高强钢筋在建筑业的应用与发展趋势：从335MPa到500MPa的升级之路

1前言

高强度钢筋被称为建筑行业的脊梁、骨架。 2012年1月，我国发布《关于加快应用高强钢筋的指导意见》，要求建设项目加快335MPa级钢筋、优先采用400MPa级钢筋、500MPa级钢筋酒吧得到积极推广。当时的目标是，到2015年底，高强钢筋产量达到螺纹钢筋总产量的80%，用量达到螺纹钢筋总用量的65%以上。建造。大型高层建筑和大跨度公共建筑优先使用500MPa钢筋，生产应用比例逐年提高，拉开了高强钢筋推广应用的序幕。

目前高强钢筋品种发展主要有五个方向：一是加强500MPa级及以上高强钢筋的研发和推广应用；二是加强500MPa级及以上高强钢筋的研发和推广应用。二是加强抗震钢筋生产和应用；三是加强耐腐蚀钢筋的研究、开发、推广和应用；四是加强低成本、高性能钢筋的研究开发和推广应用；五是加强高强钢筋应用技术研究。本文仅简单介绍我国建筑用500MPa及以上高强钢筋和抗震钢筋的性能及生产工艺。

2 500MPa级及以上高强度钢筋生产技术

2.1 500MPa级高强钢筋生产工艺

500MPa级高强度钢筋的主要生产工艺是在低合金钢20MnSi的基础上添加微合金元素钒，充分利用廉价的氮元素实现沉淀强化，使钢材强度达到500MPa等级。钒微合金化工艺具有成分设计经济合理、钢筋性能稳定、强屈比高、低温性能和焊接性能良好的特点。是生产500MPa级高强钢筋的最佳生产工艺。

2.1.1 部件设计和机械性能

GB l499.2（2016年修订稿）规定HRB500的化学成分和碳当量应符合表1的要求，钢中可根据需要添加钒、铌、钛等元素。

2.1.2 技术路线

500MPa级高强钢筋有轧后残余热处理、超细晶和微合金化三种技术路线。前两种技术采用低合金钢20MnSi的成分，微合金化技术在20MnSi的基础上添加钒和铌。 、钛等微合金元素。

1) 微合金化

微合金化技术是在20MnSi钢的基础上通过冶金方法添加微合金元素，以提高钢的力学性能。强化机理是微合金元素与钢中的碳、氮原子形成高熔点、高硬度的碳化物和氮化物。一方面，它们在奥氏体晶界上析出，加热时不易熔入奥氏体，可阻止奥氏体晶粒长大，引起细晶强化；另一方面，这些碳化物和氮化物材料点还可以在奥氏体转变为铁素体期间或之后析出，阻碍铁晶格中的位错运动，引起析出强化。

2）超细晶粒技术

超细晶技术不需要添加微合金元素，是控轧与控冷相结合的现代化生产技术。实施控轧、控冷工艺的前提是轧钢生产线全过程温度的计算机控制，这需要根据不同品种、规格确定具体的轧制工艺系统。综合利用再结晶控制轧制、未再结晶控制轧制、形变诱发铁素体相变和铁素体动态再结晶机制，保证晶粒尺寸和显微组织的控制，最终实现钢的细晶强化。

3）轧后废热处理

轧后废热处理技术不需要添加微合金元素。它将热轧和热处理工艺有机地结合在一起。即钢筋热轧后直接在线淬火，进行表面冷却，然后利用钢材心部的余热对钢筋表层进行回火。处理后，钢筋表面组织转变为保留马氏体取向的回火索氏体组织，心部为细化铁素体加珠光体组织，珠光体相对含量增加。最后，通过结构强化，20MnSi钢达到500MPa水平。

轧后残余热处理和超细晶粒技术虽然不需要添加微合金元素，但设备成本高，且产品强屈比低、时效现象明显。不宜采用损伤外表面的焊接和机械连接方法。微合金化技术不需要在轧钢生产线上增加辅助温度控制设备。设备成本最低。该产品具有高强屈比、低时效敏感性、良好的焊接性能。通过产品性能和生产成本比较可以看出，微合金化是生产500MPa级高强钢筋的最佳技术路线。

2.2 600MPa级高强钢筋生产工艺

2.2.1 部件设计和机械性能

目前，国内沙钢、成钢、济钢等钢厂都有成功生产600MPa级热轧螺纹钢筋的经验。表2为GB l499.2（2016年修订稿）对600MPa级高强度钢筋HRB600的化学成分和力学性能要求。

2.2.2 技术路线

目前，国内多家钢厂可生产600MPa级高强钢筋，并已在建筑工程中得到应用。但我国目前对600MPa级高强钢筋的化学成分、相变和组织演化以及轧制与冷却生产工艺关系的研究还不够深入，因此未能合理匹配微合金化技术具有受控轧制和受控冷却工艺。一方面造成昂贵合金元素的浪费，另一方面导致钢筋力学性能达不到要求。

