一、研究的背景与问题

1、研究背景

混凝土建筑结构用热轧带肋钢筋是我国最大的单一钢铁品种，长期以来占我国粗钢产量的25%左右，特别是随着我国城镇化和工业化推进，粗钢占比逐年递增，2020年热轧带肋钢筋产量再创新高、达到2.66亿吨，占当年粗钢产量的25.26%，因此，推广高强钢筋对于节能降耗意义重大。此外，由于我国60%以上地区处于地震易发区，特别是汶川大地震调查结果显示：许多房屋由于构件断裂而倒塌，根源在于冷加工钢筋由于塑性储量不足而发生断裂，而采用热轧抗震钢筋由于优良的强韧性储备，即使混凝土裂缝、破碎，只要钢筋不断裂，就可以“藕断丝连”或“围箍约束”而不至于引起构件断开、结构解体，因此，推广热轧抗震钢筋代表了我国建筑用钢筋的主流趋势，特别是近年来通过政策和标准实施加大力度淘汰冷拔瘦身钢筋和地条钢。

 

图1我国2000年以来粗钢和热轧钢筋产量

自2000年以来，我国热轧高强抗震钢筋的推广取得了举世瞩目的成就，特别是“十二五”期间，两部委下发《关于加快应用高强钢筋的指导意见》，明确提出：加速淘汰335MPa螺纹钢筋，优先使用400MPa螺纹钢筋，积极推广500MPa螺纹钢筋”；2013年底，在建筑工程中淘汰335MPa螺纹钢筋”。图2给出了我国2000年以来钢筋和高强钢筋产量。

 

图2我国2000年以来热轧钢筋和高强钢筋产量

从图2可以发现，“十三五”期间高强钢筋占比大幅提高，在建筑工程中应用接近100%，但由于钢筋量大面广，高强钢筋生产必然造成钒资源紧张，叠加投机预期造成生产热轧高强抗震钢筋的钒氮合金价格大幅上涨，造成生产热轧带肋钢筋的成本增加。为了降本增效，一些钢筋生产厂家开始采用牺牲质量来保证强度级别策略，特别是采用强穿水（淬火+余热回火）工艺生产热轧带肋钢筋，给建筑安全和人民生产带肋潜在风险。结合“十三五”期间钢铁工业结构性改革和高质量发展，工信部、冶金工业信息标准研究院和相关单位推动标准修订实施推广热轧高强抗震钢筋，并通过组织检验和硬度仲裁保证钢筋质量。

为了平抑GB1499.2-2018实施造成钒氮价格暴涨，推进新标准顺利实施，中信金属自2017年开始着手联合钢筋龙头企业推进铌微合金化热轧高强抗震钢筋的研发。正如钢协徐寅主任提出：生产III级钢筋不能仅靠钒合金化“一条腿”走路，技术工艺要“百花齐放”，尽管钒微合金化工艺最成熟、适用性最强、最容易生产，但钒氮合金价格昂贵。他建议钢厂可以考虑采用铌微合金化、钒和铌复合方式或其他方式生产，不仅考虑降钒，还可考虑降锰、硅等合金，这样可以使钢厂的生产成本降下来，有利于高强钢筋的推广和应用。

2、存在的问题

自微合金化75国际会议以来，围绕铌、钒和钛的低合金高强钢（简称微合金钢）获得空前的发展，广泛应用于油气管道、汽车和结构领域，并建立了铌、钒和钛微合金化钢的物理冶金。基于铌、钒和钛微合金化元素的特性，特别是铌在钢中的固溶度低，形成了铌更适用于低碳板带材，钒更适用于中高碳长材的冶金设计思维，影响了铌在中高碳钢长材中研究和应用。

