低成本V—N微合金化高强度钢筋的研究与生产

采用微合金化技术是目前世界各国发展高强度可焊接钢筋的主要技术路线H。由于钢筋这类长形材产品生产速度快，轧制温度高，终轧温度通常在1000℃以上，其工艺特点决定了钢筋的合金设计适宜采用钒微合金化技术。中国最新颁布的钢筋标准也推荐采用钒微合金化方法来生产400MPa级的高强度钢筋。但是，钒是一种贵金属资源，钒的加入使钢筋的成本提高。在满足钢筋性能要求的前提下，应尽可能减少钒的加入量，达到节约钒资源和减少合金成本的目的。

1．V—N微合金化高强度钢筋的实验研究

微合金化元素在钢中通过形成碳、氮化物来起作用。由于钢中氮化物比碳化物具有更高的稳定性，析出相更细小弥散，其强化效果明显提高。大量的研究结果¨表明，氮是含钒钢中一种十分有效的合金元素，含钒钢中每增加1O×10的氮可提高强度6MPa以上。通过充分利用廉价的氮元素，可显著提高钒钢的强化效果，达到节约合金含量、降低成本的目的。为进一步降低高强度钢筋成本，充分挖掘微合金钢的技术潜力，开展了采用钒、氮微合金化生产高强度钢筋的研究工作。

虽然含V钢筋与V—N钢筋中钒含量几乎相同，但钒氮钢的强度明显高于钒钢。由数据结果可看出，钒氮钢中由于增加了约100×10的氮，使得钢的屈服强度和抗拉强度分别增加117.5MPa 和135MPa。实验结果清楚地表明，氮对含钒钢筋具有很强的强化作用。

钒在高、低氮钢中的相问分布有明显差异。在添加FeV的钒钢中，钒主要以固溶状态存在，固溶钒占总钒质量分数的56.3，仅有35.5的钒形成V(C，N)析出相。这说明钒钢中大量的微合金化元素没有起到沉淀强化作用，可以说是钒的一种浪费。钒氮钢的情况完全相反，70的钒形成了V(c，N)析出相，仅剩2O的钒固溶于基体。这表明氮的加入改变了钒在相间的分布，促进了钒从固溶状态向V(C，N)析出相中的转移，从而使钒起到了更强的沉淀强化作用。

2．V_N微合金化钢筋的工业试制结果

400MPa级V—N微合金化钢筋在实验室研究的基础上，采用转炉和连铸工艺开展了V和V—N 钢筋的工业性试制工作。在相同强度水平下，V—N钢中所需要的V含量比V钢中的明显降低。统计分析的结果表明，V—N钢筋中V的强化能力几乎比V钢中的提高一倍。工业试制的结果也同样说明：采用V—N微合金化可充分发挥了V的强化作用，达到了提高钢的强度、节约合金含量、降低生产成本的目的。经过合金成分的优化，采用V—N微合金化后，400MPa高强度钢筋中V含量可降低到0.02～0.04的水平，与采用V—Fe微合金化钢筋相比较，V含量降低了一半。

采用钒氮合金生产高强度钢筋，V、N的回收率非常稳定。大批量的工业性生产经验证明，V—N钢筋中V含量的波动范围非常小，6～14钢筋中V质量分数波动在0.024～0.028%，16～40钢筋中V质量分数波动在0.033～0.038，因此，钢中V含量可稳定控制，其波动值达到0.004的高水平，为钢筋获得稳定的性能创造了便利条件。而添加V—Fe的含V钢筋中的V质量分数波动范围要高得多，达到了0.O15～0.02。钢中V含量的大幅波动造成了钢筋性能的不稳定。实际上，添加V—Fe的含V钢筋很难控制其强度波动在8OMPa之内，即很难达到一级抗震的要求。依据对大批量生产的V—N钢筋性能统计数据，得到了钢筋尺寸规格对强度和伸长率的影响规律，统计结果显示，屈服强度平均值波动17MPa，抗拉平均值波动19MPa，不同规格的V—N钢筋性能十分接近，并且非常稳定，说明V—N钢筋的规格效应不明显。所有规格钢筋均满足强屈比大于1.25的一级抗震要求。

3结论

(1)采用V—N微合金化，充分利用廉价的氮元素，促进了钢筋中V的析出，显著提高了V的沉

淀强化效果，达到了节约合金含量、降低钢的成本的目的。V—N钢筋采用加速冷却，可优化V(CN)粒子的粒度分布，可进一步改善V的析出强化效果。

(2)工业试制结果表明，采用N微合金化技术，HRtM00钢筋中钒质量分数可降低到0.03～0.04的水平，HRB5oo钢筋中的钒质量分数可降低至0.05～0.07的水平，与V微合金化相比，节约V 质量分数4O～509/6，大大降低钢筋生产的合金成本。

(3)V—N微合金化技术与轧后加速冷却工艺相结合，可进一步降低V的用量。400MPa级钢筋的V用量可降低至0.02～0.03的水平，500MPa级钢筋的V用量可降低至0.04～0.059/6的水平。