釩氮微合金化高強鋼板生產工藝實踐

周 昊，李 萍，仵金煒，劉俊寶

（1山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 萊蕪 271104；2萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 萊蕪 271104）

1 前言

鋼中添加釩可以提高鋼的強度、改善鋼的韌性、塑性和工藝性能，提高釩鋼制品的服役性能等。釩微合金化技術是高強鋼生產的有效途徑。大量研究工作表明，釩微合金化通過優化釩的析出和細化鐵素體晶粒，發揮了晶粒細化強化和沉淀強化兩種強化機制，顯著改善鋼的強韌性配合。目前，萊鋼絕大多數高強鋼板采用BOF-LF-RH-CC的工藝流程，利用Nb＋Cr＋B復合合金化生產，并根據不同規格適量調整合金元素加入量，軋制后進行調制處理交貨。由于該產線調質處理生產壓力過大，結合市場需求，開發出了短流程低成本的TMCP高強鋼板的生產工藝（鐵水預處理-120BOF-120LF-CC），即采用低碳微合金V-N鋼和控制軋制工藝生產高強鋼板。

2 微合金元素作用

在微合金鋼中，氮的所有有利影響在于它與微合金元素的相互作用，由于微合金元素的氮化物比碳化物更穩定且聚合的傾向較小，增加氮含量將使粒子體積百分數與粒子尺寸之比達到最大。因而微合金化鋼的關鍵是微組織即晶粒細化和沉淀強化達到最大。氮對微合金鋼析出相的影響顯著，鋼種增氮后V（C，N）析出相的數量成倍增加，在低氮釩鋼中V（C，N）析出相的重量分數僅為0.049 8%，而在高氮釩鋼中，V（C，N）析出相的重量分數達到0.106 2%，氮在鋼中極大促進了釩的析出［1］。

氮不僅促進釩在鋼中的析出，還改變了釩在相間的分布。低氮鋼中，56.3%的釩固溶于基體，只有35.5%的釩以V（C，N）形式析出，而高氮鋼中70.0%的釩以V（C，N）形式析出，僅剩20%的釩固溶于基體中［2］。大量研究證實，鋼中增氮可使釩的用量節約20%～40%。通過理論分析可知，釩鋼中V與N的理想化學配比是3.64，這是產生最大析出強化的V、N質量比值［3］。

3 生產實踐

3.1 化學成分及工藝流程

V-N微合金化Q550D高強鋼板化學成分（GB/T 1591—2008）如表1所示。工藝流程為：鐵水預處理-120 t復吹轉爐冶煉-LF精煉-板坯連鑄-緩冷-4 300寬厚板生產線軋制。

表1 Q550D高強鋼板化學成分（質量分數）%

3.2 技術難點

V-N微合金化Q550D高強鋼板氮含量要求穩定控制在0.01%～0.013%，由于煉鋼各工序環節過程控制及原材料氮含量穩定性等原因，鋼中氮含量控制不穩定，甚至個別爐次氮含量超過0.02%，導致鋼板的鑄坯質量及最終力學性能不理想，無法穩定滿足用戶的使用要求。

3.3 冶煉及連鑄工藝

入爐原料必須滿足轉爐工藝技術要求，鐵水含硫量≤0.010%，嚴格控制裝入量，誤差＜±2 t。

轉爐冶煉采用頂底復吹工藝，終渣堿度控制在3.0～4.0，渣料必須于終點前3 min加完，全程渣子化好、化透。采用硅鈣鋇脫氧，硅鈣鋇加入量為3.0 kg/t鋼，視鋼水過氧化程度補加。采用硅錳、中錳、釩氮、中鉻、鈮鐵合金進行合金化。出鋼過程中，在放鋼1/4時加入合金，鋼水出至3/4時加完，合金對準鋼流沖擊區加入。放鋼后加預熔渣200 kg/爐，擋渣采用滑板自動擋渣。

LF精煉過程中，全程底吹氬攪拌，前期可根據情況適當調高氬氣壓力，出站前采用小壓力軟吹，保證夾雜物上浮。采用碳化鈣調渣，終渣堿度盡量控制在2.2以上，白渣或黃白渣出鋼。采用硅鈣鋇脫氧，嚴禁喂鋁線。處理結束后，喂高鈣線50～70 m/爐，軟吹時間＞10 min。精煉時間不低于42 min。

連鑄過程中，采用全程保護澆注且Ar封，過熱度控制在15～25℃，中間包采用覆蓋劑結合碳化稻殼進行覆蓋，保證中間包液面覆蓋良好。在扇形段鑄坯凝固末端采用輕壓下技術，連鑄坯下線緩冷，堆冷至400℃以下。

3.4 軋制工藝

加熱制度如表2所示，保證鋼坯燒勻燒透。為保證除鱗效果、降低煤耗和穩定工藝，必須優先保證目標溫度的命中率，降低離散程度。

表2 加熱制度

軋制過程中，粗軋工序采用盡量少的道次，盡量保證至少有2個道次壓下率不低于20%。精軋的開軋溫度控制在850～920℃，終軋溫度控制在790～840℃，最后3個道次壓下率不低于15%，促進奧氏體中生成足夠的V（C，N），保證產品力學性能。冷卻入口溫度800～820℃，冷卻出口溫度570～610℃，冷卻速度控制在10～15℃/s。

3.5 實物質量分析

3.5.1 氮含量

采用氮氧儀按照GB/T 20124—2006《鋼鐵氮含量的測定、惰性氣體熔融熱導法（常規方法）》對軋材鋼樣進行氮含量分析，結果見表3。從表3可以看出，氮含量穩定控制在0.010 4%～0.012 5%，滿足化學成分要求。

表3 不同鋼板號鋼板的氮含量（質量分數）%

3.5.2 力學性能

根據上述工藝設計要點生產了V-N微合金化Q550D高強鋼板，力學性能如表4所示。結果表明，屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、-20℃縱向沖擊功均滿足要求，性能合格率100%。

表4 Q550D高強鋼板力學性能

3.5.3 成本優化

在釩鋼中加入適量的氮，一方面，顯著促進V（C，N）的析出，細化鋼的鐵素體晶粒，提高鋼的強度，改善鋼的塑韌性，使鋼獲得了良好的綜合性能；另一方面，在保證原鋼種強度水平的前提下，在釩鋼中增加適量的氮可減少釩的加入量，對鋼的制造者來說可以產生明顯的經濟效益，降低了鋼的生產成本。Q550D高強鋼板采用V-N微合金化、短流程BOF＋LF＋CC工藝、熱軋狀態交貨，噸鋼成本可節約100元左右，具有良好的經濟效益。

4 結語

萊鋼成功試制開發出短流程低成本V-N微合金化Q550D高強鋼板并實現批量化生產，產品成分、性能等均滿足標準要求，噸鋼成本可節約100元/t左右，具有良好的經濟效益。