热轧钢筋生产技术教材.docx

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1、第二章400MPa级热轧钢筋生产技术第一节热轧钢筋及其性能要求 555热轧钢筋是怎么分级的? 钢筋钢是指建筑行业钢筋混凝土结构配筋用的专用钢材品种，属于轧制中小型材，表面设计呈光面、月牙肋或等高肋的螺旋状花纹。低等级钢筋属于碳素钢类，中高等级钢筋选用微合金化钢生产，目前都采用转炉或电弧炉冶炼，经连铸成方坯、热送或直接轧制成各种类型和不同规格的钢筋。 钢筋钢包括钢筋混凝土用热轧带肋钢筋、高强度精轧螺纹钢筋、热处理钢筋、冷拉低碳钢丝及预应力混凝土用钢丝等几大类。以热轧带肋钢筋为主体，列入了屈服强度235MPa工级钢筋、屈服强度335MPa级钢筋、屈服强度400MPa级钢筋、屈服强度540MPa级钢

2、筋。其中，级钢筋含有屈服强度为400MPa的普通级、440MPa的余热处理级和440540MPa的较高质量级三个级别，见背面表2-2。 556我国钢筋标准是怎么演变的? 我国最早制定的钢筋混凝土结构用热轧螺纹钢筋(重一55)沿用A3钢，品种单一，无等级，至YB 17l一63列入16Mn钢筋，由于强度不足，后调整为20MnSi钢。至YB 17169，形成了由屈服强度235MPa的I级钢筋至屈服强度590MPa的级钢筋，还包括屈服强度：1420MPa的预应力混凝土用热处理钢筋的系列。GB 14999l将级带肋钢筋的屈服强度由370MPa调至400MPa。 20世纪60年代末至70年代初，是我国钢筋

3、新品种开发的高峰期，除SiMn外，研制了SiV、SiTi、SiNb、MnSiV、MnSiNb等五个钢种系列近20个牌号，具有中国特色的是对硅元素的情有独钟，微合金化元素开始应用于钢筋生产。在以后的三十多年的二段时期内，20MnSi钢筋几乎一统天下，固步不前。 进入改革开放阶段，钢筋生产开始导人微合金化技术，并试生产调质型钢筋和轧后余热处理钢筋，GB 149998基本上与国际相接轨。但之后的若干年内生产与应用335MPa级钢筋的习惯倾向十分强烈，400MPa级钢筋的比例仅数十万吨，示范工程的推广阻力极大。在将400MPa级钢筋纳入国家标准混凝土结构设计规范，并编制相应的设计手册后，我国钢筋生产的

4、更新换代跨出了极其重要的一步，以不同工艺生产(表2-1)，年增长率达85。 5572DMnSi钢筋合金设计有哪些不足? 20MnSi钢筋的化学成分规范见表2-3。 微合金化级钢筋源自20MnSi钢，但20MnSi钢筋的合金设计的不足之处在哪儿呢? 首先是碳，其碳含量较高，对加工性和焊接性有不利的影响，现代合金设计已摒弃增碳作为高强度的主要手段。 第二是硅，硅在钢中不形成碳化物，而以固溶体的形式存在于奥氏体或铁素体中，它的主要作用如下： (1)固溶强化，由025增至08使抗拉强度的增量达到25MPa；(2)促进铁素体的粗化；(3)促进柱状晶发展；(4)冷作硬化倾向；(5)降低焊接性。 第三是锰，

5、锰与碳的结合力略强于铁，一部分形成(Fe，Mn)3C，存在于珠光体内，更主要的是进入固溶体，起固溶强化作用，每增加00l锰大致产生1MPa的强度增量。类似于硅的作用，在高温下促进晶粒的粗化，抑制铁素体形成而促进中温转变。 所以，20MnSi的成分并不合理，以其为基础生产级钢筋并不理想，应当改变观念，将碳、硅、锰含量往下限调，加人微合金化元素，以晶粒细化和析出强化机制取代固溶的强化方式。 558我国每年生产多少钢筋? 建筑业是我国国民经济重要的基础产业之一，热轧带肋钢筋又是建筑业使用量最大的钢材品种。近十年国家在房地产开发方面的投资逐年增长，占固定资产总投资的比重也逐年增加，2002年房地产业开

6、发投资达7736亿元，比重为179。19982002年国内钢筋的消费量合计为15656亿t，仅2002年混凝土构件用钢筋消费即为4560万t，占建筑业当年钢材总消费的4168，占我国同期钢材总消费的2292，见表2-4。其中400MPa级及400MPa级以上的钢筋还不到200万t，仅占钢筋的总产量的4，而国外发达国家这个比例为75，差距甚大。据不完全统计，2003年我国400MPa级钢筋的产量虽增长很快，但也只有580万t。 在未来20年内，国民经济的持续高速发展，城镇化的加强，需要钢铁业在钢材数量品种和质量等各方面的保证，钢材消费的品种结构会有不少变化，钢结构的比重将不断增大，但钢筋混凝土结

