采用鈮釩復合微合金化技術生產HRB400螺紋鋼

孫成翔，李 碩，王文輝

（唐山鋼鐵集團長材部，河北唐山063020）

0 引言

釩元素在合金化過程中通過析出強化而細化晶粒，能夠提高鋼材強度和韌性，減少裂紋。同時，由于釩元素與氮元素結合能力強，從而減少鋼的時效應變，因此釩元素成為鋼鐵行業合金化中的理想合金元素。

近年來，由于釩元素的廣泛應用，釩氮合金、釩鐵合金需求量增加，價格暴漲，極不穩定，因此開發其他元素代替部分釩元素參與合金化成為鋼鐵企業提高經濟效益的有效方式。

鈮元素在元素周期表中與釩元素同屬一族，兩者具有相似的物理化學性質，且世界資源豐富，價格穩定。同時，鈮元素能夠通過沉淀強化[1]控制奧氏體晶粒尺寸，而在一定程度上細化奧氏體組織，改善鋼的韌性和抗疲勞性能，從而成為替代釩元素的研究首選。

為了降低HRB400的冶煉成本，增加效益，河鋼唐鋼二鋼軋廠決定開發鈮釩微合金化工藝，以用于生產HRB400。

1 生產條件

河鋼唐鋼二鋼軋廠生產HRB400條件如下：

1.1 工藝流程

65t BOF→165 mm×165 mm方坯連鑄機→棒材軋制φ12-φ25 mmHRB400鋼筋。

1.2 成分控制（見表1）

2 急需解決的問題

（1）由于C、N元素對Nb元素固溶起抑制作用，同時N元素對V元素析出強化起促進作用，C、N、V、Nb四種元素的成分控制，決定著HRB400的性能，因此需要構建一套穩定的成分模型。

表1 微合金化成分表 /%

（2）鈮元素在中高碳鋼中溶解度低是限制鈮元素在長材產品中應用的重要原因，也是本次研發急需解決的問題。

（3）鈮元素在中、高碳鋼的生產中，由于固溶鈮的存在，容易導致軋制過程中鋼筋微觀組織中的貝氏體含量增加[2]，無法滿足螺紋鋼新標準GB/T1499.2-2018要求，因此控制軋制條件，抑制貝氏體的產生是急需解決的問題。

3 設計方案

3.1 構建化學成分模型

針對C、N元素對V、Nb兩種元素在合金化中不同的增抑效果，構建一個穩定的化學成分模型，以穩定產品性能。

Nb在鋼筋中強化機制主要為細晶強化與沉淀強化。沉淀強化效果取決于Nb的溶入量。Nb在鋼中的溶解度遵從歐文公式：

式中，T為絕對溫度。

（1）C含量設計

由歐文公式可知，固定溫度下，隨著C元素的成分升高，Nb在鋼中的固溶度積升高[3]，因此，在保障鋼種成分符合規定的前提下，要控制鋼中C元素處于一個比較高的水平。因此設計C含量為0.22%～0.24%。

（2）N含量設計

利用該式計算，含0.22%C、100×10-6N的鋼在1 100℃時溶入量為0.009%左右。表明在我廠加熱能力條件下，Nb的溶解量較小，使之主要作用為固溶細晶強化。

通過專有氮氧混合吹煉工藝精確控制鋼中N含量80×10-6～120×10-6，在保障V元素與N元素析出強化的基礎上，限制N元素對Nb元素固溶強化的抑制作用。

（3）Nb成分設計

Nb的加入可以比V更有效地提高鋼的屈服強度和抗拉強度，因此加入少量的Nb代替部分V，能夠使鋼筋達到預定的強度水平。

根據上述分析，根據每0.001%Nb替代0.0015%V原理，設計HRB400鋼Nb含量為 0.008%～0.020%，結合目前φ12～φ25 mm成分控制情況，確定C、Mn、V、Nb 含量配比，構建棒材成分模型，見表 2。

