高氮釩鐵在螺紋鋼的應(yīng)用實踐

蔡 飛

（河鋼集團宣鋼公司技術(shù)中心，河北 宣化 075100）

為降低煉鋼生產(chǎn)成本，不斷提高企業(yè)競爭力，在螺紋鋼生產(chǎn)中引入高氮釩鐵擬替代現(xiàn)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(fā)揮，在生產(chǎn)工藝不變的前提下，預(yù)計可以節(jié)約釩的用量，生產(chǎn)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(yīng)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(jié)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(xiàn)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(jīng)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(fù)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(fā)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(guān)系

2 高氮釩鐵在螺紋鋼的生產(chǎn)應(yīng)用

2.1 工藝路線

鐵水扒渣→轉(zhuǎn)爐→氬站→連鑄機→軋制

2.2 各生產(chǎn)工序控制要點

2.2.1 煉鋼化學成分控制

結(jié)合螺紋鋼性能要求及現(xiàn)場實際情況，重新制定了高氮釩鐵合金應(yīng)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?shù)讖?fù)吹，煉鋼目前采用CO2底吹新工藝，將CO2作為轉(zhuǎn)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(yīng)創(chuàng)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(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(qū)，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(zhì)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(jié)晶器內(nèi)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(jié)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(jù)實際情況對各段溫度做適當調(diào)整，具體見表4。

表4 軋鋼加熱及開軋溫度 ℃

3 生產(chǎn)分析

通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，對高氮釩鐵中釩的吸收率進行測算與分析，結(jié)果見表5。

表5 V的吸收率計算

從表5數(shù)據(jù)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(chǎn)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(wěn)定。針對此問題，制定下步措施如下：

1）作好原料的進一步優(yōu)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(xiàn)場工藝制度的落實與執(zhí)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(xiàn)鋼水成分均勻性，穩(wěn)定鋼中釩的吸收率。

3）規(guī)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(chǎn)。

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(shù)據(jù)統(tǒng)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(zhì)量分數(shù)為（80~110）×10-6，高氮釩鐵中的氮含量吸收率達到50%，滿足生產(chǎn)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(zhì)少，析出更為穩(wěn)定均勻。具體如圖2、圖3。

圖2 釩氮合金應(yīng)用金相

圖3 高氮釩鐵應(yīng)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(jié)語

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