7、构仍会占有不可替代的主体地位，预测2005年我国钢材总消费规模约28亿t，建筑业钢材需求为13925万t，2010年我国钢材总消费将达到31亿t，建筑业用钢量将增至15640万t。同期对钢筋的总需求为9200万t和12500万t，其中400MPa钢筋的比例分别按8和24估算，总需求规模将在800万t和3000万t左右。 559为什么钢筋要与混凝土相结合使用?在未来的发展中，钢结构的比例会有增长，但钢筋混凝土结构仍是建筑的主体。一方面节能的余热处理钢筋和高强度的热处理钢筋会有所进展，但微合金化钢筋将继续以主流工艺发展。优先采用钢筋混凝土有它的重要原因： (1)在一定长度内，混凝土与钢筋间相互发生

8、负荷转移； (2)钢筋必须有高弹性模量，以便使整个结构具备高度刚性； (3)混凝土与钢筋间不得有任何有害的物理、化学现象产生； (4)钢筋必须具备各种交付形状和长度，能满足各种不同建筑结构的要求； (5)具有宽阔的结合空间，而板材与棒材相比使用性较差，因为后者形式多样且能在较大范围内满足钢筋截面计算值的要求； (6)钢筋还必须能与建筑物形状完全相配，因而需具有较大灵活性及较易弯曲； (7)钢筋能够通过搭接或焊接等连接技术形成机械连接件； (8)钢筋能承受运输、仓储、捆扎及现场存放的恶劣条件而性能没有较大退化，微小损伤不影响其性能； (9)预应力建筑结构须保证在遭受腐蚀时不突然倒塌或断裂； (1

9、0)钢筋能够为建筑物提供足够的疲劳抗力，而混凝土不能承受动态承载力； (11)钢筋能为建筑物提供足够的延性； (12)钢筋能承受剪应力、拉力及压力； (13)预应力钢筋的松弛必须适度； (14)钢筋能在较大温度范围(一60+80)正常使用。如需在极限温度条件下使用，其性能可以预测； (15)钢筋的质量通常条件下能弥补建筑物的一些微小缺陷。 560对热轧钢筋有哪些基本性能要求? (1)强度是钢筋最基本的性能。一般受力钢筋强度越高，性能就越好，但也有一定限度。由于钢材弹性模量基本为一常值(ES20105MPa)，强度过高时高应力引起的大变形(伸长)将影响正常使用(挠度、裂缝)。故混凝土结构中钢筋设

10、计强度限为360MPa，太高的强度没有意义。提高强度主要靠材质改进(合金化)；也可通过热处理和冷加工提高强度，但延性损失太大；变形钢筋的基圆面积率(扣除间断横肋后承载截面积与公称面积之比)对强度也有一定影响。 (2)延性是钢筋的变形能力，通常用拉伸试验测得的伸长率来表达，强屈比也反映了其延性。但目前通用的伸长率指标(5、10、100)因标距不同，只反映颈缩区域的局部残余变形，且断口拼接测量误差较大，难以真正反映钢筋的延性。目前，国际上已开始用最大拉力下的总伸长率(均匀伸长率占gt)来描述钢筋的延性，是比较科学的指标，见表2-5。影响钢筋延性的因素是材质，碳当量加大虽能提高强度，但延性降低。钢筋

11、冷加工后gt值呈数量级减小(gt由加工前超过20降到加工后的2左右)，而且随时效仍有发展，面缩率较大时尤具脆性。抗震结构对受力钢筋有明确的延性要求。 (3)冷弯性能是为满足钢筋加工的要求。在弯折、弯钩或反复弯曲时，钢筋应避免裂缝和折断。延性好的钢筋弯弧内径小，施工适应性强。 (4)焊接性能是钢筋应用时应考虑的问题。碳当量较高时焊接性能变差，超过055时不可焊。通过热处理、冷加工而强化的钢筋，焊接会引起焊接区钢筋强度的降低，使用时应予以注意。 (5)锚固性能及锚固延性(大滑移时仍维持锚固)是钢筋在结构中与混凝土共受力的基础。光面钢筋靠胶结及摩擦，受力性能较差；变形钢筋以咬合作用持力，与其外形有关

12、，取决于钢筋的横肋高度，肋面积比(横肋投影面积与表面积之比)以及混凝土咬合齿的形态。 (6)质量的稳定性对受力钢筋十分重要。规模生产的钢筋产品一般均质性好，质量稳定。小规模作坊式生产的冷加工钢筋一般离散度大，力学性能不稳定，不合格率高。在母材不稳定和缺乏管理和检验的情况下将十分严重，往往影响结构的安全可靠性。 561钢筋的使用性能有哪些? (1)疲劳强度。显示较低载荷反复作用下的疲劳强度是钢筋研发阶段和制订设计规范前必须考核并做出评价的性能之一，影响疲劳强度的主要因素有应力集中、组织不均匀性以及环境条件，表面平滑的钢筋抗疲劳性能较好，表面形状变化较大的钢筋易在形状突变处应力集中而诱发疲劳破坏。

