑和大跨度公共建筑優(yōu)先采用500MPa級(jí)鋼筋，逐年提高生產(chǎn)和應(yīng)用比例，從而拉開了高強(qiáng)鋼筋推廣應(yīng)用的序幕。
目前，高強(qiáng)鋼筋品種開發(fā)方面主要有五大方向：一是加強(qiáng)500MPa級(jí)及以上高強(qiáng)鋼筋的研發(fā)、推廣和應(yīng)用；二是加強(qiáng)抗震鋼筋的生產(chǎn)與應(yīng)用；三是加強(qiáng)耐蝕鋼筋的研發(fā)、推廣與應(yīng)用；四是加強(qiáng)低成本高性能鋼筋的研發(fā)、推廣和應(yīng)用；五是加強(qiáng)高強(qiáng)鋼筋應(yīng)用技術(shù)的研究。本文僅對(duì)我國(guó)建筑用500MPa級(jí)及以上高強(qiáng)鋼筋和抗震鋼筋的性能與生產(chǎn)工藝進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
2. 500MPa級(jí)及以上高強(qiáng)鋼筋生產(chǎn)工藝
2.1 500MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋生產(chǎn)工藝
500MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋主要生產(chǎn)工藝是在低合金鋼20MnSi的基礎(chǔ)上添加微合金元素釩，充分利用廉價(jià)的氮元素實(shí)現(xiàn)沉淀強(qiáng)化，使鋼材強(qiáng)度達(dá)到500MPa級(jí)別。釩微合金化工藝具有成分設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理，鋼筋性能穩(wěn)定、強(qiáng)屈比高的特點(diǎn)并具有良好的低溫性能與焊接性能，是生產(chǎn)500MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的較佳生產(chǎn)工藝。
2.1.1 成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能
GB l499.2（2016修訂稿）規(guī)定HRB500的化學(xué)成分和碳當(dāng)量應(yīng)符合表1的要求，并根據(jù)需要鋼中還可以加入釩、鈮、鈦等元素。
2.1.2 技術(shù)路線
500MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的技術(shù)路線是軋后余熱處理、超細(xì)晶和微合金化三種，前兩種技術(shù)采用低合金鋼20MnSi的成分，微合金化技術(shù)則在20MnSi的基礎(chǔ)上添加了釩、鈮、鈦等微合金元素。
1）微合金化
微合金化技術(shù)是通過冶金方法在20MnSi鋼的基礎(chǔ)上添加微合金元素達(dá)到提高鋼材力學(xué)性能的目的。其強(qiáng)化機(jī)制是微合金化元素與鋼中的碳、氮原子形成高熔點(diǎn)、高硬度的碳化物和氮化物。一方面沉淀在奧氏體晶界上，加熱時(shí)不易熔入奧氏體，可阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，造成細(xì)晶強(qiáng)化；另一方面這些碳化物和氮化物質(zhì)點(diǎn)也可以在奧氏體轉(zhuǎn)變成鐵素體過程中或轉(zhuǎn)變后析出，在鐵的晶格中會(huì)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，造成沉淀強(qiáng)化。
2）超細(xì)晶技術(shù)
超細(xì)晶技術(shù)也無(wú)需添加微合金元素，是控軋與控冷結(jié)合的現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)?？剀垺⒖乩涔に噷?shí)施的前提是軋鋼生產(chǎn)線全流程溫度的計(jì)算機(jī)控制，需要根據(jù)不同品種和規(guī)格確定特定的軋鋼工藝制度。綜合利用再結(jié)晶控軋、未再結(jié)晶控軋、形變誘導(dǎo)鐵素體相變和鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)制，保證控制晶粒尺寸和微觀組織，最終實(shí)現(xiàn)鋼材的細(xì)晶強(qiáng)化。
3）軋后余熱處理