2005年，由于推广HRB400E钢筋引起钒氮价格暴涨，国内首钢、唐钢和昆钢等企业开始尝试采用铌微合金化工艺生产HRB400E钢筋，积累了一些生产经验和认识，但随着钒氮合金价格回落，钢厂快速切换，导致铌微合金化物理冶金研究不全面、不系统、不深入。2013年，中信金属推荐永钢采用铌钒复合工艺成功开发抗震HRB500E和HRB600E钢筋，并推荐沙钢添加微量铌成功开发HRB600E钢筋。尽管人们习惯于铌钒复合生产HRB500E和HRB600E高强抗震钢筋，但进一步思考会发现，微量铌提高强屈比性能，与铌在钢中的细晶强化理论相悖，迫切需要建立铌在中碳钢长材中的物理冶金。

2017年，中信金属联合国内钢筋生产企业，从解决问题和阐明冶金机制的角度，含铌钢筋的主要问题如下：

ü 高拉速条件下，解决含铌钢筋小方坯缺陷问题，并保证生产效率；

ü 含铌钢筋的贝氏体组织和连续屈服问题；

ü 规格效应，实现6mm-40mm规格全覆盖；

ü 铌在中碳钢中的固溶度积及强化效果问题；

ü 铌钒复合生产HRB500E和HRB600E钢筋的物理冶金机制。

鉴于以上背景信息，本项目目标是开发铌微合金化热轧高强抗震钢筋，包括解决困扰铌微合金化HRB400E钢筋的贝氏体组织和连续屈服问题，打通全规格工艺路线；同时，系统研究铌钒复合HRB500E和HRB600E钢筋强化机制，建立铌在热轧带肋钢筋中的物理冶金，并据此实现含铌钢筋的产业化生产。

二、解决问题的思路与方案

1、工业试制与实验室热模拟分析相结合

钢铁材料的物理冶金不可避免的涉及原子特性、组织结构、加工参数，以及与力学性能和应用性能的一体化关联性，见图3。结合本项目，重点研究铌在加热、轧制和冷却过程中的固溶析出行为，以及对材料组织、力学性能和抗震性能的关联性研究。

 

图3 钢铁材料的物理冶金

自微合金化75国际会议以来，铌在钢中强化效果和冶金机制如图4所示，主要包括加热和轧制过程未溶Nb(C,N)阻碍奥氏体晶粒粗化，提高未再结晶温度方大轧钢工艺窗口，精轧阶段形变诱导析出细化晶粒，以及冷却和相变后弥散析出强化。

 

图4基于低碳板带工艺铌的强化机制

由于铌在中碳钢中的固溶度积有限，而长材产品更多的属于中高碳钢，因此，铌的固溶度积影响了铌在长材中的应用及研究。此外，与低碳板带材两阶段轧制工艺相比，长材产品属于等温或升温轧制，铌更多以固溶态存在，不同于板带低温控轧形变诱导析出。

 

图5长材产品轧钢工艺条件

综合铌的原子特性、热轧钢筋的工艺条件，结合工业试制进行热模拟研究，并根据热模拟研究结果进行工艺优化。

2、研究方案和研究内容

（1）含铌钢筋固溶度研究

在实验室采用热模拟和相分析方法定性、定量分析了铌在奥氏体化存在状态，为后期优化轧钢工艺和铌钒复合提供理论依据，详细研究内容和结果见图6。根据研究结果，发现正常加热温度，固溶铌含量与Irvine计算公式基本吻合，也就是当加热温度为1100℃，只有0.015%Nb固溶于钢中，另外0.013%Nb以Nb(C,N)状态存在。对于HRB500E和HRB600E钢筋，我们需要借助固溶铌促进低温相变产物-珠光体，通过提高硬相珠光体比例提高抗拉强度，从而提高强屈比性能。

 

图6含铌HRB400E钢筋奥氏体化和相分析结果

（2）含铌钢筋热轧过程奥氏体组织研究

采用扭转试验模拟了热轧过程奥氏体组织演变，发现精轧过程发生动态再结晶软化现象，淬火组织为等轴再结晶奥氏体，不是板带材的压扁奥氏体组织，研究结果见图7。

 

