微氮合金在HRB400E鋼中的試驗研究

景琳琳， 周 詳

（陜西漢中鋼鐵有限責任公司煉鋼廠， 陜西 漢中 724200）

2017年末以來隨著鋼鐵合金資源日益緊缺，尤其是進入2018年后，合金價格呈直線上漲，釩氮合金價格最高為80萬元/t，使得成本效益空間非常小。為了有效控制成本，漢鋼公司在確保鋼材性能各項指標不變的前提下，引進新材料，改善工藝，優化合金結構，進一步改善鋼材組織，穩定鋼材性能，從而降低氮化釩、硅錳、硅鈣鋇等貴重合金的消耗[1]，并在HEB400E抗震螺紋鋼上試驗成功，批量生產。試驗結果表明，HRB400E采用微氮合金優化后螺紋鋼的成分、性能、組織等各項指標均滿足要求，優化合金結構有效減少了合金的噸鋼消耗，降低了企業的生產成本，利潤效益顯著。

1 優化生產試驗方案

為降低企業生產成本，通過對HRB400E螺紋鋼使用釩氮合金來調整、優化合金結構，統計分析HRB400E成分、性能及鋼材組織的情況,提出了采用微氮合金生產HRB400E的試驗方案,參照國家標準GB/T1499.1-2018要求對螺紋鋼成分、性能做進一步完善優化。

1.1 成分、性能優化方案

成分、性能的優化方案見表1和表2。

1.2 微氮合金

表1 HRB400E成分優化方案

表2 HRB400E性能指標優化方案

試驗用微氮合金粒度為5～40 mm，合金成分見表3。試驗要求：經過理論測算，優化試驗微氮合金加入量按60 kg/爐、70 kg/爐組織；煉鋼嚴格按規定的爐加入量配加微氮合金。

2 試驗工藝條件

表3 微氮理化指標

2.1 生產工藝流程

混鐵爐→120 t頂底復吹轉爐→吹氬站→150方坯連鑄→步進式加熱爐→18機架（粗、中、精軋機）→冷床→鋼筋經檢驗后打捆、包裝入庫。

2.2 煉鋼工序試驗生產

試用條件與現有生產工藝條件一致，具體如下。

1）120 t頂底復吹轉爐采用留渣操作，冶煉時裝入量穩定控制在155t（鐵水120~135t、廢鋼20~35 t），吹煉時轉爐的氧氣壓力為0.80~0.95 MPa，純供氧時間為13~15 min。終點溫度控制在1635~1658℃，平均出鋼溫度為1642℃。出鋼過程中，按合金在鋼中的氧化順序依次加入錳鐵合金、硅鐵合金、微氮合金、氮化釩合金、增碳劑，加入量按使用方案操作要求控制，平均出鋼量控制在146 t左右。

2）鋼水進入吹氬平臺后保持1.5~2.0 min底吹強攪拌，同時根據成分和溫度來喂線、調溫。調整后的鋼水吊運至八機八流150方坯連鑄。開澆爐次中包溫度控制為1530~1555℃，過熱度控制在15~30℃，正常爐次中包溫度控制為1520~1545℃，過熱度控制在15~30℃，拉速控制為2.8~3.7 m/min。冶煉過程采用全保護澆注、自動加渣裝置及液面自動控制系統，鋼坯熱送至軋鋼工序。

按照試驗方案，生產6爐HRB400E微氮合金試驗鋼，冶煉成分全部合格，V回收率96.51%，成分及回收率見表4。

表4 試驗鋼成分控制

2.3 軋鋼工序試驗生產

鋼坯熱送至軋鋼工序，在軋鋼1號棒線生產Ф28規格的熱軋螺紋鋼。鋼坯在加熱爐的溫度為：預熱段溫度850~950℃，加熱段溫度1060~1150℃，均熱段溫度1120~1150℃。開軋溫度控制為（1000±20）℃，成品上冷床溫度控制為880~950℃。由計量檢驗部門對鋼筋的外觀質量進行現場檢驗，均符合標準要求。鋼筋的力學性能檢驗，合格率100%。具體情況見表5。

表5 鋼材力學性能指標

2.4 試驗結果分析

通過試驗數據可以看出,螺紋鋼的化學成分符合企業內控及國家標準要求，鋼材合格率100%。V、N元素收得率相對穩定，V、N平均收得率為96.51%、86.8%。優化后轉爐冶煉鋼水成分、鋼材成品的各項理化也均符合企業及國家標準控制要求。

1）經檢驗采用微氮合金代替氮化釩合金后，V、N元素的收得率相對穩定，鋼水的化學成分、鋼材的理化性能指標合格率100%，均達到試驗方案設計的控制要求。

2）通過對比試驗分析，加入10 kg的微氮合金可代替1 kg的氮化釩合金，而目前微氮合金的采購價格2.06萬元/t，氮化釩合金的采購價格75萬元/t，通過優化可有效降低噸鋼生產成本約3～24元。通過實驗數據可確定微氮合金噸鋼加入量為0.4～0.5 kg/t，具體的噸鋼添加量要結合鋼筋的生產規格。