軋后余熱處理技術(shù)不需要添加微合金元素，是將熱軋和熱處理工藝有機(jī)地結(jié)合起來，即把鋼筋熱軋后直接在線淬火，進(jìn)行表面冷卻，然后利用鋼材心部余熱對(duì)鋼筋表層進(jìn)行回火處理，使鋼筋表層組織轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ａ赳R氏體位向的回火索氏體組織，心部為細(xì)化的鐵素體加珠光體組織，且珠光體相對(duì)含量有所增加，最終通過組織強(qiáng)化使20MnSi鋼達(dá)到500MPa級(jí)。
雖然軋后余熱處理與超細(xì)晶技術(shù)不需要添加微合金元素，但設(shè)備成本高，并且產(chǎn)品強(qiáng)屈比偏低、時(shí)效現(xiàn)象明顯、不宜采用焊接和損傷外表面的機(jī)械連接方式。而微合金化技術(shù)不需要在軋鋼生產(chǎn)線上增加控制溫度的輔助設(shè)備，設(shè)備成本最低，產(chǎn)品強(qiáng)屈比高、時(shí)效敏感性小、焊接性能良好。通過對(duì)比產(chǎn)品性能與生產(chǎn)成本，可以看出微合金化是生產(chǎn)500MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋的最佳技術(shù)路線。
2.2 600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋生產(chǎn)工藝
2.2.1 成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能
目前國(guó)內(nèi)有沙鋼、承鋼和濟(jì)鋼等鋼廠具備成功生產(chǎn)600MPa級(jí)熱軋螺紋鋼筋的經(jīng)驗(yàn)。表2為GB l499.2（2016修訂稿）對(duì)600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼筋HRB600化學(xué)成分和力學(xué)性能的要求。
2.2.2技術(shù)路線
目前，國(guó)內(nèi)多家鋼廠能夠生產(chǎn)600MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼筋，并且已經(jīng)在建筑項(xiàng)目上進(jìn)行了應(yīng)用。不過，我國(guó)當(dāng)前對(duì)600MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼筋的化學(xué)成分、相變與組織演變和軋制與冷卻生產(chǎn)工藝之間關(guān)系的研究不夠深入，因而未能將微合金化技術(shù)與控軋控冷工藝合理匹配，一方面造成昂貴合金元素的浪費(fèi)，另一方面導(dǎo)致鋼筋力學(xué)性能無(wú)法滿足要求。
國(guó)內(nèi)已成功實(shí)現(xiàn)HRB600生產(chǎn)的沙鋼、承鋼和濟(jì)鋼等鋼廠均主要采用釩合金化的技術(shù)路線，即通過添加釩來大幅度提高強(qiáng)度，而目前通過鈮和鈦以及工藝控制途徑來生產(chǎn)600MPa高強(qiáng)鋼筋的尚不多見。實(shí)際上，采用釩合金化技術(shù)已成為目前世界各國(guó)發(fā)展高強(qiáng)度可焊接鋼筋的主要技術(shù)路線。
工藝控制途徑通常有兩種，即控軋控冷和軋后熱處理。利用控軋控冷工藝途徑生產(chǎn)高強(qiáng)鋼筋，主要通過低溫軋制和快速冷卻，盡可能地減小晶粒尺寸，提高強(qiáng)度。
采用合金化方式，按照與現(xiàn)行中低強(qiáng)度鋼筋相同的生產(chǎn)工藝生產(chǎn)600MPa高強(qiáng)鋼筋，一方面可避免進(jìn)行生產(chǎn)線改造，以及由此而引起的系列設(shè)備改造和成本投入等問題，另一方面也有助于HRB600新品能夠大范圍迅速的生產(chǎn)與推廣。但是，由于僅僅依靠合金元素來提高強(qiáng)度，會(huì)使合金成本增加，較高的合金含量也容易造成組織異常。綜合來看，目前較為合理的600MPa高強(qiáng)鋼筋的工藝路線為：以合金化方式為主，工藝控制途徑為輔。尤其在初期階段，600MPa高強(qiáng)鋼筋的生產(chǎn)工藝應(yīng)盡量與中低強(qiáng)度鋼筋接近，以利于推廣應(yīng)用。
3.抗震高強(qiáng)鋼筋生產(chǎn)工藝
隨著中國(guó)建筑工業(yè)對(duì)鋼筋性能的要求越來越高，建筑結(jié)構(gòu)的安全性、抗震性問題引起了普遍關(guān)注。
3.1成分設(shè)計(jì)和力學(xué)性能
我國(guó)在GB 1499.2-2007標(biāo)準(zhǔn)中首次將鋼筋的抗震性能指標(biāo)納入國(guó)標(biāo)中，并規(guī)定了抗震鋼筋的三個(gè)代表性指標(biāo)：強(qiáng)屈比（R?m /R?eL）、超屈比（R?eL／ReL）和最大力總伸長(zhǎng)率（Agt）。國(guó)內(nèi)某鋼廠HRB400E、HRB500E抗震鋼筋多樣品檢驗(yàn)獲得的化學(xué)成分和力學(xué)性能指標(biāo)見表3和表4。
