從資源負(fù)荷看現(xiàn)有帶肋鋼筋的升級換代技術(shù)
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但是，通過對235MPa級帶肋鋼筋升級至335MPa、400MPa和500MPa級帶肋鋼筋的主流技術(shù)進(jìn)行分析，可以看出，我國的錳(Mn)和MA(微合金)資源不足以支撐中國巨大的400MPa和500MPa級帶肋鋼筋產(chǎn)量，它們將成為鋼筋減量化的資源“瓶頸”。
●合金化技術(shù)
首先是在Q235級的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，即C(碳)0.2%、Si(硅)0.4%和Mn上限為0.6%的基礎(chǔ)上，將Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至1.2%～1.6%，成為335MPa級的20MnSi。此合金化方法可簡稱為Q235+Mn。它奠定了400MPa和500MPa級鋼筋的基礎(chǔ)成分，并伴隨著其他強(qiáng)韌化技術(shù)，成功地實(shí)現(xiàn)了鋼筋的進(jìn)一步升級換代。
以Q235+Mn的合金化技術(shù)進(jìn)行鋼筋的升級，能夠?qū)崿F(xiàn)Fe的減量化，但是增加了Mn的用量。以7000萬噸的Q235鋼筋為基數(shù)計(jì)算，減量700萬噸可粗略認(rèn)為減少了700萬噸鐵，但余下6300萬噸的20MnSi將使用63萬噸純錳(以ω(Mn)=1.0%計(jì)算)，比原來的7000萬噸Q235使用42萬噸純錳(以ω(Mn)的上限0.6%計(jì)算)多21萬噸。如果生產(chǎn)更高級別的鋼筋，降鐵增錳的結(jié)果將更為明顯。
須要注意的是，增錳的副作用不能忽視。首先，我國的錳礦需要進(jìn)口。2007年、2008和2009年，我國錳礦的進(jìn)口數(shù)量分別為663.45萬噸、757.19萬噸和961.76萬噸，呈逐年遞增的趨勢，必須節(jié)約使用。其次，錳已經(jīng)是一些國家的物資儲(chǔ)備元素之一，并且他們已開始著手進(jìn)行鋼鐵產(chǎn)業(yè)中錳資源的流向和回收的研究。這些都說明了在帶肋鋼筋的升級換代中關(guān)注并盡量減少增錳量的必要性。
●微合金化技術(shù)
添加微量的Ti(鈦)、Nb(鈮)和V(釩)，配以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%～1.6%的Mn和相應(yīng)的熱軋和軋后控冷工藝，可借組織細(xì)化、析出強(qiáng)化或相變強(qiáng)化實(shí)現(xiàn)鋼筋的升級換代。這是當(dāng)前生產(chǎn)400MPa～500MPa級鋼筋所采用的技術(shù)，可簡稱為Q235+Mn+MA技術(shù)。它首先在中國解決了該級別鋼筋的有無問題。顯然，該技術(shù)存在著降鐵增錳、MA元素的問題。
隨著對上述級別鋼筋的需求量增加，首先考慮的應(yīng)是MA技術(shù)的資源制約問題，即巨大的產(chǎn)量基數(shù)和MA元素用量之間的矛盾。試以ω(V)為0.07%和ω(Nb)為0.03%計(jì)算，那么6300萬噸的500MPa級鋼筋分別需要4.41萬噸純釩和1.89萬噸純鈮。這是資源條件所不允許的。
其次，MA元素的使用還會(huì)產(chǎn)生廢鋼污染問題，不利于鋼鐵材料的循環(huán)利用。
因此，盡管MA技術(shù)在管線鋼、船板等產(chǎn)品的生產(chǎn)中發(fā)揮了決定性的作用，成為必選的技術(shù)，也成功應(yīng)用于年需求量僅百萬噸的其他國家的鋼筋生產(chǎn)中，但面對中國帶肋鋼筋巨大的產(chǎn)量基數(shù)，將其作為必選的手段是不可持續(xù)的。
●余熱處理技術(shù)