国内已成功生产HRB600的沙钢、成钢、济钢等钢厂主要采用钒合金化的技术路线，即添加钒以大幅度提高强度。目前采用铌钛及工艺控制可生产600MPa。高强度钢筋仍然很少见。事实上，采用钒合金化技术已成为世界各国发展高强度可焊钢筋的主要技术路线。

工艺控制通常有两种方式，即控轧控冷和轧后热处理。采用控轧控冷工艺生产高强度钢筋，主要是通过低温轧制和快速冷却，尽可能减小晶粒尺寸，提高强度。

采用合金化技术按照与现有中低强度钢筋相同的生产工艺生产600MPa级高强度钢筋，可以避免生产线改造以及由此带来的一系列设备改造和成本投入。另一方面，也能帮助HRB600新产品快速大规模生产和推广。但单纯依靠合金元素来提高强度会增加合金的成本，而且较高的合金含量也容易造成组织异常。综合来看，目前600MPa级高强钢筋较为合理的工艺路线是：以合金化方法为主，过程控制方法为辅。特别是在早期阶段，600MPa级高强钢筋的生产工艺应尽可能接近中低强钢筋的生产工艺，以利于推广应用。

3 抗震高强钢筋生产技术

随着我国建筑行业对钢筋性能的要求越来越高，建筑结构的安全性和抗震性受到广泛关注。

3.1 部件设计和机械性能

在GB 1499.2-2007标准中，我国首次将钢筋的抗震性能指标纳入国家标准，并规定了抗震钢筋的三个代表性指标：强度屈服比（R°m/R°eL） 、超屈服比 (R° eL/ReL) 和最大力总伸长率 (Agt)。对国内某钢厂HRB400E、HRB500E抗震钢筋多次抽样检验得到的化学成分和力学性能指标见表3、表4。

3.2 技术路线

3.2.1 微合金化技术

高应变低周疲劳性能是钢筋的主要抗震指标。改善抗震钢筋高应变低周疲劳的主要途径是微合金化。微合金化技术通过晶粒细化和沉淀强化来提高钢筋的综合性能。目前在国内外得到广泛应用。我国在选择微合金元素时，优先选择钒，在添加钒的同时添加少量氮，以增加V（C、N）析出相的数量，从而充分发挥析出强化和细化的效果。晶粒强化。 ，显着提高钢材的抗震性能。

此外，研究人员采用铬+钒微合金化工艺，成功研制出600MPa级细晶高强抗震钢筋。该研究利用钒在钢中形成V(C,N)化合物，大大提高了钢的强度。同时添加一定量的铬，显着提高钢筋的抗震性能，最终力学性能指标达到600MPa级细粒高强抗震要求。钢筋金相组织为：边部和心部均为“铁素体+珠光体”，不存在影响性能的贝氏体和边部回火组织。

3.2.2 结晶技术

日本很早就开始研究细粒度技术。它将大变形轧制与动态再结晶相结合，细化晶粒。采用细晶技术开发了685-980MPa超高强抗震钢筋，代表了国际先进水平。 。我国除采用强变形和动态再结晶外，重点采用变形与相变相结合来达到细化晶粒的目的。研究指出，细晶粒钢筋的循环塑性变形范围较大，材料变形时发生开裂的概率较低。而且，细晶粒钢筋比后热处理钢筋具有更高的循环韧性和低周疲劳寿命。同时，超细晶粒钢棒比铁棒具有更高的循环韧性和低周疲劳寿命。实心珠光体钢具有更好的焊接性能。

然而，细晶钢筋虽然具有优异的性能，但在实际应用中仍存在不足。比如对设备、工件的尺寸有严格的要求；大规格棒材变形和冷却不均匀，造成组织不均匀和性能内外差异；晶粒过细时，屈服强度增加幅度大于抗拉强度，导致强屈比下降，不能满足抗震钢筋的性能要求。另外，细晶粒钢筋由于晶粒较细、晶界较多，耐腐蚀性能较低。因此，结晶技术仍需进一步发展。

4 结论

微合金化、晶粒细化和废热处理是生产高强度钢筋的常用工艺。与其他两种工艺相比，微合金钢棒材具有性能稳定、应变时效敏感性低、焊接性能良好等优点。残余热处理钢筋是由轧制钢筋经高温淬火而成。残余热处理后，强度提高，资源能源消耗低。 、生产成本低。细晶粒钢筋可以同时满足抗震钢筋的强度和韧性要求。

但上述三种工艺仍存在一些问题：如微合金化技术生产成本较高；废热处理钢筋的延展性、焊接性、机械连接性能和施工适应性较低；细晶粒工艺的复杂性以及钢筋的强度和屈强比低等。因此，在生产高强钢筋时，应根据实际应用需要，以成本效益为基础，将微合金化、细晶化和废热处理技术有效结合。这不仅可以减少合金元素的添加，节省生产成本，而且可以显着提高钢筋的力学性能。

（刘晓燕）