钒铁与钒氮合金生产HRB500钢筋的对比试验研究

分别取添加了钒氮合金和钒铁合金的钢筋试 样， 从钢筋上切取金相样， 观察金相组织， 用 ＩＡＳ－ ４ 图像分析仪测定其晶粒尺寸。用萃取分离的相分
１．２ 生产工艺流程
析方法， 分析了钢筋中的析出相。通过 Ｘ 光衍射
５０ ｔ 氧气顶吹转炉!钢包底吹氩及微合金化 光谱仪分析了析出相的种类。采用标准圆棒拉伸
状态
时效前 时效后 时效前 时效后 时效前 时效后 时效前 时效后
σｓ ／ ＭＰａ
５１０ ５１５ ５５０ ５４０ ５２０ ５１０ ５４５ ５４０
σｂ ／ＭＰａ
６５０ ６５５ ７２０ ７１５ ６７０ ６６０ ７１０ ７０５
δ５（％）
２１ ２３ ２０ ２１ ２３ ２４ ２５ ２４
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《热加工工艺》２００７ 年第 ３６ 卷第 １８ 期
强度更高、性能更加稳定。因此， 采用钒氮合金生产 ＨＲＢ５００ 钢筋可减少钒的加入量， 其生产成本大幅度降低。
关键词： ＨＲＢ５００ 钢筋； 钒氮微合金化； 强化机制
中图分类号： ＴＧ１４２．３３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（２００７）１８－００３５－０３
Ｃｏｍｐａｒ ｉｓｏｎ Ｅｘｐｅｒ ｉｍｅｎｔ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ ＨＲＢ５００ Ｒｅｉｎｆｏｒ ｃｅｄ Ｂａｒ ｓ Ｐｒ ｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ａｄｄｉｎｇ Ｖ－Ｎ Ａｌｌｏｙ ａｎｄ Ｖ－Ｆｅ Ａｌｌｏｙ
δ５（％）
２１ ２０ ２３ ２５
δｇｔ （％）
１３．５ １２．９ １３．５ １３．１
σｂ ／σｓ
１．２７ １．３１ １．２７ １．３０
晶粒的作用。
２．３ 时效性能
（ａ）加 ＶＮ
（ｂ）加 ＦｅＶ
为验证此次加入 ＶＮ 合金的钢筋是否受时效 的影响， 分别取两种规格的钢筋， 置于箱式电阻
炉， 在 ２００℃保温 ３ ｈ， 然后取出自然冷却， 进行拉
１ 实验材料与方法
１．１ 实验材料 试 样取自西安轧钢厂生产的 ＨＲＢ５００ ＭＰａ 级
!２０ ｍｍ、"２５ ｍｍ 试 验 钢 筋 ， 其 生 产 工 艺 同 ＨＲＢ４００ ＭＰａ 级钢筋的生产工艺。为得到不同的
《热加工工艺》２００７ 年第 ３６ 卷第 １８ 期
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材料热处理 （９） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
Ｃｅｐ 装炉量 ／ｔ·炉－１ 合金加入量 ／ｋｇ·炉－１
０．４５
１３５
８０
０．４７
１４２
６５
０．５０
１４２
８０
０．４２
１４０
６５
注：表中 Ｃｅｐ＝Ｃ＋１／６Ｍｎ＋１／５（Ｃｒ＋Ｖ＋Ｍｏ）＋１／５（Ｃｕ＋Ｎｉ）
２ 实验结果
２．１ 金相组织 图 １ 为 加 入 ＶＮ 合 金 与 ＦｅＶ 合 金 的 钢 筋 金
相组织。可看出， 添加了 ＶＮ 与 ＦｅＶ 合金的钢筋 均为等轴状的先共析铁素体＋珠光体， 无魏氏组 织， 基体为片状珠光体。铁素体晶粒呈弥散分布， 晶界不明显， 形状不规则， 无聚集长大现象。当钢 筋中 Ｖ 含量相同时， 加入 ＶＮ 合金的钢筋晶粒度 为 １０～１１ 级， 而加入 ＦｅＶ 合金的则为 ８～９ 级； 加 入 ＶＮ 合金处理后的晶粒大小为 １０．５６～２０．２７ μｍ， 加入 ＦｅＶ 合金处 理后的晶 粒大小则在 ２０ μｍ 以 上。因此， 加入 ＶＮ 合金后对钢筋组织起到了细化
处理!１５０ ｍｍ×１５０ ｍｍ 方坯连铸!加热炉!连 试样测量钢筋的力学性能。
表 １ 试验钢筋的化学成分（质量分数，％） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｔｅｅｌｓ（ｗｔ％）
合金种类
８０％ＦｅＶ（’２５） ＶＮ１２（(２５） ８０％ＦｅＶ（)２０） ＶＮ１２（*２０）
材料热处理 （９） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
钒铁与钒氮合金生产 ＨＲＢ５００ 钢筋的 对比试验研究
赵 亮， 张朝晖， 巨建涛， 刘漫博 （西安建筑科技大学 冶金工程学院， 陕西 西安 ７１００５５ ）
摘 要： 研究了加入钒铁和钒氮合金生产 ＨＲＢ５００ 钢筋的对比试验以及对力学性能的影响与其 Ｖ、Ｎ 的强化
机制。结果表明， 采用钒氮合金生产的 ＨＲＢ５００ 钢筋强度明显提高， 细化晶粒的效果比钒铁的效果好， 在钢中碳当
量、钒含量基本一致的情况下， 加入的氮促进 Ｖ（Ｃ、Ｎ）化合物的析出， 而大量细小 弥 散 的 Ｖ（Ｃ、Ｎ） 析 出 物 是 钒 氮 合
