采用微氮合金生產高強抗震鋼筋HRB400E生產實踐探討

王利科，周左瑞， 韓一飛

（烏海包鋼萬騰鋼鐵有限公司， 內蒙古 烏海016000）

隨著社會的發展進步，人們對物質生活條件要求越來越高，特別是人們住房條件要求越來越高，各大城市樓房迅速向高層發展，這要求鋼筋質量越來越高，HRB335鋼筋性能不能滿足現有建筑業的要求，為提高鋼筋性能，鋼中添加合金元素，提高鋼材的屈服強度、抗拉強度、焊接性能。因此HRB400E高強抗震鋼筋受到市場的青睞，已成為市場主要建筑用鋼筋。為提高鋼的物理性能，微合金化成為世界各國提高鋼筋抗震性能主要工藝路線，釩元素具備提高鋼的晶粒度并且為微合金化的主要合金元素之一。釩在目前市場上價格較貴，增加煉鋼廠生產成本。為保證鋼的物理性能且成本最低，從而需要其他合金來代替釩。烏海包鋼萬騰鋼鐵有限公司自2020年5月采用了微氮合金、釩氮合金合理搭配方案進行HRB400E試驗生產。下述就氮在鋼中的機理作用展開分析。

1. 強化作用

在釩微合金鋼中，氮增強了釩碳氮化物的析出，熱力學計算顯示，含釩鋼中增氮提高了碳氮化釩的析出溫度，并增加了析出的驅動力，隨氮含量的增加，析出相中碳氮組分明顯變化，低氮的情況下，析出的以碳化釩為主，隨著氮含量的增加逐漸變化成氮化釩相析出，當鋼中氮增加到2000 ppm時，在整個溫度析出范圍，均析出VN或富氮的V(C,N)，同時在缺氮的鋼中大部分釩沒有充分發揮析出強化作用，浪費釩成本。增氮后由原來固溶狀態的釩轉變為析出狀態的釩，充分發揮釩的沉淀強化作用。

2. 細化晶粒

氮在鋼中有明顯的細化晶粒作用，高氮釩的相變比例比碳錳鋼和低氮釩鋼明顯增加，增氮促進了碳氮化釩在奧氏體-鐵素體相界面析出，起到了細化鐵素體晶粒細化的作用。

3. 生產工藝路線

魚雷罐-鐵包-KR脫硫-轉爐-吹氬站-連鑄-加熱爐-軋制-冷床-精整檢驗打捆入庫

4. 合金理化指標

烏海包鋼萬騰鋼鐵有限公司煉鋼廠生產HRB400E高強抗震鋼筋時采用微氮合金+釩氮合金進行生產，物料理化指標見表1、表2。

表1 微氮合金理化指標

表2 釩氮合金理化指標

5. 生產工藝

裝入制度:鐵水105 t、廢鋼18 t；

采用5孔拉瓦爾氧槍，吹氧時間在12-13 min/爐；

終點碳含量0.06%-0.08%；

采用脫氧合金化：合金加入順序硅鐵、硅錳、增碳劑、釩氮合金、微氮合金；

吹氬站采用氮氣底吹，底吹時間≥8 min；

連鑄為165*165方坯，7機7流，半徑為14 m的弧形連鑄機，拉速控制在2.5-2.8 m/min；

加熱爐采用步進式加熱爐，加熱段溫度控制在850-870℃、均熱度段溫度控制在1120-1140℃；

軋制采用20架軋機（粗軋6架、中軋6架、預精軋6架、精軋2架），軋制速度從第一架0.45 m/s到第二十架14.12 m/s。

6. 合金配比及成本測算

按照V、C、N原子量進行理論計算（釩的原子量為51、碳的原子量為12、氮的原子量為14），以鋼中釩為基數，為使鋼中形成VN為目標，測算鋼中氮含量控制在80-100 ppm；采用微氮合金+釩氮合金成分對比見表3：

表3 兩種不同工藝成分對比表 %

采用微氮合金+釩氮合金進行配比，測算成本對比如表4、表5。

表4 優化前合金配比及成本測算

表5 改善后合金配比及成本測算

7. 力學性能及金相分析

本次試驗生產共計10爐，具體力學性能對比如表6：

表6 力學性能控制對比表

微氮合金+釩氮合金試驗爐次屈服強度、抗拉強度較正常爐次高11 Mpa、34 Mpa左右。

8. 金相分析

試驗爐次取樣進行金相分析，通過光學顯微鏡觀察發現，鋼材組織為鐵素體+珠光體，晶粒度8.5-9.0級，無偏析現象、無邊部晶粒粗大現象、魏氏組織0.5級。如圖1：

圖1 HRB400E試樣顯微組織

9. 結論

采用微氮合金+釩氮合金進行HRB400E生產，成本降低2.98元/t；對試驗后的樣品進行力學性能檢測，屈服強度、抗拉強度較原工藝高11 Mpa、34 Mpa；通過顯微鏡觀察，鋼材組織為鐵素體+珠光體，晶粒度8.5-9.0級，無偏析現象、無邊部晶粒粗大現象、魏氏組織0.5級。