高氮釩鐵在螺紋鋼的應用實踐

蔡 飛

（河鋼集團宣鋼公司技術中心，河北 宣化 075100）

為降低煉鋼生產成本，不斷提高企業競爭力，在螺紋鋼生產中引入高氮釩鐵擬替代現行釩氮合金與微氮合金的使用。

高氮釩鐵合金是一種新型釩氮合金，與釩氮合金相比具有更高的m（N）/m（V）的比值，m（N）/m（V）比值能達到0.47，為釩氮合金的2.31倍，在相同增V量的情況下，增w（N）提高了1.31倍。鋼中氮含量較高，V（N、C）析出強化作用就更加明顯，釩的析出量可達到80%以上，其強化效果充分得到發揮，在生產工藝不變的前提下，預計可以節約釩的用量，生產成本得到降低。高氮釩鐵合金指標見下表1。

表1 高氮釩鐵合金化學成分 %

1 應用高氮釩鐵合金的機理分析

1.1 釩的作用

釩是一種強碳氮化物形成元素，以氮化釩、碳化釩以及碳氮化釩的形式存在于鋼筋中，起沉淀強化作用。由于釩碳氮化物在奧氏體中的溶解度高、溶解溫度低，在800℃以上加熱時，釩及其碳氮化物全部溶解在奧氏體中。在隨后的軋制冷卻過程中，釩以碳氮化物的形式沿著奧氏體晶界析出，阻礙奧氏體再結晶，同時抑制奧氏體晶粒長大，有利于獲得更細小的鐵素體晶粒。釩具有著細化晶粒作用，可以顯著提高鋼的力學性能，釩鋼主要是憑借釩的晶粒細化與沉淀強化最終實現強化作用。

1.2 氮的作用

氮是釩微合金鋼中一種非常有效和經濟的合金元素，相對于V元素，N比C有著更強的親和力。從圖1中可以看出，當鋼中釩含量小于0.02%時，鋼的強度增量是2.5 MPa/0.001%V，而當V含量大于0.02%時，鋼的強度增量為1.0 MPa/0.001%V，這主要是由于鋼中缺少氮，高氮釩鐵的使用正好彌補了鋼筋中氮含量不足的問題。高氮釩鐵的氮釩比高而且合理，鋼筋中的氮主要以復合VN形式存在，析出強化效果更為明顯。釩析出量超過80%以上時（2.5 MPa/0.001%V），充分發揮了釩的強化作用。氮含量的增加對鋼筋無不利影響。鋼中V含量對強度的影響見圖1。

圖1 鋼中V含量與鋼材強度關系

2 高氮釩鐵在螺紋鋼的生產應用

2.1 工藝路線

鐵水扒渣→轉爐→氬站→連鑄機→軋制

2.2 各生產工序控制要點

2.2.1 煉鋼化學成分控制

結合螺紋鋼性能要求及現場實際情況，重新制定了高氮釩鐵合金應用工藝條件下的鋼種成分要求，具體見下頁表2。

2.2.2 冶煉控制要點吹煉過程全程實施頂底復吹，煉鋼目前采用CO2底吹新工藝，將CO2作為轉爐底吹攪拌氣代替Ar底吹，可減少氬氣消耗，強化熔池攪拌，為脫磷反應創造良好的動力學條件，為熔池提供良好的脫磷及終點碳、氧控制條件，有效提升終點鋼水質量，從而也提高了合金收得率（見表3）。

表2 煉鋼化學成分控制范圍 %

表3 轉爐冶煉成分終點控制

出鋼過程確保鋼包底吹氬氣效果良好，出鋼時間≥4 min，渣層厚度控制≤70 mm。采用爐后合金料烘烤工藝，保證鋼包潔凈無殘渣，鋼包加蓋工藝正常，以降低轉爐出鋼溫度。

2.2.3 脫氧合金化

使用硅鋁鋇鍶作為脫氧劑，噸鋼加入量0.3 kg/t，后吹嚴重爐次需適當增加用量。

采用高氮釩鐵配釩，不加釩氮和微氮合金，高氮釩鐵在出鋼過程中直接加入鋼包，盡可能在前期加入，要求人工直接投到出鋼沖擊區，同時出鋼過程全程吹氬氣處理，尤其前期必須大氣量攪拌，保證高氮釩鐵的充分熔化吸收。

2.2.4 氬站處理

進氬站后軟吹處理3～5 min，目測鋼水液面裸露Φ100~200 mm為宜，不可大氣量吹氣造成鋼水大翻，防止卷渣或吸氣影響鋼水質量，成分溫度均勻后加覆蓋劑保溫出站。

2.2.5 連鑄工序

做好全程保護澆注，大包長水口插入鋼水液面200～300 mm，采用氬封圈保護，做好氬封操作。浸入式水口加密封圈，在結晶器內要對中，插入深度達到90~120 mm。中包必須保證黑渣面操作，鑄坯表面不得有裂紋、氣孔、結疤、表面夾雜等缺陷。

2.2.6 軋制工序

要求入爐鋼坯加熱均勻，通條溫差≤50℃，各鋼種各段溫度以保證開軋溫度為準，可以根據實際情況對各段溫度做適當調整，具體見表4。

表4 軋鋼加熱及開軋溫度 ℃

3 生產分析

通過現場數據采集，對高氮釩鐵中釩的吸收率進行測算與分析，結果見表5。

表5 V的吸收率計算

從表5數據中可以看出，釩的吸收率最低為90.28%，最高為94.87%，平均為92.07%，受諸多生產因素影響，氬站吸收率存在一定偏差，也可以看出高氮釩鐵在出鋼過程中熔化較慢，方坯吸收率相對穩定。針對此問題，制定下步措施如下：

1）作好原料的進一步優化，適當減小高氮釩鐵粒度，加快其在鋼水中的熔化速度。

2）嚴格現場工藝制度的落實與執行，確保氬站處理3～5 min工藝時間，最低不得小于3 min，促進高氮釩鐵的充分熔化，實現鋼水成分均勻性，穩定鋼中釩的吸收率。

3）規范鑄機中包取樣時間，在大包開澆后20 min方可取樣，取樣深度不得低于50 cm，確保試樣分析具有代表性，有效指導生產。

3.1 鋼筋性能分析

試驗鋼筋性能全部合格，試驗螺紋鋼筋性能控制在425~465 MPa，7 d時效螺紋鋼筋性能控制420~460 MPa之間，符合國標要求，試驗鋼筋時效性能降低10~20 MPa見下頁表6。

表6 鋼筋性能分析數據統計

3.2 鋼筋N含量分析

對鋼筋中的N含量進行檢驗，檢測鋼筋中的氮質量分數為（80~110）×10-6，高氮釩鐵中的氮含量吸收率達到50%，滿足生產要求。

3.3 鋼筋金相組織的特點

使用高氮釩鐵后金相組織為鐵素體+珠光體，鋼筋晶粒度比用釩氮合金要高1-2級，且因高氮釩鐵純度高，雜質少，析出更為穩定均勻。具體如圖2、圖3。

圖2 釩氮合金應用金相

圖3 高氮釩鐵應用金相

3.4 成本分析

通過計算，成本對比使用釩氮合金與微氮合金可以降低2.59元/t，對煉鋼成本降低有顯著成效。

4 結語

通過使用高氮釩鐵對螺紋鋼進行合金化處理，相比傳統的釩氮合金與微氮合金應用方式，在滿足產品質量的前提下，不僅降低人工勞動強度和加料復雜程度，而且可以降低生產成本，實現降本增效目的。