一、研究的背景與問題
我國是世界最大的建筑鋼筋生產國，2020年我國鋼筋產量為2.66億噸。隨著我國經濟運行全球化、工業(yè)技術現代化和社會結構都市化的迅速發(fā)展以及低碳環(huán)保的要求，對建筑結構安全可靠性和使用壽命提出了更為嚴格的要求，從而對最主要的建筑材料高強度鋼筋提出了更高的性能質量要求，包括更高的強度級別、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)布國家標準GB55008-2021《混凝土結構通用規(guī)范》。隨著新的通用規(guī)范的頒布，今后500和600MPa的高強鋼筋的用量會得到進一步的提升，這不僅可以減少鋼材消耗量，而且對于降低建造成本、提高建設速度、減少污染和CO2排放、保護環(huán)境具有重要意義。
根據有關市場調研和質量抽查檢驗表明，市場銷售的熱軋鋼筋仍然存在不合格產品，質量穩(wěn)定性有待進一步提高。經統(tǒng)計鋼筋不合格項主要為：顯微組織、硬度、金相組織、成分、力學性能，其余為表面質量、尺寸外形、重量偏差、鋼筋標識等。
同時熱軋鋼筋企業(yè)生產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)揮釩的強化作用，導致鋼筋中釩元素添加量偏高，造成合金的浪費。（2）軋后穿水時如果控制不當，易出現回火組織，或者表面出現銹蝕。（3）空冷鋼筋有時表面出現氣泡。（4）多線切分軋制時，各線強度線差大。（5）HRB400E鋼筋采用穿水工藝使得屈服強度波動大，且顯微組織又不合格現象出現，質量穩(wěn)定性有待提升。（6）500MPa級以上的高強鋼筋，強屈比指標富余量小，對于小規(guī)格鋼筋（φ12-14mm），強屈比指標雖復檢合格，但一次合格率較低。
針對上述行業(yè)產品質量穩(wěn)定性的關鍵共性問題，鋼鐵研究總院技術團隊，從顯微組織、顯微硬度、化學成分、力學性能、應用性能調控等不同角度，自主創(chuàng)新開發(fā)了高性能熱軋鋼筋減量化制備關鍵技術。
二、解決問題的思路與技術路線
本項目針對目前存在的問題和技術目標，進行了技術路線的制定，主要在研究內容、研究防范、創(chuàng)新措施和預期實施效果等方面。技術思路和技術路線圖如下。
圖1技術路線圖
通過冶煉—連鑄—軋制—冷卻一體化協(xié)同控制技術的開發(fā)和應用，獲得減量化制備關鍵工藝，主要的關鍵技術如下：
1、穩(wěn)定增氮工藝：利用廉價的氮，在添加釩氮合金的基礎上通過底吹氬+硅氮合金二次增氮，從各個冶煉連鑄環(huán)節(jié)進行增氮穩(wěn)氮實踐，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，同時配合氣霧冷卻或弱水冷工藝，進行冷卻路徑優(yōu)化。
圖2V-N復合微合金化技術
2、新型冷卻工藝（SprayEvaporationCooling），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，從而達到控制細晶強化和析出強化的目標。
圖3分級氣霧冷卻路徑設計
3、低溫軋制工藝：在現有設備條件下實現低溫軋制在熱軋鋼筋中的應用；
4、珠光體細化技術：通過控制鐵素體珠光體組織比例和珠光體團塊尺寸、片層間距，實現珠光體相變的精確控制；
表1不同冷卻工藝對珠光體細化的影響
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塊尺寸和片層間距對比
（a）900℃；（b）840℃；（c）800℃；
5、析出物控制技術；在穩(wěn)定增氮工藝的實施條件下，根據奧氏體區(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VCN-PCRP，并增加VCN析出相內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、氧化鐵皮結構精確控制工藝：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不同冷卻工藝對氧化鐵皮結構的影響
（a）空冷；（b）分級氣霧冷卻；（c）分段穿水；
7、高強鋼筋的強塑化機理研究；通過位錯強化、細晶強化、固溶強化、析出強化、相變強化等手段的綜合應用，獲得500~800MPa高性能鋼筋的強塑化關鍵制備工藝，為今后超高強鋼筋的開發(fā)和應用提供了新的技術途徑和技術參考。
三、主要創(chuàng)新性成果
1、揭示了經濟型500~600MPa級高強抗震鋼筋質量穩(wěn)定性控制規(guī)律，開發(fā)出500MPa級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力學性能和HRB600E的強屈比穩(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氣霧冷卻工藝和設備，通過軋后冷速的分級精確控制，HRB400E-HRB600E可節(jié)約0.01~0.02%V；
3、開發(fā)出采用NiCrVN（Ni、Cr?1.0%）700MPa~800MPa抗震耐候鋼筋的微合金化與控軋控冷工藝，獲得細化的復相組織和彌散析出的碳氮化物，其強屈比?1.25，高應變低周疲勞抗力優(yōu)良；
4、闡明了高性能熱軋鋼筋基于氧化鐵皮結構調控的耐蝕機理，通過優(yōu)化冷卻方式和冷卻介質，實現了氧化鐵皮的控制，使鋼筋具有良好的耐大氣腐蝕性能。
四、應用情況與效果
本項目研究成功在多條生產線實施應用，分別有：福建三鋼閩光股份有限公司、山西建龍實業(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、中天鋼鐵集團有限公司等示范線，合計節(jié)約成本10~20元/噸鋼，產品合格率100%。推廣的六家企業(yè)近三年累計增加銷售收入超過了20億元、創(chuàng)造直接經濟效益超過了2億元。研制成功的系列化高強抗震耐候鋼筋，應用在川藏鐵路和大興機場，經濟和社會效益顯著。
該項技術成果獲得授權專利15件（發(fā)明專利10件），2021年1月，由中國金屬學會組織的科技成果評價專家委員會的評價意見為：“該項技術成果總體達到國際先進水平，其中高性能熱軋鋼筋分級氣霧冷卻工藝和設備、超高強鋼筋強屈比控制技術達到國際領先水平”。
該技術從合金源頭、質量升級、設備工藝創(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鍵技術開發(fā)及應用研究，不僅解決了高性能熱軋鋼筋質量穩(wěn)定性和合金減量化的關鍵問題，也為減少碳排放提供了工藝路徑和技術參考。