余熱處理在帶肋鋼筋升級換代的初始階段曾發(fā)揮了重要作用，在進(jìn)一步的性能升級時(shí)可以減少微合金元素和錳的用量。但對于大規(guī)格、高級別鋼筋的生產(chǎn)而言，余熱處理似乎越發(fā)顯得不足，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
首先是規(guī)格或尺寸效應(yīng)。大直徑鋼筋的強(qiáng)韌化效果一方面受淬透性的限制，另一方面受碳當(dāng)量Ceq或保證焊接性的限制。這意味著不可能為了增加淬透性就進(jìn)一步提高錳含量。
其次是沿徑向組織和性能的不均勻特點(diǎn)。對比軋后穿水和冷床空冷鋼筋強(qiáng)度沿徑向的分布，筆者認(rèn)為不宜采用余熱處理的方法生產(chǎn)大規(guī)格、高級別鋼筋。余熱處理鋼筋表層的回火馬氏體硬度高，還會(huì)顯著降低對鋼筋進(jìn)行機(jī)械加工的工具的使用壽命。
近期，有關(guān)于通過軋后穿水在鋼筋表層獲得貝氏體組織的報(bào)道，可減輕上述不利影響，但這也要提高錳含量。
●細(xì)晶粒鋼筋技術(shù)
通過形變與相變的耦合可獲得細(xì)小的鐵素體和珠光體組織，從而發(fā)揮巨大的強(qiáng)韌化效果。細(xì)晶粒鋼筋由此而來并被納入國家標(biāo)準(zhǔn)。
研發(fā)細(xì)晶粒鋼筋的初衷是非合金化和非微合金化，用碳素鋼通過前述機(jī)制實(shí)現(xiàn)Q235的升級。在實(shí)踐中，受裝備條件的限制，該技術(shù)未能充分發(fā)揮形變與相變耦合的作用。為獲得細(xì)化的組織，最終還是采用了Q235+Mn或Q235+Mn+MA技術(shù)。不過，細(xì)晶粒鋼筋技術(shù)機(jī)制與余熱處理的聯(lián)合應(yīng)用對降低錳和MA元素的消耗仍然有所貢獻(xiàn)。
此外，細(xì)晶粒鋼筋的焊接連接一直是業(yè)內(nèi)擔(dān)憂的問題。
●超快冷技術(shù)
采用超快冷技術(shù)生產(chǎn)500MPa級帶肋鋼筋主要采用的是Q235+Mn+MA成分。此技術(shù)的初衷是軋后將仍然保持形變組織的奧氏體超快速地冷卻至某一終冷溫度，以獲得所需細(xì)化的相變產(chǎn)物，達(dá)到強(qiáng)韌化的目的。它已成功應(yīng)用于板帶材生產(chǎn)。
該技術(shù)應(yīng)用于帶肋鋼筋生產(chǎn)仍然面臨著與余熱處理技術(shù)類似的問題，而且，冷速越大，精確控制終冷溫度就越難，更何況在生產(chǎn)條件下帶肋鋼筋溫度的精確測量比較困難。因此，必須在這方面有所突破，才能在超快冷技術(shù)的應(yīng)用中避免為保證強(qiáng)度而對終冷溫度采取“寧低勿高”策略的不利影響。
從以上分析中不難看出，生產(chǎn)400MPa和500MPa級帶肋鋼筋，無論使用哪種強(qiáng)韌化技術(shù)，目前采用的都是基于Q235+Mn+MA的合金化與微合金化的成分設(shè)計(jì)。就資源而論，其減量化效果實(shí)質(zhì)上僅僅是減少了鐵資源的用量，反而增加了錳和MA資源的用量。因此，宜在鋼筋升級換代中避免這種一統(tǒng)模式的成分設(shè)計(jì)，且依據(jù)不同地域?qū)π阅艿牟町愋砸笤鎏砥渌Ｊ降暮辖鸹椒ǎ箿p量化效果更為突出。
Q235+Mn+MA的成分設(shè)計(jì)完全受碳當(dāng)量Ceq的限制，碳當(dāng)量Ceq的上限則取決于鋼筋焊接連接的要求。因此，如果對400MPa和500MPa級帶肋鋼筋繼續(xù)采用焊接連接，盡管在技術(shù)上可行，該連接方法還是不可取的。因?yàn)槲覈腻i和MA資源不足以支撐中國巨大的400MPa和500MPa級帶肋鋼筋產(chǎn)量。這正是后者對鋼筋減量化手段的制約。 (中國冶金報(bào))
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