13、 (2)应力松弛性能。钢筋在长时受力下应力松弛的现象，将增大结构变形、降低结构耐久性，本质上是由于钢材内部位错的消散和间隙原子的脱溶引起的。 (3)低温性能。随着环境温度下降，钢筋的拉伸性能、冲击韧性的变化，尤其是对焊接的适应性及焊接接头性能的变坏，将严重影响钢筋混凝土结构的稳定性和耐久性。 (4)耐蚀性。因混凝土掺水而引起钢筋的锈蚀，最终导致结构的损毁。对于特殊环境下的结构，如码头、桥墩、海底建筑等，设计部门的主导意见是对钢筋进行镀锌处理，或采用不锈钢钢筋，设计寿命则由30年延至100年。 (5)耐久性。耐久性影响结构的工作寿命，直径较细的钢筋对锈蚀比较敏感。影响锈蚀的主要因素是环境、混凝土

14、保护层和钢筋表面状态(是否有防护层)。港工、水工、化工、市政工程对耐久性有较高要求。 (6)交货状态。交货状态对施工影响很大。直径12mm及以上的钢筋以直条交货，在结构配筋中形成许多接头。细钢筋一般以盘条交货，减少了接头，但使用前须增加调直工序，对强度有一定影响。 钢筋性能与应用要求的相关性见表2-6。 562建筑市场对钢筋需求有哪些变化? (1)目前，我国正经历计划经济到市场经济的过渡期，经济环境已由物资匮乏转向市场调控。建筑钢材供应已由长期紧缺到已形成积压，供需矛盾已由对数量的要求转向对高质量的期望。 (2)由于经济发展和国力增强，建筑结构的安全度将逐步提高，钢筋消耗量将有较大增长。建筑费

15、用中结构造价尤其是钢筋材料所占比例已经很小，因此为适当提高安全度而增加配筋将不会引起造价的较大波动，近期修订的荷载规范和设计规范试行的结果，钢筋用量已较过去有较明显的增长。 (3)对钢筋性能的要求已由单纯追求强度到考虑综合性能，特别是对延性的要求。工程事故和震害调查表明，结构安全隐患往往并非强度不足而多为变形能力差(脆性)。此外，塑性内力重分布、极限设计等也对钢筋的延性提出了更高的要求。因此，延性已成为钢筋的主要性能，其重要性并不亚于强度，而且更甚。 (4)均匀伸长率和强屈比已成为衡量钢筋延性的重要指标。若干国际标准中钢筋不仅有强度等级，已明确提出按均匀伸长率和延性分级要求。对受力钢筋的最低要

16、求是gt225，高延性钢筋则要求gt56。在我国均匀伸长率的简易测定方法已经列入有关的钢筋标准中，新修订的设计规范也明确提出抗震结构中钢筋实测强屈比不小于130的延性要求，随着技术发展，今后对钢筋延性的要求将更为明确。(5)由于结构体型加大，荷载增加，混凝土强度普遍提高，要求受力钢筋具有更高的强度。目前，我国主导钢筋仍为低强的I、级(235MPa、335MPa)钢筋，往往造成了构造不便和施工困难。先进工业国家已普遍采用400MPa级钢筋；500MPa级钢筋的应用也已开始，新修订的混凝土结构设计规范将400MPa的级钢筋作为主导受力钢筋，引导设计者采用强度较高的钢筋。 (6)大型土木工程(水坝、

17、桥墩、海洋平台等)对直径大于40mm的粗钢筋提出需求。而住宅产业成为建筑市场的主体以后，墙、板配筋及分布筋、构造筋的需求将会大幅度增长。因此，直径12rmn以下的细钢筋的市场将明显扩大。 (7)随着建筑业工厂化程度的提高，对钢筋制成品(网片、骨架)的需求将增加。这一方面可减少现场工作量，加快施工速度；另一方面，工厂化的产品质量可靠。路面、楼盖、墙板配筋以及结构表面的抗裂钢筋都为钢筋网片的广泛应用提供了市场。 (8)与钢筋配套的钢筋机械连接技术(各种型式的机械连接接头)，以及用于恶劣环境条件下的钢筋防腐处理技术(环氧树脂涂层、涂锌等)，已开始应用并有较大的市场前景。 563各国对热轧钢筋有什么不