金钢强度增加的主要原因。为保证生钢筋的力学性能合格， 在钢筋中增氮且钒含量控制在 ０．０５％￣０．０６％可使钢筋
表 ２ 对比试验用钢的力学性能 Ｔａｂｌｅ ２ Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｔｅｅｌｓ
添加微合金 σｓ ／ ＭＰａ
８０％ＦｅＶ（#２５） ５１０
ＶＮ１２（$２５）
５５０
８０％ Ｆｅ （%２０） ５２０
ＶＮ１２（&２０）
５４６
σｂ ／ＭＰａ
６５０ ７２０ ６４０ ７１０
随着科学技术的不断发展， 各行各业对钢材 质量的要求越来越高， 特别是建筑用钢筋已成为 我国钢材产品中消耗量最大的品种。目前国内建 筑用钢筋 ８０％为低强度级别的 ＨＲＢ３３５ ＭＰａ， 其余 为较高强度的 ＨＲＢ４００ ＭＰａ。而发达国家均采用 ＨＲＢ４００ ＭＰａ 级及 以上强度等 级的建筑用 钢筋， 有的强度等级甚至达到了 ＨＲＢ７００ ＭＰａ 级。陕西 龙门钢铁（ 集团） 有限责任公司为促进国内建筑用 钢筋开发， 提高钢筋的材质档次， 实现国内建筑用 钢筋与世界接轨， 在 ＨＲＢ４００ ＭＰａ 级钢筋生产技 术成熟且具备一定生产规模的基础上， 试制开发 ＨＲＢ５００ ＭＰａ 级钢筋。在生产微合金化钢筋中， 钒
Ｃ
Ｓｉ
Ｍｎ
Ｓ
Ｐ
Ｖ
Ｎ
Ｏ
０．２０ ０．５０ １．３７ ０．０３４ ０．０２０ ０．０８ ０．０３７ ０．０２５ ０．２２ ０．５６ １．４７ ０．０２８ ０．０２３ ０．０６ ０．０１０５ ０．０２８ ０．２２ ０．５５ １．４０ ０．０２９ ０．０２５ ０．０７ ０．０３５ ０．０３０ ０．１９ ０．５２ １．３７ ０．０３１ ０．０１９ ０．０５ ０．０９０ ０．０３２
钒氮配比， 采用 ＶＮ１２（ ８０％Ｖ、１２％Ｎ） 合金进行钢 轧机组轧制钢筋!冷床!冷剪分段!包装入库。
筋的微合金化处理， 对比试验采用 ８０％ＦｅＶ 进行微
合金化。在 ＧＢ１４９９－１９９８［２］中对 ＨＲＢ５００ ＭＰａ 级钢 １．３ 实验方法
筋化学成分及碳当量仅作了上限规定， 本次对比 试验钢筋的化学成分（ 质量分数， ％） 见表 １。
收稿日期： ２００７－０６－２７ 作者简介： 赵亮（１９７９－），男，陕西西安人，硕士研究生；
电话： ０２９－８２２０２９３３； Ｅ－ｍａｉｌ： ｓｎａｋｅｒ＿ｚｌ＠１６３．ｃｏｍ
被作为提高钢筋类长型材产品强度最合适的微合 金化元素之一， 传统生产含钒微合金钢筋的方法 是 在 钢 筋 中 加 入 钒 铁 合 金 。大 量 试 验 结 果 证 实［１］， 含钒的微合金化钢筋中加入氮元素， 在相同的 强度水平条件下， 可减少钒的加入量， 明显降低钢 的生产成本。本文主要研究了加入 ＶＮ 合金对钢 筋性能的影响， 并确定进行生产 ＨＲＢ５００ ＭＰａ 热 轧带肋钢筋的试验， 同时与加入钒铁合金生产的 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｒｏｂｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅｎ
材料热处理 （９） Ｍａｔｅｒｉａｌ ＆ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ
２．４ 焊接性能 钢筋的焊接性能取决于碳当量， 碳当量升高
则焊接性能变差。一般认为碳当量大于 ０．５５ 时难 以焊接， 本次试验钢筋的平均碳当量仅为 ０．４６， 从 而保证了钢筋的焊接性。在陕西省建筑工程质量 检测中心进行焊接性能测试， 对添加了 ＶＮ 微合 金 的 ＨＲＢ５００ ＭＰａ 级钢筋分别进行了对接焊、帮 条焊的试验。结果表明， 焊接指标达到 ＪＧＪ１８－ ２００３ 钢筋焊接及验收标准规程的要求。
ＺＨＡＯ Ｌｉａｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｚｈａｏ－ｈｕｉ， ＪＵ Ｊｉａｎ－ｔቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｏ， ＬＩＵ Ｍａｎ－ｂｏ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ， ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａｄｄｉｎｇ Ｖ－Ｎ ａｌｌｏｙ ａｎｄ Ｖ－Ｆｅ ａｌｌｏｙ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ＨＲＢ５００ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂａｒ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ＨＲＢ５００ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂａｒ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ Ｖ－Ｎ ａｌｌｏｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ． Ｔｈｅ ｒｅｆｉｎｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｖ－Ｎ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｔｈａｎ Ｖ －Ｆｅ ａｌｌｏｙ． Ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｃａｎ ｐｒｏｍｏｔｅ ｔｈｅ ｒｅｆｉｎｉｎｇ Ｖ （Ｃ、Ｎ） ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅ ｉｓ ｔｈｅ ｓａｍｅ ａｓ ｔｈｅ Ｖ ｃｏｎｔｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ． Ａｎｄ ａ ｇｒｅａｔ ｄｅａｌ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｖ （Ｃ、Ｎ） ｉｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ Ｖ－Ｎ ａｌｌｏｙ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｂａｒｓ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｔｈｅ Ｖ ｃｏｎｔｅｎｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｆｒｏｍ ０．０５％ ｔｏ ０．０６％ ａｎｄ ｔｈｅ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｆｉｎｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈｅｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔａｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｔｈｅ Ｖ－Ｎ ａｌｌｏｙ ｃａｎ ｓａｖｅ ａｍｏｕｎｔｓ ｏｆ ｖａｎａｄｉｕｍ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｉｓ ｍｕｃｈ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｆｏｒｍｅｒ ＨＲＢ５００ ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ ｂａｒ ｗｉｔｈ Ｖ－Ｆｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＨＲＢ５００ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｂａｒｓ； Ｖ－Ｎ ｍｉｃｒｏａｌｌｏｙｉｎｇ； ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ
伸试验测量其力学性能。结果见表 ３。加入 ８０％
ＦｅＶ 合金和加入 ＶＮ 合金的钢筋一样， 时效前后
强度、塑性、冷弯及反弯几乎没有发生变化。
图 １ 试验钢筋的金相组织 ×４００ Ｆｉｇ．１ Ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｔｅｅｌｓ ×４００
２．２ 力学性能 对比试验钢筋是由西安轧钢厂轧制的 !２０ ｍｍ、
求 ， 钢 筋 的 屈 服 强 度 均 在 ５１０ ＭＰａ 以 上 ， 抗 压 强 度均在 ６４０ ＭＰａ 以上， 伸长率均在 ２０％以上， 添 加了 ＶＮ 合金的钢筋， 其屈服强度和抗压强度较 高， 强屈比均在 １．２７ 以上， 伸长率基本保持不变。加 ＶＮ 合 金 与 ＦｅＶ 合 金 的 钢 筋 中 均 匀 伸 长 率 δｇｔ 基 本相同， 客观地反映钢筋的均匀变形能力且均大 于 １０％， 属于高延性钢筋（要求 ＞５％￣６％）。
"２５ ｍｍ 两种规格的钢筋， 其力学性能见表 ２。可 看出， 试验钢的力学性能全部达到国家标准的要
表 ３ 试验钢的时效性能分析 Ｔａｂｌｅ ３ Ａｇｉｎｇ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｔｅｓｔ ｓｔｅｅｌｓ
试样
８０％ＦｅＶ（+２５） ８０％ＦｅＶ（,２５） ＶＮ１２（-２５） ＶＮ１２（.２５） ８０％ＦｅＶ（/２０） ８０％ＦｅＶ（0２０） ＶＮ１２（1２０） ＶＮ１２（2２０）