分享：增氮模式下HRB400E钒微合金化工艺的开发与应用

GB/T 1499.2—2018中对螺纹钢筋强度的要求给穿水钢筋生产及销售带来巨大的冲击。为提高钢筋强度，各钢铁企业均采用微合金化技术，目前提高螺纹钢强度的微合金化工艺主要有三种[1]，包括V、Nb、Ti，其中Ti元素活泼性较强，微合金化钢水可浇性差，影响生产稳定性；Nb微合金化不稳定，易造成棒材性能波动，屈服平台不明显；大多数企业采用V微合金化。

唐钢二钢轧厂以优质抗震螺纹钢筋作为主要输出产品，其中HRB400E抗震螺纹钢品种占比70%以上，主要采用钒微合金化方式，钢水氮含量平均控制在85×10−6，未能全部发挥出钒氮强化作用，同时为保证产品性能，硅锰、钒系合金加入量较大，造成HRB400E合金成本偏高。本文研究了在氮氧混吹工艺条件下，使用钒氮合金进行微合金化，增加钢水氮含量，降低锰、钒含量，实现HRB400E综合成本降低。

1.   理论依据

1.1   钒微合金化机理

V元素作为形成碳化物和氮化物的强化元素，在钢中主要以碳化物、氮化物或碳氮物以及固溶钒的形式存在，故钒钢的强韧化机理主要是靠细晶强化、沉淀强化和固溶强化来实现的。适当提高氮含量可以增加V（C、N）析出的驱动力，以促进V（C、N）的析出，最终实现提高钒的析出比例[2]，达到钢筋的强化效果，同时钒的存在还可以抑制氮的有害作用。

钒的析出强化作用与钒结合碳、氮的形式密切相关，钒碳（VC）、钒氮（VN）在铁基体中的固溶度积公式如下：

比较VC和VN在奥氏体中固溶度积公式可知，VN在奥氏体中的固溶度积与VC相比小2个数量级以上。对于C质量分数为0.23%，温度处于700~1100 ℃时，随着氮含量的增加，V（C、N）在奥氏体中的开始析出温度上升，有利于晶粒较早析出，进一步说明氮含量的增加有助于V（C、N）在轧制过程中析出，阻止了奥氏体晶粒的长大，起到细晶强化的作用[3]。

1.2   氮氧混吹工艺

转炉冶炼后期，火点区温度高、CO压力低，在此阶段向氧气中混入一定比例氮气，在高温火点作用下，氮气分解成为氮原子，通过氮氧混合气体的冲击，使氮原子进入钢液，可以提高钢水基础氮含量[4]，通过控制吹氮时机与氮氧比例、终点控制等手段，实现钢水增氮量在50×10−6~70×10−6。

2.   工艺方案实施

2.1   构建化学成分模型

参考前期HRB400E成分设计，根据钢水增氮量及碳、锰、氮、钒元素屈服贡献值，在确保能够满足HRB400E性能的要求前提下，构建HRB400E化学成分模型，如表1。

2.2   工艺路线及生产设备

2.2.1   工艺路线

唐钢二钢轧厂冶炼棒材产品主要流程：65 t转炉冶炼→连铸165 mm×165 mm方坯→棒材连轧生产线轧制?12~25 mmHRB400E。

2.2.2   生产设备

（1） 2座65 t 转炉，采用顶底复吹工艺。转炉采用干法除尘，合金料烘烤，钢包采用全程加盖保温，保证出钢温度稳定和连铸中包温度稳定，HRB400E生产由转炉直上连铸，不经精炼工序。

（2） 2台六机六流连铸机，铸机半径6 m，铸坯断面分别为165 mm×165 mm和180 mm×180 mm，铸坯采用热装热送，定重供坯。

（3） 2条棒材生产线，无控冷控轧装置，开轧温度1025~1080 ℃，棒材负差率稳定控制2.8%~6.2%，主要生产建筑钢筋混凝土用的热轧带肋钢筋，产品为?12～40 mm。

2.3   技术方案

2.3.1   炼钢工序

（1）仅在氮氧混吹条件下进行试验，成分按HRB400E控制目标执行；

（2）钒合金加入时机：在脱氧剂、合金料、碳化硅加入完毕后，再加入钒系合金，保证钢水脱氧合金化良好；

（3）钢包底吹使用氮气，出钢结束后，软吹时间不低于3 min，做大包包样氮含量；

（4）连铸拉速控制在2.2~2.5 m/min，中包过热度在15~30 ℃，将试验钢与正常钢上下炉划混坯，正常直供棒材。

2.3.2   轧钢工序

加热炉均热段温度1150~1195 ℃，开轧温度1025~1080 ℃，棒材负差率稳定控制2.8%~6.2%，见表2。

3.   实施效果

3.1   钢水氮含量控制

前期小批量试验共200炉，氮含量分析102炉，钢水氮含量分布范围120×10−6~186×10−6，平均153×10−6，较常规工艺氮含量增加58×10−6，钢水氮含量控制稳定，能够满足钢水增氮的要求，如图1所示。

3.2   HRB400E成分及性能分析

表3为前期小批量成分及性能统计。将试验炉次与常规工艺进行全面对比，得出以下结果：

（1）较常规炉次Mn含量降低0.05%，V降低0.002%；

（2）轧制规格?12~25 mm，HRB400E屈服强度430~495 MPa，平均456 MPa，与常规工艺持平，性能全部合格，且远高于国标（≥400 MPa），质量稳定性高。

3.3   微观组织分析

?12~25 mmHRB400E试验期间，抽取代表规格?12 mm、?25 mm进行金属显微组织检验，试验温度25 ℃，相对湿度40%，且显微组织全部由铁素体与珠光体组成，未发现贝氏体，组织正常，见图2。

3.4   时效性能分析

轧制过程中取平行样，确保其准确性，分别对?12~25 mmHRB400E进行放置10、20、30 d进行时效分析，如表4。

由表4看出,随着放置时间的变化，HRB400E的屈服强度最大降低值为15 MPa，平均降低12 MPa，屈服强度降低值均在正常范围内，且唐钢HRB400E出厂标准最低值≥425 MPa，因此本工艺制得的HRB400E满足国家标准。

3.5   推广及效益计算

通过批量试验，对钢水氮含量、屈服强度、金相组织、时效性能等进行验证，表明增氮模式下HRB400E生产工艺具备全面推广条件，且成本低廉、效果稳定，创效额达9元/t。

4.   结束语

基于氮氧混吹技术，使用钒氮合金微合金化，使钢水平均氮含量控制在153×10−6，达到稳定增氮、控氮的目标，且HRB400E金相组织正常，由铁素体与珠光体组成，棒材平均屈服强度456 MPa，与常规工艺持平；时效屈服强度变化平均12 MPa，在正常范围内，满足国家标准，具备了全面推广的条件，创效额达9元/t。

参考文献

[1]杨才福. 高强度建筑钢筋的最新技术进展. 钢铁, 2010,45(11):1

[2]夏茂森, 孙卫华, 秦孝海. 高氮钒微合金化钢筋的应用研究. 钢铁, 2000,35(11):4

[3]陈伟, 吴光耀, 张卫强, 等. 高氮钒铬微合金化工艺试制600MPa高强抗震钢筋. 钢铁钒钛, 2016,32(2):66

[4]王文辉. 棒材HRB400E增氮工艺开发及研究. 金属世界, 2018(1):59doi: 10.3969/j.issn.1000-6826.2018.01.16

文章来源——金属世界