18、同要求? 对高强度钢筋的需求是出于设计方面的考虑。更高强度等级需求的主要目的是高强度钢筋的使用可减少建筑成本，钢重量的减轻可节约成本。用钢量的减少不应被炼钢成本的上升所抵消。因为在某种程度上，钢的价格是建立在成本之上的，所以应该仔细分析制造成本来确定制造这些新的高强度规格钢筋的最节约有效的方法。 表2-7是几个国家的钢筋规格标准。除高强度要求以外，许多建筑规范要求钢筋可焊接。可焊接钢筋的特点是限制碳含量，通常在025或更低。同时，对碳当量也有限制，碳当量影响可焊接性，碳当量的计算是以碳含量()加上某一比例的其他影响可焊接性元素的系数的公式确定的(表2-8)。对碳和碳当量的限制使达到高强度更加困

19、难，因为大多数这些元素，尤其是碳可使钢的强度增加。这种限制迫使生产商改用其他强化工艺来获得高强度。 强化工艺包括冷加工、热处理和微合金化。冷加工和热处理需在现有钢筋生产设备的基础上添加新设备。如使用现有设备，微合金化是生产高强度钢筋的最合理的选择。 564我国混凝土结构设计新规范中有什么主要变化? (1)钢筋的强度标准值应具有不小于95的保证率。 热轧钢筋的强度标准值系根据屈服强度确定，用触表示。 普通钢筋的强度标准值应按表2-9采用。 (2)普通钢筋的抗拉强度设计值fv及抗压强度设计值应按表2-10采用； (3)钢筋弹性模量Es应按表2-11采用。 (4)以应力幅值计钢筋疲劳强度以设计值或应

20、分别按表2-12采用。第二节钢筋的微合金化及强韧化机制 565钢筋生产为什么要实行微合金化? 用铝来细化钢的晶粒，从而改善钢的强韧性，已有半个世纪历史。从广泛意义上讲，微合金元素有七八种，但是，研究得最多，用得最广的是钛、钒和铌。硼参与复合合金化在个别高强度钢中应用。磷能影响织构演变，因而用于冲压钢板。锆、钛能改变硫化物形态，但目前已有更经济有效的夹杂物形态控制手段，因此未获实际应用。至于钙和稀土元素，由于在最终产品中对它们的含量没有明确的规定，因此一般不认为是合金元素。 微合金元素与钢中碳、氢、氧及硫形成多种化合物，从而对性能产生多种影响。钛是最活泼的微合金元素，与氧、硫、碳、氮有很强的亲和

21、力，但是能够生成碳、氮化物并有析出强化作用的只有钛、钒、铌。微合金元素能够影响主要显微组织的参数是： (1)晶粒尺寸，晶粒形状；(2)各种尺寸的析出物；(3)基体组织(铁素体、贝氏体、马氏体)；(4)位错密度。 566铌资源能否长期稳定供应? 以往的20年中，世界范围内铌的开发及应用充满了活力，主要的铌资源在巴西和加拿大，以岩矿和沉淀矿两种分布形式的烧绿石矿为主。巴西铌资源以Nb205计算的品位在157。30，总储量达14亿t；加拿大矿品位在067134，储量为2200万t。铌产品包括标准铌铁、氧化铌、NiNb合金、真空级铌铁及铌金属。在非洲赤道地区、俄罗斯的西伯利亚冻土地带也存在大量的铌沉淀

22、矿脉。发现含铌新矿区还有乌干达、尼日利亚、挪威、格陵兰，此外在澳大利亚西部钽花岗岩矿山中也有少量的铌副产品。我国也有铌一稀土混生矿，主要集中于内蒙古的白云鄂博地区，总储量虽可观，但品位仅007，在采选技术难度和生产成本上无法在国际市场上竞争。 世界铌资源的生产和供应有三大特点： (1)资源集中，仅巴西CBMM的储量足够全世界消费400年以上； (2)世界目前铌产品(折合成Nb205)年产量稳定在35万t，随时可以扩大产能，价格稳定；(3)工业发达国家以粗钢总产量平均铌的消 费强度在4080gt，世界平均为2030gt。 我国铌的应用在近二十年大为扩大，尤其是在微合金化技术的成功开发和应用后，2

23、0世纪90年代末需求更为强劲。进口CBMM(巴西矿冶公司)铌铁的数量逐年增长，至2003年底年进口量已达3600余t，消费强度为12gt。 567铌在钢中的应用状况如何? 铌资源主要消费领域是钢铁工业，微合金化的HSIA钢生产成为最重要的应用领域。微合金化钢生产占世界粗钢产量的10，约8000万t，消费了几乎是80的世界铌产品。 含铌微合金化钢最大的消费市场是汽车制造业，广泛地用于热轧和冷轧薄板，以及屈服强度高于400MPa的中厚钢板中，典型化学成分为006C、0515Mn、003006Nb，更高强度的钢中需再添加钒，在冷轧钢中需加人0015004Ti和005012P。钢中加入铌在于细化晶粒和