表2 HRB400化學成分控制/%

3.2 解決Nb在鋼中溶解度問題

Fe-Nb的熔點為1 580～1630℃，Nb在鋼液的溶解過程為吸熱反應，高溫有利于Nb元素的溶解。Nb元素在鋼中溶解速度較慢，30 mm粒度溶解時間約200 s，為保障Nb元素的溶解，出鋼后溫度高于1 580℃，爐后攪拌時間大于200 s。

Nb元素的脫氧合金化在出鋼過程中進行，Nb元素與O元素的親和力略高于Mn元素，預脫氧后吸收率穩定，經測算，Nb元素的平均吸收率為96%。

3.3 確認開軋溫度

Nb鋼的軋制需控制加熱溫度、道次變形量和終軋溫度。確定加熱溫度的原則是能溶解一定量的Nb而不使奧氏體晶粒過于粗大，由歐文公式可知，適宜的均熱溫度在1 150～1 200℃。鑄坯長度方向溫差約40～60℃，因此開軋溫度控制在1 020～1 080℃。

4 實驗結果

4.1 成分及性能控制

批量生產前共進行3次前期鈮鐵與氮化釩鐵微合金化試驗，氮化釩鐵參考加入量0.41 kg/t，Nb鐵加入量0.16 kg/t，過程嚴格執行低合金工藝制度，試驗數據見表3。

試驗規格由φ12～φ25 mm，采用鈮鐵與氮化釩鐵復合微合金化，澆鑄過程順利，鑄坯成分全部命中控制目標，平均C含量0.23%，平均Mn含量1.37%，平均V含量0.022%，平均Nb含量0.011%，

表3 試驗爐次數據

屈服強度分布范圍為425～455 MPa，平均443 MPa，抗拉強度分布范圍630～660 MPa，平均635 MPa，成分及性能穩定且能夠滿足國標要求。

開展小批量氮氣輕處理工藝試驗，全部采用（Nb+VFe）替代（Nb+氮化釩鐵）的微合金化工藝，由圖1可以看出，包樣含量分布范圍80×10-6～118×10-6，平均 97×10-6，鋼水基礎氮含量提高 40×10-6～50×10-6，氮含量滿足釩氮最優配比（3.64）。

圖1 包樣氮含量

4.2 軋制過程控制

加熱爐均熱段溫度1 150～1 195℃，開軋溫度1 025～1 080℃，棒材負差率穩定控制在2.8%～6.2%，見表 4。

4.3 屈服平臺檢驗

物理檢驗表明，φ12～φ25 mm鈮釩微合金化鋼筋屈服點明顯，能夠滿足國家標準。圖2為φ12、φ16、φ22、φ25 試樣拉伸曲線圖。

4.4 金相組織分析

含鈮鋼φ12～φ25 mm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℃，濕度40%RH，檢測報告顯示顯微組織全部由鐵素體與珠光體組成，未發現貝氏體組織，見圖3。

開展小批量氮氣輕處理工藝試驗，全部采用（Nb+VFe）替代（Nb+氮化釩鐵）的微合金化工藝，由圖4可以看出，包樣含量分布范圍80×10-6～118×10-6，平均 97×10-6，鋼水基礎氮含量提高 40×10-6～50×10-6，氮含量滿足釩氮最優配比（3.64）。

4.5 棒材性能及屈服平臺

由圖5可得出，棒材屈服強度分布范圍432～480 MPa，平均452 MPa，抗拉強度分布范圍625～680 MPa，平均650 MPa，物理性能穩定，符合新標準要求。

表4 不同規格溫度及負差控制

圖2 V、Nb復合拉伸曲線

圖3 微觀金相分析圖

圖4 包樣氮含量

5 結論

當控軋工藝的Nb的固溶量為0.009%，能夠確保充分固溶，同時反推出V的加入量，成功構建出鈮釩復合微合金化成分模型。控制鋼水氮含量穩定在 80×10-6～115×10-6，使用鈮鐵替代部分釩鐵，進行鈮釩微合金化，降低棒材成本56元/t。

圖5 棒材物理性能