河鋼集團(tuán)唐鋼新區(qū)，河北　唐山　063611

華北理工大學(xué)遷安學(xué)院，河北　唐山　064400

摘要: 本文介紹了一種增氮模式下HRB400E釩微合金化工藝，即在氮氧混吹工藝條件下，通過(guò)提高鋼水氮含量，提高釩元素的析出強(qiáng)化能力，降低錳、釩合金加入量。根據(jù)鋼水增氮量、元素屈服貢獻(xiàn)值計(jì)算，確定了增氮模式下HRB400E微合金化成分模型，優(yōu)化了冶煉、軋制工藝方案，通過(guò)批量試驗(yàn)，對(duì)鋼水氮含量、屈服強(qiáng)度、金相組織、時(shí)效性能等進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：HRB400E鋼水平均氮含量為153×10−6，較常規(guī)工藝氮含量增加58×10−6，棒材成分及性能穩(wěn)定，金相組織正常，Mn含量降低0.05%，V含量降低0.002%，創(chuàng)效額達(dá)9元/t。

GB/T 1499.2—2018中對(duì)螺紋鋼筋強(qiáng)度的要求給穿水鋼筋生產(chǎn)及銷售帶來(lái)巨大的沖擊。為提高鋼筋強(qiáng)度，各鋼鐵企業(yè)均采用微合金化技術(shù)，目前提高螺紋鋼強(qiáng)度的微合金化工藝主要有三種[1]，包括V、Nb、Ti，其中Ti元素活潑性較強(qiáng)，微合金化鋼水可澆性差，影響生產(chǎn)穩(wěn)定性；Nb微合金化不穩(wěn)定，易造成棒材性能波動(dòng)，屈服平臺(tái)不明顯；大多數(shù)企業(yè)采用V微合金化。

唐鋼二鋼軋廠以優(yōu)質(zhì)抗震螺紋鋼筋作為主要輸出產(chǎn)品，其中HRB400E抗震螺紋鋼品種占比70%以上，主要采用釩微合金化方式，鋼水氮含量平均控制在85×10−6，未能全部發(fā)揮出釩氮強(qiáng)化作用，同時(shí)為保證產(chǎn)品性能，硅錳、釩系合金加入量較大，造成HRB400E合金成本偏高。本文研究了在氮氧混吹工藝條件下，使用釩氮合金進(jìn)行微合金化，增加鋼水氮含量，降低錳、釩含量，實(shí)現(xiàn)HRB400E綜合成本降低。

1.   理論依據(jù)

1.1   釩微合金化機(jī)理

V元素作為形成碳化物和氮化物的強(qiáng)化元素，在鋼中主要以碳化物、氮化物或碳氮物以及固溶釩的形式存在，故釩鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理主要是靠細(xì)晶強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。適當(dāng)提高氮含量可以增加V（C、N）析出的驅(qū)動(dòng)力，以促進(jìn)V（C、N）的析出，最終實(shí)現(xiàn)提高釩的析出比例[2]，達(dá)到鋼筋的強(qiáng)化效果，同時(shí)釩的存在還可以抑制氮的有害作用。

釩的析出強(qiáng)化作用與釩結(jié)合碳、氮的形式密切相關(guān)，釩碳（VC）、釩氮（VN）在鐵基體中的固溶度積公式如下：

比較VC和VN在奧氏體中固溶度積公式可知，VN在奧氏體中的固溶度積與VC相比小2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。對(duì)于C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%，溫度處于700~1100 ℃時(shí)，隨著氮含量的增加，V（C、N）在奧氏體中的開(kāi)始析出溫度上升，有利于晶粒較早析出，進(jìn)一步說(shuō)明氮含量的增加有助于V（C、N）在軋制過(guò)程中析出，阻止了奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用[3]。

1.2   氮氧混吹工藝

轉(zhuǎn)爐冶煉后期，火點(diǎn)區(qū)溫度高、CO壓力低，在此階段向氧氣中混入一定比例氮?dú)猓诟邷鼗瘘c(diǎn)作用下，氮?dú)夥纸獬蔀榈樱ㄟ^(guò)氮氧混合氣體的沖擊，使氮原子進(jìn)入鋼液，可以提高鋼水基礎(chǔ)氮含量[4]，通過(guò)控制吹氮時(shí)機(jī)與氮氧比例、終點(diǎn)控制等手段，實(shí)現(xiàn)鋼水增氮量在50×10−6~70×10−6。