24、补充析出强化，钛的加入作为氮的吸附剂，又可使铁素体中NbC析出能力加强。为了使汽车钢板具有更优的深冲性，通过真空脱氧生产出碳、氮含量0001一0003的以NbTi微合金化的钢。 从20世纪60年代起，油气输送管线用钢的80以上采用含铌钢，高等级的X70一X80管线钢要么采取Nb一V复合，要么含铌量达到010以上。铌应用量处于第三、第四位的是造船板和桥梁板的生产，第五位是建筑钢结构用中厚板、H型钢和400MPa级以上的钢筋生产。 铌还广泛用于锻造和冷镦用棒线材生产，在铸钢件中铌的应用在于显著改善铸件的疲劳失效问题，也提高高温强度和使用寿命。近年来，铌在不锈钢生产中的应用日见普遍，如汽车排气管的铁

25、素体不锈钢，烘干机、冰箱、医疗设备用的抗菌不锈钢等。 568铌的未来消费在哪些方面? 虽然铌的发现已有200年的历史，但它作为工业材料使用才只是近40年的事情。铌因为本身特有的技术性能，帮助人类解决了大量工程技术难题。包括油气管线、汽车工业、高层建筑、飞机发动机和医疗设备。随着铌的特性的开发，今后它的应用领域将不断开拓。由于铌在管线、汽车和结构钢三大主要微合金化钢中的地位没有受到其他材料的挑战，将来铌的大部分还将用在钢铁业。 另外可以预料，未来在所有热机械处理的高强度结构钢中，铌将是首选的微合金化元素。在钢铁以外的领域里，铌将主要用于高附加值产品。如在汽车、飞机发动机、汽轮发电机用镍基高温合金

26、及各种耐磨、耐蚀性能的材料。由于经济、技术条件的变化，铌还可能在电子工业、医学、光电材料和化工等领域的应用取得更大的发展。 569为什么铌是一种很好的微合金化元素? 铌处在元素周期表中4、5、6周期的族，其中铌与其他元素的区别在于： (1)与碳、氮的高亲和力；(2)在奥氏体中充分溶解；(3)在奥氏体和铁素体中的析出能力；(4)在铁素体中的沉淀强化；(5)与氧无不利作用。 铌本身特点决定了它比其他元素更适合作为微合金化元素，特别是在晶粒细化、延迟再结晶、析出强化及净化基体方面。铌的作用是如此巨大，以至于l10000的浓度就能达到性能的预期改善。 铌作为微合金化元素在钢的物理冶金、钢材新品种以及应

27、用技术方面取得了重大进展。在这里要强调的是，由于微合金化与控制轧制相结合，生产了优质的管线用钢。此后由于微合金化技术进步和更大的市场份额，所以控轧一控冷几乎全面代替了传统的正火等热处理。 570铌是如何调节奥氏体的? 在20世纪80年代前，控制轧制技术还不完善，工艺十分复杂和混乱，而微合金化的作用也随控轧制度不同而难以捉摸。20世纪90年代中期提出了奥氏体调节的概念，切中了要害，粗轧阶段的热变形初期，有奥氏体再结晶，也有铌的析出问题，又都是为精轧阶段做铺垫、做准备，精轧阶段变形最终目的是得到适宜尺寸的奥氏体晶粒。奥氏体调节的第二层含义是为获得相变后细小铁素体晶粒尺寸，需要高的铁素体形核速率和低

28、的晶粒长大及粗化速率。为此，才从理论上解析非丫一再结晶区变形的重要意义，从而也归结出了高温再结晶控轧(RCR)和低温传统控轧(CCR)两类控轧工艺，如图2-1所示。前一类必须使均热温度与T95之间窗口增大，后一类则需要使T5与终轧温度之间区间扩大，含铌钢十分有利于CCR控轧。 571经高温冷却后铌先形成碳化物还是氮化物? 含铌微合金化钢坯在高温均热下冷却，在钢中先形成碳化物还是先形成氮化物，取决于固溶度积的规律NbC和NbN，也取决于钢中的碳和氮的含量，在900、1100和1300三种加热温度情况下，存在NbNNbC的平衡溶解度线。在随后冷却过程中，当CN时，优先形成NbC；当CN时，则具有先

29、析NbN的倾向。先析NbN或NbC之后，基体钢趋向于碳、氮的对等固溶。对于含碳量较低的电炉钢，主导析出强化的是WoN，也是导致拉伸应力应变曲线呈连续屈服特征的重要原因之一。较高碳含量的热轧钢筋具有明显的屈服平台，析出强化相对要弱于NbN。 572铌溶质原子如何拖曳和阻止晶粒粗化? 在奥氏体中的铌，要么为溶质(间隙原子)，要么形成析出物，二者具有不同的作用。奥氏体中要发生析出，必须有足够大的过饱和度和足够长的道次间隙时间，所以说中板和非连续大型材轧制条件下，Nb(C，N)在奥氏体中大范围的静态析出是十分理想的，而在快速加工的板带连轧和棒线材连轧的条件下，道次间隙时间短，变形升温高，不利于析出，这

