增氮模式下HRB400E釩微合金化工藝的開發與應用

供稿|張萬慶，李秋京 / ZHANG Wan-qing, LI Qiu-jing

內容導讀

本文介紹了一種增氮模式下HRB400E釩微合金化工藝，即在氮氧混吹工藝條件下，通過提高鋼水氮含量，提高釩元素的析出強化能力，降低錳、釩合金加入量。根據鋼水增氮量、元素屈服貢獻值計算，確定了增氮模式下HRB400E微合金化成分模型，優化了冶煉、軋制工藝方案，通過批量試驗，對鋼水氮含量、屈服強度、金相組織、時效性能等進行驗證。結果表明：HRB400E鋼水平均氮含量為153×10?6，較常規工藝氮含量增加58×10?6，棒材成分及性能穩定，金相組織正常，Mn含量降低0.05%，V含量降低0.002%，創效額達9元/t。

GB/T 1499.2—2018中對螺紋鋼筋強度的要求給穿水鋼筋生產及銷售帶來巨大的沖擊。為提高鋼筋強度，各鋼鐵企業均采用微合金化技術，目前提高螺紋鋼強度的微合金化工藝主要有三種[1]，包括V、Nb、Ti，其中Ti元素活潑性較強，微合金化鋼水可澆性差，影響生產穩定性；Nb微合金化不穩定，易造成棒材性能波動，屈服平臺不明顯；大多數企業采用V微合金化。

唐鋼二鋼軋廠以優質抗震螺紋鋼筋作為主要輸出產品，其中HRB400E抗震螺紋鋼品種占比70%以上，主要采用釩微合金化方式，鋼水氮含量平均控制在85×10?6，未能全部發揮出釩氮強化作用，同時為保證產品性能，硅錳、釩系合金加入量較大，造成HRB400E合金成本偏高。本文研究了在氮氧混吹工藝條件下，使用釩氮合金進行微合金化，增加鋼水氮含量，降低錳、釩含量，實現HRB400E綜合成本降低。

理論依據

釩微合金化機理

V元素作為形成碳化物和氮化物的強化元素，在鋼中主要以碳化物、氮化物或碳氮物以及固溶釩的形式存在，故釩鋼的強韌化機理主要是靠細晶強化、沉淀強化和固溶強化來實現的。適當提高氮含量可以增加V(C、N)析出的驅動力，以促進V(C、N)的析出，最終實現提高釩的析出比例[2]，達到鋼筋的強化效果，同時釩的存在還可以抑制氮的有害作用。

釩的析出強化作用與釩結合碳、氮的形式密切相關，釩碳(VC)、釩氮(VN)在鐵基體中的固溶度積公式如下：

比較VC和VN在奧氏體中固溶度積公式可知，VN在奧氏體中的固溶度積與VC相比小2個數量級以上。對于C質量分數為0.23%，溫度處于700~1100 ℃時，隨著氮含量的增加，V(C、N)在奧氏體中的開始析出溫度上升，有利于晶粒較早析出，進一步說明氮含量的增加有助于V(C、N)在軋制過程中析出，阻止了奧氏體晶粒的長大，起到細晶強化的作用[3]。

氮氧混吹工藝

轉爐冶煉后期，火點區溫度高、CO壓力低，在此階段向氧氣中混入一定比例氮氣，在高溫火點作用下，氮氣分解成為氮原子，通過氮氧混合氣體的沖擊，使氮原子進入鋼液，可以提高鋼水基礎氮含量[4]，通過控制吹氮時機與氮氧比例、終點控制等手段，實現鋼水增氮量在 50×10?6~70×10?6。

工藝方案實施

構建化學成分模型

參考前期HRB400E成分設計，根據鋼水增氮量及碳、錳、氮、釩元素屈服貢獻值，在確保能夠滿足HRB400E性能的要求前提下，構建HRB400E化學成分模型，如表1。

表1 HRB400E化學成分控制要求(質量分數，%)