3.2技術(shù)路線
3.2.1微合金化技術(shù)
高應(yīng)變低周疲勞性能是鋼筋的主要抗震指標(biāo)，提高抗震鋼筋高應(yīng)變低周疲勞的主要途徑是微合金化。微合金化技術(shù)通過細(xì)化晶粒和析出強(qiáng)化來改善鋼筋的綜合性能，目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛。我國(guó)在選用微合金化元素時(shí)，優(yōu)先選用釩，并在加入釩的同時(shí)加入少量的氮元素，增加了V（C，N）析出相的數(shù)量，從而充分發(fā)揮了析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，使鋼的抗震性能得到顯著提高。
另外，已經(jīng)有研究人員采用了鉻+釩微合金化工藝成功研制出600MPa級(jí)細(xì)晶高強(qiáng)抗震鋼筋。該研究是利用釩在鋼中形成V（C，N）化合物，極大地提高了鋼的強(qiáng)度。同時(shí)加入一定量的鉻，使得鋼筋抗震性能明顯改善，最終力學(xué)性能指標(biāo)達(dá)到600MPa級(jí)細(xì)晶高強(qiáng)抗震的要求。鋼筋的金相組織為：邊部和心部均為“鐵素體+珠光體”，沒有出現(xiàn)影響使用性能的貝氏體和邊部回火組織。
3.2.2細(xì)晶化技術(shù)
日本很早就已經(jīng)開始研究細(xì)晶化技術(shù)，將大變形量軋制結(jié)合動(dòng)態(tài)再結(jié)晶來細(xì)化晶粒，利用細(xì)晶化技術(shù)開發(fā)出了685-980MPa超高強(qiáng)度抗震鋼筋，代表了國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)除了采用強(qiáng)力變形與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶外，重點(diǎn)將形變和相變結(jié)合起來以達(dá)到晶粒細(xì)化的目的。研究指出，細(xì)晶鋼筋循環(huán)塑性變形范圍大，材料變形時(shí)裂紋開裂的幾率低，而且細(xì)晶鋼筋比余熱處理鋼筋具有更高的循環(huán)韌度和低周疲勞壽命，同時(shí)，超細(xì)晶鋼比鐵素體-珠光體鋼具有更優(yōu)異的焊接性。
不過，細(xì)晶化鋼筋雖然性能優(yōu)異，在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在不足之處。例如對(duì)設(shè)備和工件尺寸要求比較嚴(yán)格；大規(guī)格的棒材變形和冷卻不均造成組織不均和性能內(nèi)外的差異；晶粒過細(xì)時(shí)屈服強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度提高的幅度更大，導(dǎo)致強(qiáng)屈比下降，不能滿足抗震鋼筋的性能要求。另外，細(xì)晶鋼筋由于晶粒較細(xì)，晶界較多，耐腐蝕性低。因此，細(xì)晶化技術(shù)還有待于進(jìn)一步發(fā)展。
4.結(jié)論
微合金化、細(xì)晶化和余熱處理是生產(chǎn)高強(qiáng)鋼筋常用的工藝方法。微合金化鋼筋與其他兩種工藝相比，具有性能穩(wěn)定、應(yīng)變時(shí)效敏感性低、焊接性能好等優(yōu)點(diǎn)；余熱處理鋼筋由軋制鋼筋經(jīng)高溫淬水，余熱處理后提高強(qiáng)度，資源能源消耗低、生產(chǎn)成本低。細(xì)晶化處理的鋼筋能同時(shí)滿足抗震鋼筋強(qiáng)度和韌性的要求。
然而，上述三種工藝還存在一些問題：如微合金化技術(shù)生產(chǎn)成本高；余熱處理鋼筋延性、可焊性、機(jī)械連接性能及施工適應(yīng)低；細(xì)晶化技術(shù)工藝復(fù)雜，鋼筋強(qiáng)屈比較低等。因而，在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼筋時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求并基于成本效益，將微合金化、細(xì)晶化和余熱處理技術(shù)有效結(jié)合，這樣既能降低合金元素的加入，節(jié)約生產(chǎn)成本，又能大幅度提高鋼筋的力學(xué)性能。
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