30、种情况下铌将大量保持固溶状态。 奥氏体中固溶和析出铌有两种重要机制，即质点钉扎和溶质原子的拖曳，奥氏体再结晶依靠晶界运动的粗化倾向，可以被降低和消除掉。从图2-2可见，质点阻止晶粒长大的效果，存在着质点大小与体积分数的配合，这就是为什么阻止粗化依靠的是溶质原子，其拖曳力大于再结晶的驱动力。铌的析出物阻止粗化作用较小。 573铌是如何影响奥氏体转变的? 铌的自身作用在于使钢获得更低的相变温度和低温转变产物，提高铌的加人量，尤其在低碳含量和高的均热温度下，还有在加速冷却的条件下，上述的效果就更加突出，见图2-3和图2-4。 铌微合金化400MPa级钢筋的生产中，就显示了这种影响，要注意适当碳含量，

31、均热温度和轧后冷却速度的调节。 574为什么说存在铌的析出强化? 在奥氏体中铌的析出，只对调节奥氏体发生影响，以往不认为存在铌在铁素体中的析出强化作用。如果有足够的铌，在相变过程中有相间析出存在。在相变之后700以下存在铁素体晶内的一般析出，在特定的冷却方式下才会出现相间析出，前提是铁素体长大速度要与铁素体中NbC的过饱和度相平衡。但只有铁素体晶内的一般析出才有强化作用，在004铌钢中，这个析出强度大致为100MPa左右。 575铌在我国长条材生产中应用情况如何? 铌在我国钢铁产品的扁平材中应用已有长足的进步。以2001年为例，用于板带生产的粗钢总产量为45375万t，平均铌的消费强度为217

32、8gl，个别企业如舞钢已达到100gt。但同年长条材用粗钢总产量为。75918万t，平均铌消费强度仅为077gt，其中钢筋产量为37352万t，消费了铌铁40t，平均消费强度只有01lg/t。如果生产量大、使用面广的钢筋大力使用铌微合金化，不仅可以取得较大的经济效益，而且将使我国含铌钢的产量跃升到一个高水平。 按预测估算，2005年400MPa级钢筋产量为800万t，若其中铌微合金化钢筋为50，则将消费铌铁1600t；以2010年这一等级钢筋产量为3000万t计，铌微合金化钢筋仍以50安排，将消费铌铁6000t，加上板带材用铌铁的量，2005年和2010年将合计消费铌铁5000t和9000t，

33、届时我国钢铁业铌的消费强度也只有1820gt和253t，仍低于目前的世界平均水平。 576世界钒资源知多少? 世界钒资源多数为磁铁混生矿，总计保有储量为31094亿t，可开采储量为1020亿t，集中分布在南非、俄罗斯、美国、中国和澳大利亚。钒的生产方法按钒矿类别而不同。由于可采储量最富的俄罗斯生产不正常，世界钒产品的价格十分不稳定。1999年按V2O5计算，南非为285万t、中国183万t、俄罗斯16万t，所占的份额分别为3872、2486和2174。我国攀枝花钒资源取自钒钛磁铁矿，含钒0274，由铁水提钒，钒渣含钒为1328，2002年国内钒渣总产量为188万t，其中攀钢占74、承钢占24，

34、其他20余家小企业总产量仅占2。 577钒在钢中的应用情况如何? 钒是地球上最常见的元素之一，作为合金添加剂有非常广泛的用途，比如钢铁、航天(钛基合金)、催化剂、陶瓷、化工等行业，但主要消费领域还是钢铁业。 20世纪90年代以来，世界钒消费量一直在强劲上升，至1993年增加70，至2000年又增加84，2000年世界钒的消费强度为47gt，工业发达国家为53gt，反映了世界研究和开发致力于钒在钢中应用的成果。 578国内钒产品的生产情况怎样? 国内钒产品主要来自攀钢，历年来从含钒铁水中提钒技术、利用钒渣生产钒氧化物的技术及钒合金的冶炼和深加工技术的开发情况如下： (1)从含钒铁水中的提钒技术有

35、以下4种： 1)雾化提钒(20世纪70年代开发，应用到1995年)；2)钠化提钒(20世纪70年代末开发)；3)钢渣提钒(20世纪80年代，作为钢渣综合利用方式之一)；4)转炉提钒(开发于20世纪90年代，从1995年开始应用于生产，其技术指标达到世界先进水平)。 (2)利用钒渣生产钒氧化物的技术有以下4种： 1)低温浸出技术(多钒酸铵的生产)；2)多膛炉焙烧技术(20世纪80年代开发并一直投人应用)；3) V2O5的生产技术；4)V2O3生产技术。 (3)钒合金的冶炼及深加工技术有以下4种： 1)用V2O5和V2O3电铝热法FeV80熔炼技术；2)FeV50钒铁熔炼技术；3)用钒渣、含钒钢渣