图7含铌钢筋热轧过程奥氏体组织演变模拟结果

（3）奥氏体晶粒尺寸对相变的影响

由于棒材轧机精轧道次变形大，变形速率高，且道次间隙时间短，属于升温轧制，根据热力学，更多的铌固溶于奥氏体中，相变前固溶于奥氏体中的铌增加淬透性促进低温相变产物，即贝氏体组织。同时，相变前奥氏体晶粒尺寸也是影响相变产物的关键因素之一，相变前奥氏体晶粒粗大，铁素体相变温度降低；相变前奥氏体晶粒细小，铁素体相变更易于发生。为此，轧后采用控制冷却，可以保留细小的再结晶奥氏体晶粒，以及相对高的位错密度，减弱或消除固溶铌的影响。图8、图9和图10为给定不同铌含量、不同奥氏体晶粒尺寸相变产物。

 

图8 热模拟示意图和相变组织比例

 

图9  0.015%Nb钢筋热模拟结果

 

图10  0.030%Nb钢筋热模拟结果

（4）铌在钢筋中的存在状态和强化效果

图11给出了铌在热轧高强钢筋中的存在状态分析结果，可以发现加热过程未固溶铌阻止奥氏体晶粒粗化；轧制过程形变诱导析出的铌同样具有阻碍晶粒长大的效果；相变前固溶于奥氏体中的铌增加淬透性促进相变组织强化，并在相变后析出弥散强化。与热轧板带产品相比，尽管形变诱导析出铌抑制再结晶和细化晶粒，但也消耗了随后相变组织强化和弥散析出强化。

 

图11 不同轧钢工序铌的存在状态及强化效果

图12给出了含铌钢筋第二相析出相分析结果，可以发现大约70%的铌以析出态存在，这也与单位铌贡献屈服强度和抗拉强度回归公式结果一致。

 

图12透射电镜分析结果

三、主要创新性成果

项目针对混凝土用热轧带肋钢筋标准GB1499.2-2018的实施，开展了铌微合金化热轧高强抗震钢筋系列产品的研发工作，主要创新点如下：

1、率先提出铌钒复合强化钢筋制备工艺机理，开发了铌微合金化热轧高强抗震钢筋物理冶金技术，解决了影响HRB500E、HRB600E钢筋强屈比不合格的难题。

 

2、自主开发了HRB400E钢筋轧后分级、约束冷却工艺，通过轧后冷却保留细小的奥氏体晶粒和高位错密度，既控制了贝氏体组织，又避免了因表层过冷出现的回火索氏体和回火马氏体组织。

 

 

3、围绕铌固溶析出行为，开发出适用性广的常温开轧+再结晶区轧制+轧后控制冷却的Nb微合金化生产工艺，构建了基于成分-工艺-组织-性能的组织预报和性能预测模型，并成功应用于大批量生产。

 

四、应用情况与效果

1、应用情况

自2017年开展项目以来，累计生产含铌钢筋产量超过1亿吨,与此对应的工艺优化推动铌添加量由0.03%降低到0.02%,甚至部分厂家0.015%，降本增效显著。本项目合作单位昆钢、永钢和柳钢2017-2020年12月含铌钢筋产量5000余万吨。

2、经济效益

昆钢、永钢和柳钢新增利税3059224万元，增收节支216578万元。

 

3、社会效益

• 之前，往往从高强钢筋替代低级别钢筋，节省钢筋材料、降低能源消耗。

• 本项目更侧重于站在国家利益，为国家找资源、降低铁矿石依赖。

• 与钒和锰相比，由于铌主要为进口资源，对我国环境污染几乎为零，同时，由于巴西矿冶公司在选矿、提炼过程中几乎无污染，与钒和锰合金相比对环境的污染几乎为零。

 

 

信息来源：中信金属股份有限公司