工藝路線及生產設備

工藝路線

唐鋼二鋼軋廠冶煉棒材產品主要流程：65 t轉爐冶煉→連鑄165 mm×165 mm方坯→棒材連軋生產線軋制φ12~25 mmHRB400E。

生產設備

(1) 2座65 t 轉爐，采用頂底復吹工藝。轉爐采用干法除塵，合金料烘烤，鋼包采用全程加蓋保溫，保證出鋼溫度穩定和連鑄中包溫度穩定，HRB400E生產由轉爐直上連鑄，不經精煉工序。

(2) 2臺六機六流連鑄機，鑄機半徑6 m，鑄坯斷面分別為 165 mm×165 mm和 180 mm×180 mm，鑄坯采用熱裝熱送，定重供坯。

(3) 2條棒材生產線，無控冷控軋裝置，開軋溫度1025~1080 ℃，棒材負差率穩定控制2.8%~6.2%，主要生產建筑鋼筋混凝土用的熱軋帶肋鋼筋，產品為 φ12～40 mm。

技術方案

煉鋼工序

(1)僅在氮氧混吹條件下進行試驗，成分按HRB400E控制目標執行；

(2)釩合金加入時機：在脫氧劑、合金料、碳化硅加入完畢后，再加入釩系合金，保證鋼水脫氧合金化良好；

(3)鋼包底吹使用氮氣，出鋼結束后，軟吹時間不低于3 min，做大包包樣氮含量；

(4)連鑄拉速控制在2.2~2.5 m/min，中包過熱度在15~30 ℃，將試驗鋼與正常鋼上下爐劃混坯，正常直供棒材。

軋鋼工序

加熱爐均熱段溫度1150~1195 ℃，開軋溫度1025~1080 ℃，棒材負差率穩定控制2.8%~6.2%，見表2。

表2 不同規格棒材的溫度及負差控制

實施效果

鋼水氮含量控制

前期小批量試驗共200爐，氮含量分析102爐，鋼水氮含量分布范圍 120×10?6~186×10?6，平均153×10?6，較常規工藝氮含量增加 58×10?6，鋼水氮含量控制穩定，能夠滿足鋼水增氮的要求，如圖1所示。

圖1 鋼水氮含量分布情況

HRB400E成分及性能分析

表3為前期小批量成分及性能統計。將試驗爐次與常規工藝進行全面對比，得出以下結果：

表3 HRB400E成分及屈服強度分析

(1)較常規爐次Mn含量降低0.05%，V降低0.002%；

(2)軋制規格φ12~25 mm，HRB400E屈服強度430~495 MPa，平均456 MPa，與常規工藝持平，性能全部合格，且遠高于國標(≥400 MPa)，質量穩定性高。

微觀組織分析

φ12~25 mmHRB400E試驗期間，抽取代表規格φ12 mm、φ25 mm進行金屬顯微組織檢驗，試驗溫度25 ℃，相對濕度40%，且顯微組織全部由鐵素體與珠光體組成，未發現貝氏體，組織正常，見圖2。

圖2 不同規格 HRB400E 的微觀組織：(a)φ12 mm；(b)φ25 mm

時效性能分析

軋制過程中取平行樣，確保其準確性，分別對φ12~25 mmHRB400E進行放置10、20、30 d進行時效分析，如表4。

由表4看出,隨著放置時間的變化，HRB400E的屈服強度最大降低值為15 MPa，平均降低12 MPa，屈服強度降低值均在正常范圍內，且唐鋼HRB400E出廠標準最低值≥425 MPa，因此本工藝制得的HRB400E滿足國家標準。

表4 不同規格HRB400E的時效屈服強度變化

推廣及效益計算

通過批量試驗，對鋼水氮含量、屈服強度、金相組織、時效性能等進行驗證，表明增氮模式下HRB400E生產工藝具備全面推廣條件，且成本低廉、效果穩定，創效額達9元/t。

結束語

基于氮氧混吹技術，使用釩氮合金微合金化，使鋼水平均氮含量控制在153×10?6，達到穩定增氮、控氮的目標，且HRB400E金相組織正常，由鐵素體與珠光體組成，棒材平均屈服強度456 MPa，與常規工藝持平；時效屈服強度變化平均12 MPa，在正常范圍內，滿足國家標準，具備了全面推廣的條件，創效額達9元/t。