36、直接冶炼钒铁(80年代)；4)碳化钒、氮化钒(90年代至今)生产技术。 目前我国攀钢集团的新钢钒公司利用钒、钛磁铁矿炼铁生产的高炉矿渣生产钒渣，V2O5、V2O3、高钒铁、氮化钒等产品，年产氧化钒能力达10000t，承德钒钛年产V2O5能力在3000t。据调查国内能生产V2O5的企业还有10余家，合计能力也在50006000t。 579钛的资源状况如何? 1791年，英国格雷戈尔(WGregorr)在研究某种铁矿时发现其中含有一种新的金属元素，1795年，奥地利克拉普罗特(MHKlaproth)在研究红宝石时也发现了这种元素，以希腊神话人物Titan命名。钛在地壳中分布极广，金属储量居第9位，

37、含钛大于l的矿物有80余种，钛铁矿储量丰富，是钛工业的主要原料，岩矿主要产于中国、加拿大和美国，砂矿主要产于澳大利亚、南非和印度。 钛是银白色金属，元素周期表中属IVB族，原子序数为22，相对原子质量为479，-Ti为密排六方晶体，钛的熔点为1667。 我国的岩矿主要分布于四川攀枝花地区，钒钛磁铁矿中含TiO2约87000万t，占全国储量9053，占世界储量的3517。砂矿主要在海南、广东、广西和福建的海滨。 580微合金化钢筋的主要强化机制是什么? (1)细化晶粒。晶粒细化是不同强化机制中唯一的既能提高强度又能降低脆性转变温度的方法，微合金元素通过析出质点在从冶炼凝固过程到焊接加热冷却过程中

38、影响晶粒成核和晶界迁移来影响晶粒尺寸。 含钛钢的晶粒长大温度最高，依次为铌、铝及钒。但是从加入量讲，在控轧和正火钢中，铌含量比较低，即铌对晶粒细化的独特影响表现在它对奥氏体再结晶有强烈的延迟作用，003铌即可将完全再结晶所需的最低温度提高到950左右，从而显著降低控轧对轧机负荷的要求。 (2)析出强化。微合金元素中仅铌、钒、钛有析出强化作用。铌的强度增量主要靠晶粒细化(G)，而且在004以下增加很快。而钒的强度增量主要靠析出强化(P)，晶粒细化的分量很小。钛的作用居中，特点是008以下主要靠晶粒细化，超过008析出强化起主要作用。由于晶粒细化能降低脆性转折温度，而析出强化提高脆性转折温度，综合

39、影响的结果是，铌在003004以下，钛在008以下降低脆性转折温度，但是钒不论含量多少都将提高脆性转折温度。 (3)组织强化。微合金元素影响奥氏体转变可以通过多种途径。如果合金元素在奥氏体中处于固溶状态，则如许多其他合金元素一样会延迟奥氏体转变。有时虽然数量很低，但作用很大。例如硼所起的通过抑制在奥氏体晶界上的形核而延迟转变。0002硼就足以使转变由铁素体移至贝氏体区。但是如果微合金元素形成质点在奥氏体中析出，则由于加速形核而对奥氏体转变起相反的作用。 581微合金化元素铌、钒、钛各有什么特点? 微合金化是少量添加某些元素，通过沉淀硬化或铁素体晶粒细化来增加强度。用来产生这种效应的元素包括钛、

40、铌和钒。这三种元素都可产生所希望的强化效果，但由于他们的机制不同，所采用的工艺也不相同。 钛：钛最易氧化，在脱氧和连铸过程中应加以注意。世界上大多数钢筋的制造用硅锰钢连铸。钛回收率很不稳定，而且可能发生流程阻断问题。原因是在钢从钢水包到铸造模具的浇铸过程中钛的再氧化。另外，钛在再加热过程中必须处于溶解状态以便在轧制过程中沉淀为TiC质点以产生沉淀强化。但是由于钛与氮、硫更易结合，TiC沉淀作用可能会减弱。 铌：铌的作用通常是作为低碳钢微合金化元素，它也是工艺过程中各种变量的函数。微合金化钢强度的变化是在各种温度下合金溶解量的直接结果。11501250是轧制钢筋的正常再加热温度，再加热温度的少量

41、变动就会影响含铌热轧钢筋的最后性能。 铌通过细化铁素体晶粒尺寸，起到强化作用。通过以低于再结晶停止温度进行终轧来完成。这一工艺又称为正火控制轧制。这种控制轧制工艺很难在现代高速轧机上实施，因为在轧制过程中对平衡钢筋温度的时间有要求。它还要求在轧机系统增加额外水冷能力。 钒：与钛相比，钒的氮化可能性低，所以钒回收率稳定而且可预测。轧制工艺与轧制普碳钢钢筋没有根本变化。正常再加热温度(11501250)足以使钒处于溶解状态。可以使用正常轧制温度，因为钒的碳氮化物的沉淀强化发生在奥氏体转化为铁素体珠光体的相变过程之中或之后。 钒的另一个优点是对氮有较强的亲和力。活跃的氮或“自由”氮具有应变时效性，这

