表 1HRB400E化學(xué)成分控制要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
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1.
河鋼集團(tuán)唐鋼新區(qū)，河北 唐山 063611
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2.
華北理工大學(xué)遷安學(xué)院，河北 唐山 064400
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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，通過批量試驗，對鋼水氮含量、屈服強(qiáng)度、金相組織、時效性能等進(jìn)行驗證。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。
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GB/T 1499.2—2018中對螺紋鋼筋強(qiáng)度的要求給穿水鋼筋生產(chǎn)及銷售帶來巨大的沖擊。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，屈服平臺不明顯；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個數(shù)量級以上。對于C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%，溫度處于700~1100 ℃時，隨著氮含量的增加，V（C、N）在奧氏體中的開始析出溫度上升，有利于晶粒較早析出，進(jìn)一步說明氮含量的增加有助于V（C、N）在軋制過程中析出，阻止了奧氏體晶粒的長大，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^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]，通過控制吹氮時機(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，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。
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，無控冷控軋裝置，開軋溫度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，成分按HRB400E控制目標(biāo)執(zhí)行；
（2）釩合金加入時機(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，中包過熱度在15~30 ℃，將試驗鋼與正常鋼上下爐劃混坯，正常直供棒材。
2.3.2 軋鋼工序
加熱爐均熱段溫度1150~1195 ℃，開軋溫度1025~1080 ℃，棒材負(fù)差率穩(wěn)定控制2.8%~6.2%，見表2。
表 2不同規(guī)格棒材的溫度及負(fù)差控制3. 實(shí)施效果
3.1 鋼水氮含量控制
前期小批量試驗共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。
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。將試驗爐次與常規(guī)工藝進(jìn)行全面對比，得出以下結(jié)果：
表 3HRB400E成分及屈服強(qiáng)度分析（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試驗期間，抽取代表規(guī)格?12 mm、?25 mm進(jìn)行金屬顯微組織檢驗，試驗溫度25 ℃，相對濕度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，見圖2。
3.4 時效性能分析
軋制過程中取平行樣，確保其準(zhǔn)確性，分別對?12~25 mmHRB400E進(jìn)行放置10、20、30 d進(jìn)行時效分析，如表4。
表 4不同規(guī)格HRB400E的時效屈服強(qiáng)度變化由表4看出,隨著放置時間的變化，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滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。
3.5 推廣及效益計算
通過批量試驗，對鋼水氮含量、屈服強(qiáng)度、金相組織、時效性能等進(jìn)行驗證，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
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；時效屈服強(qiáng)度變化平均12 MPa，在正常范圍內(nèi)，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，具備了全面推廣的條件，創(chuàng)效額達(dá)9元/t。
來源：金屬世界