2.   工藝方案實(shí)施

2.1   構(gòu)建化學(xué)成分模型

參考前期HRB400E成分設(shè)計(jì)，根據(jù)鋼水增氮量及碳、錳、氮、釩元素屈服貢獻(xiàn)值，在確保能夠滿足HRB400E性能的要求前提下，構(gòu)建HRB400E化學(xué)成分模型，如表1。

表  1  HRB400E化學(xué)成分控制要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

成分控制	C	Mn	S、P	Si	V	Ceq
實(shí)際	0.21~0.25	1.25~1.56	≤0.045	0.30~0.80	0.028~0.050	0.43~0.54
控制目標(biāo)	0.22~0.25	1.28~1.32	≤0.045	0.32~0.37	0.028~0.031	0.44~0.54

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2.2   工藝路線及生產(chǎn)設(shè)備

2.2.1   工藝路線

唐鋼二鋼軋廠冶煉棒材產(chǎn)品主要流程：65 t轉(zhuǎn)爐冶煉→連鑄165 mm×165 mm方坯→棒材連軋生產(chǎn)線軋制?12~25 mmHRB400E。

2.2.2   生產(chǎn)設(shè)備

（1） 2座65 t 轉(zhuǎn)爐，采用頂?shù)讖?fù)吹工藝。轉(zhuǎn)爐采用干法除塵，合金料烘烤，鋼包采用全程加蓋保溫，保證出鋼溫度穩(wěn)定和連鑄中包溫度穩(wěn)定，HRB400E生產(chǎn)由轉(zhuǎn)爐直上連鑄，不經(jīng)精煉工序。

（2） 2臺(tái)六機(jī)六流連鑄機(jī)，鑄機(jī)半徑6 m，鑄坯斷面分別為165 mm×165 mm和180 mm×180 mm，鑄坯采用熱裝熱送，定重供坯。

（3） 2條棒材生產(chǎn)線，無(wú)控冷控軋裝置，開(kāi)軋溫度1025~1080 ℃，棒材負(fù)差率穩(wěn)定控制2.8%~6.2%，主要生產(chǎn)建筑鋼筋混凝土用的熱軋帶肋鋼筋，產(chǎn)品為?12～40 mm。

2.3   技術(shù)方案

2.3.1   煉鋼工序

（1）僅在氮氧混吹條件下進(jìn)行試驗(yàn)，成分按HRB400E控制目標(biāo)執(zhí)行；

（2）釩合金加入時(shí)機(jī)：在脫氧劑、合金料、碳化硅加入完畢后，再加入釩系合金，保證鋼水脫氧合金化良好；

（3）鋼包底吹使用氮?dú)猓鲣摻Y(jié)束后，軟吹時(shí)間不低于3 min，做大包包樣氮含量；

（4）連鑄拉速控制在2.2~2.5 m/min，中包過(guò)熱度在15~30 ℃，將試驗(yàn)鋼與正常鋼上下?tīng)t劃混坯，正常直供棒材。

2.3.2   軋鋼工序

加熱爐均熱段溫度1150~1195 ℃，開(kāi)軋溫度1025~1080 ℃，棒材負(fù)差率穩(wěn)定控制2.8%~6.2%，見(jiàn)表2。

表  2  不同規(guī)格棒材的溫度及負(fù)差控制

品種	負(fù)差/%	均熱段溫度/℃	開(kāi)軋溫度/℃
12螺	5.0~6.2	1150~1190	1030~1075
14螺	3.6~4.3	1155~1190	1030~1080
16螺	3.6~4.3	1150~1195	1025~1072
18螺	3.6~4.3	1160~1190	1035~1080
20螺	3.6~4.3	1150~1190	1030~1080
22螺	2.8~3.5	1160~1195	1032~1080
25螺	2.8~3.5	1152~1192	1030~1075

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3.   實(shí)施效果

3.1   鋼水氮含量控制

前期小批量試驗(yàn)共200爐，氮含量分析102爐，鋼水氮含量分布范圍120×10−6~186×10−6，平均153×10−6，較常規(guī)工藝氮含量增加58×10−6，鋼水氮含量控制穩(wěn)定，能夠滿足鋼水增氮的要求，如圖1所示。