42、是一种发生在塑性变形后室温下的脆化过程。在钢筋应用中，经常根据设计进行弯曲。这部分钢筋会随时间失去韧性，无法抗大地震。因此，某些标准规定了最大氮含量。实际上，不高于0012的未结合氮是允许的，高于此限的氮应与其他合金元素结合。在某些冶炼过程中，例如电弧炉，很难保持氮低于0012，添加钒就成为达到标准的手段。 氮对钒的亲和力还有第二个作用。钒的碳氮化物的沉淀颗粒的大小和分布决定着钒的沉淀强化作用的效果。大量研究证实，钒碳氮化物V(C，N)中氮的增加会使沉淀颗粒缩小，从而增加沉淀颗粒的数量。这些细小和大量的析出质点使强化效果更有效。 582微合金化元素铌、钒、钛在钢筋中作用有何不同? 微合金化元素

43、主要作用有以下四点： (1)减少夹杂，改善钢的纯净度，提高钢的延性；(2)利用晶粒细化和析出强化，降低钢的碳当量；(3)通过组织均匀化实现性能的均匀化；(4)获得较低的成本尸l生能比的新型钢材。 铌、钒、钛对强韧化因素比较见表2-13，铌、钒、钛对力学性能的影响比较见图2-5。 583为什么晶粒细化是钢筋最重要的强化方式? 在钢筋强化方式方面，存在着两种不同的学术观点晶粒细化主导论与析出主导论。现今被广为利用的是以晶粒细化为主导的强度表达式： y=Kyd-12式中：Ky晶粒细化强化系数； d铁素体晶粒尺寸。 晶粒细化对强度有贡献，亚晶和胞壁结构对强度也有作用。有人认为，尺寸在04脚以下胞壁结构

44、的强化是主要的，04脚以上则是晶界和亚晶界对强化起主导作用。 这里还有一些问题需说明： (1)晶粒细化强化的本质是晶粒间界的位错塞积，凡是影响晶粒间界的因素，自然也影响晶粒细化的强化效果。 (2)晶粒细化可以指铁素体，也可以指珠光体、奥氏体、马氏体等。晶粒尺寸是个广义的名称。 (3)在所有强韧化机制中，仅有晶粒细化既提高强度，又能改善韧性，所以它是钢中最重要的强化方式。 (4)到目前为止，韧化理论的发展滞后于强化理论，这与韧性指标的不确定性和韧化原理的复杂性有关。 584什么阶段的沉淀析出对钢的强化最有效? 归结到20世纪五六十年代有关材料学的重要争论之一，认为在低碳含量范围内，超越某个断面尺

45、寸，不论是板带材还是长条材，铁素体一珠光体组织的钢难以达到400MPa的屈服强度水平，从而倾向于追求相变强化的途径，于是热处理钢应运而生，甚至达到既耗费合金资源又不节能的地步。与其同期登上冶金历史舞台的则是微合金化技术和控制轧制技术的开发。它摒弃了传统的赖以提高碳含量和试图扩大固溶强化来增加钢的强度的方式，而通过晶粒细化和析出强化手段把钢的强韧化发挥到了极致，因此，钢筋生产也被纳入高技术新材料的范畴。 首先被注意到的是，微合金化元素表现出强烈地形成碳化物和氮化物倾向，却又有相对较小的形成氧化物、硫化物或这些化合物固溶体的倾向。在这一特征方面铌与钒类似，而大不同于钛，在钢中所有的氧、氮和硫被钛完

46、全消耗之前，钛是不会生成碳化物的。 微合金元素的碳氮化物析出总是与基体(、)晶格存在相当大的错配，在较高温度下以这些晶体缺陷为位错源，能消除那些析出物形成过程中可能产生的弹性应变，几乎起不到强化作用。而在相变完成后，在铁素体晶内均匀且弥散分布，才具有显著的强化作用。 钢筋生产的原理相同，可以置高温下的析出于不顾，而仅指望在相变后铁素体及贝氏体基体中碳氮化物的析出。 585相变强化(组织强化)有什么特征? 我们知道，钢的性能取决于钢的组织结构(或称为钢的组织及微观精细结构)，而组织结构的主导是由相变决定的。最简单的例子是低碳钢在轧后随冷却条件的变化，有铁素体+珠光体、铁素体+贝氏体、马氏体等几种结构。钢的力学性能也随之有很大的变化，从而可以生产出不同强度等级的钢材品种，用于各种不同的作用。这种情况就归属于相变强化。 (1)钢的化学成分决定要有结构变化的原相(母相)，这