3 擴大生產試驗

按照設計的試驗生產方案，自2018年8月份至10月份，采用微氮合金代替氮化釩合金總計生產HRB400E鋼97爐、鋼材約13718.4 t。鋼水熔煉成分合格率100%，成品成材率98.58%，綜合試驗生產合格率為100%。

3.1 化學成分控制

統計分析97爐鋼的熔煉成分，均在方案要求內控范圍之內，熔煉成分合格率為100%。具體見表6。

表6 各規格產品熔煉成分統計

從控制要求看，Si和Mn熔煉成分控制范圍較大，從理論上分析認為，合理的優化控制成分，提高并穩定C和Mn元素成分[2]，在保證熔煉成分及鋼材成品力學性能的前提下，進一步減少煉鋼過程中貴重合金的加入量，降低企業的生產成本。

3.2 鋼材力學性能分析

為進一步保證優化合金后鋼材的力學性能指標滿足企業和國家標準要求，在不同生產線連續取不同規格的產品試樣160批統計分析，由結果看出，鋼材的屈服強度在430～485 MPa，抗拉強度在590～690 MPa，伸長率在 19%～29%，強屈比在 1.08～1.21，具體值見下頁表7。下頁圖1為Φ12規格HRB400E各項力學性能的直方圖。

表7 各規格鋼材性能指標

圖1 Φ12HRB400E各項力學性能直方圖

3.3 金相分析

按試驗方案及生產檢驗要求取樣分析鋼材的金相組織及相應的電鏡分析。通過光學顯微鏡觀察反饋結果為：鋼材的組織為鐵素體+珠光體，組織較細，沒有回火組織，晶粒度在9.5級以上。可見鋼中N元素的質量分數增加后，不僅加強沉淀強化作用，而且也對鋼材的晶粒細化有明顯作用[3]。從圖2、圖3的金相組織照片中可以看出，鋼材的金相組織主要由鐵素體、珠光體組成，其中鐵素體約占70%左右，珠光體占30%左右。一般情況下，鋼材中鐵素體質量分數較多的則鋼材的韌性較好。

通過電鏡掃描觀察到添加微氮合金的鋼材微觀組織中存在第二相粒子析出物，其尺寸較未添加微氮合金的鋼材小得多，相對分布密度也較未添加微氮合金的高[4]。由此可以得出若是在鋼中較大面積上存在尺寸較小（5nm以下）、密度分布均勻且致密性高的含氮化合物的第二相粒子是確保提高微氮合金試驗鋼鋼材性能強度的關鍵[5]。

表8 金相組織分析結果

圖2 Φ12HRB400金相組織（金相組織：鐵素體+珠光體，無回火組織，晶粒度10.5級）

圖3 Φ20HRB400晶粒尺寸（金相組織：鐵素體+珠光體，無回火組織，晶粒度10級）

3.4 效益分析

合金成本以釩氮合金75萬元/t、硅錳合金9060元/t、硅鐵7210元/t價格計算，通過合金成本控制來計算使用微氮合金的效益，具體各規格成本變化情況如下：

1）Φ12 mm規格合金成本降低14.28元/t，起平均屈服強度451.7 MPa，性能比常規鋼升高4.1 MPa；

2）Φ14 mm規格合金成本降低24.31元/t，起平均屈服強度456.6 MPa，性能比常規鋼升高4.1 MPa；

3）Φ20 mm規格合金成本降低2.89元/t，起平均屈服強度455.1 MPa，性能比常規鋼升高4.7 MPa；

4）Φ25 mm規格合金成本降低36.62元/t，起平均屈服強度459 MPa，性能比常規鋼升高6.6 MPa；

5）Φ28 mm規格合金成本降低11.04元/t，起平均屈服強度454 MPa，性能比常規鋼升高15.8 MPa。

4 結論

1）通過不同規格產品的小批量試驗和后續的擴大試驗可以得出，采用微氮合金替代部分氮化釩合金后，鋼種的V、N元素收得率穩定，鋼的熔煉成分、鋼材的各項理化性能指標均達標，使用效果良好。

2）通過不同規格產品的對比試驗結果分析，10 kg的微氮合金可替代1 kg的氮化釩合金，目前微氮合金的采購價格為2.06萬元/t，氮化釩合金的采購價格為75萬元/t，生產螺紋鋼時采用微氮合金替代氮化釩合金可降低噸鋼成本3～24元/t，取得了巨大的經濟效益。

3）從理化指標統計結果看，鋼筋的屈服強度、抗拉強度指標還存在富裕，熔煉成分尚有進一步調整的空間，通過減少煉鋼過程中其他貴重合金的加入量，把鋼材的屈服強度控制在457 MPa左右，抗拉強度控制大于550 MPa，可以進一步降低企業的生產成本。