圖  1  鋼水氮含量分布情況

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3.2   HRB400E成分及性能分析

表3為前期小批量成分及性能統(tǒng)計(jì)。將試驗(yàn)爐次與常規(guī)工藝進(jìn)行全面對(duì)比，得出以下結(jié)果：

表  3  HRB400E成分及屈服強(qiáng)度分析

項(xiàng)目		C質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%	Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%	Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%	V質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%	Ceq質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%	屈服強(qiáng)度/MPa	直徑/ mm	爐數(shù)
試驗(yàn)	最小值	0.210	1.25	0.32	0.025	0.430	430	12~25	200
	最大值	0.250	1.41	0.40	0.033	0.470	495
	均值	0.225	1.32	0.37	0.030	0.451	456
常規(guī)	均值	0.225	1.37	0.38	0.032	0.460	455		1000

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（1）較常規(guī)爐次Mn含量降低0.05%，V降低0.002%；

（2）軋制規(guī)格?12~25 mm，HRB400E屈服強(qiáng)度430~495 MPa，平均456 MPa，與常規(guī)工藝持平，性能全部合格，且遠(yuǎn)高于國(guó)標(biāo)（≥400 MPa），質(zhì)量穩(wěn)定性高。

3.3   微觀組織分析

?12~25 mmHRB400E試驗(yàn)期間，抽取代表規(guī)格?12 mm、?25 mm進(jìn)行金屬顯微組織檢驗(yàn)，試驗(yàn)溫度25 ℃，相對(duì)濕度40%，且顯微組織全部由鐵素體與珠光體組成，未發(fā)現(xiàn)貝氏體，組織正常，見(jiàn)圖2。

圖  2  不同規(guī)格HRB400E的微觀組織：（a）?12 mm；(b)?25 mm

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3.4   時(shí)效性能分析

軋制過(guò)程中取平行樣，確保其準(zhǔn)確性，分別對(duì)?12~25 mmHRB400E進(jìn)行放置10、20、30 d進(jìn)行時(shí)效分析，如表4。

表  4  不同規(guī)格HRB400E的時(shí)效屈服強(qiáng)度變化

爐號(hào)	鋼號(hào)	直徑規(guī)格/ mm	屈服強(qiáng)度/MPa				屈服強(qiáng)度降低最大值/MPa
			原始	放置10 d	放置20 d	放置30 d
0A00202	HRB400E	12	465	450	453	450	15
0C01472	HRB400E	14	460	456	450	446	14
0A01127	HRB400E	16	455	450	455	445	10
0A01128	HRB400E	18	465	455	455	452	13
0A01129	HRB400E	20	470	465	460	455	15
0A01281	HRB400E	22	445	440	435	435	10
0A00485	HRB400E	25	465	460	455	453	12

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由表4看出,隨著放置時(shí)間的變化，HRB400E的屈服強(qiáng)度最大降低值為15 MPa，平均降低12 MPa，屈服強(qiáng)度降低值均在正常范圍內(nèi)，且唐鋼HRB400E出廠標(biāo)準(zhǔn)最低值≥425 MPa，因此本工藝制得的HRB400E滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.5   推廣及效益計(jì)算

通過(guò)批量試驗(yàn)，對(duì)鋼水氮含量、屈服強(qiáng)度、金相組織、時(shí)效性能等進(jìn)行驗(yàn)證，表明增氮模式下HRB400E生產(chǎn)工藝具備全面推廣條件，且成本低廉、效果穩(wěn)定，創(chuàng)效額達(dá)9元/t。

4.   結(jié)束語(yǔ)

基于氮氧混吹技術(shù)，使用釩氮合金微合金化，使鋼水平均氮含量控制在153×10−6，達(dá)到穩(wěn)定增氮、控氮的目標(biāo)，且HRB400E金相組織正常，由鐵素體與珠光體組成，棒材平均屈服強(qiáng)度456 MPa，與常規(guī)工藝持平；時(shí)效屈服強(qiáng)度變化平均12 MPa，在正常范圍內(nèi)，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，具備了全面推廣的條件，創(chuàng)效額達(dá)9元/t。