铁水合金化在HRB400E中的应用研究

赵科明， 王瑞军， 张志学

（河钢承钢 棒材事业部， 河北 承德 067002）

合金是炼钢工业生产不可缺少的原料，在炼钢合金化过程中需添加不同的合金元素满足钢种性能要求。调整钢水碳含量主要靠添加增碳剂或含碳合金，调整硅、锰、钒、铬、钛含量主要依靠添加相应的硅铁、锰铁、钒铁、铬铁、钛铁等合金，所添加增碳剂或合金均为固态物料。随着日益严峻的市场形势，炼钢生产成本压力逐步加重，如何降低产量较高的高强钢筋生产成本是拓展企业生存发展空间的关键问题之一，鉴于某公司的原料特色及产品特点，将降低钢筋生产成本的突破口放在了炼钢合金化方式上，打破传统的出钢过程中加入铁合金的合金化方式，研究利用自产含钒铁水中的有益元素直接进行微合金化，以节省铁合金及增碳剂消耗，降低生产成本。

1 技术内容

1.1 总体思路

本项目从降低炼钢生产成本、实现资源节约及充分利用的角度出发，提供一种利用液态铁水中有益元素直接进行微合金化的方法，充分利用铁水中碳、钒、铬、钛等有益元素对钢水进行合金化，减少固态合金料消耗，实现资源的节约和充分利用，降低炼钢生产成本及工序能耗，提升了产品质量，形成了经济、高效、节能、环保的合金化应用技术。

1.2 技术原理

炼钢合金化主要靠向钢中添加增碳剂、硅铁、锰铁、钒铁、铬铁、钛铁等合金来满足钢中成份及性能要求，且不同的合金元素对钢材性能均有不同的作用，因此在炼钢合金化过程中需添加不同的合金元素满足钢种对成分的需要。铁水内除了单质铁外，还含有碳、硅、锰、钒、铬等多种元素。铁水中碳处于饱和状态，其中的溶解氧、氮等气体含量较低，杂质相对较少，因此具备了直接进行炼钢微合金化作业的条件。

1.3 生产HRB400E抗震钢筋的工艺研究

承德地区有丰富钒钛磁铁矿，所生产的铁水（见表 1）中含有 V、Ti、Cr 等有益元素，因此生产含钒钢筋时具有明显的资源优势。在利用钒合金化的基础上，开发了利用含钒铁水进行微合金化生产抗震钢筋的工艺，利用含钒铁水有益元素，将含钒铁水中直接兑入到钢水中，直接将有益元素C、Mn、V、Cr、Ti等添加到钢水中，该技术打破了传统的使用固态合金进行合金化的工艺模式，降低了固态合金加入量，实现了资源的节约。

表1 铁水成分 %

在利用含钒铁水进行合金化生产抗震钢筋过程中，发现钢筋性能偏低，对此提出了利用控制钢种钒氮比来提高钢筋性能的想法。下页表2 为钒氮作用下的析出情况，可见，钒氮比是保证钒强化效果的主要手段，另外根据承钢自身总结和实践证明的钒合金化方面的相关知识得出，氮含量在0.005%时，钒含量最佳为0.020%；钒含量在0.040%时，氮含量最佳为0.010%，为保证充分发挥钒氮强化确保成份波动不会对强化增量产生影响，故强度钒氮比为4.5最佳。在此基础上自主研发了钢包吹氮工艺，基本原理是：在LF 炉精炼过程中，利用钢包底吹向钢液中吹氮，使钢中处于固溶态的钒转成生成V（C、N），提高钒的析出强化和细晶强化作用。

表2 氮的形态和含量（w(V)=0.055%） %

从表3 看出，利用铁水合金化生产抗震钢筋+LF炉钢包吹氮工艺，在实现低成本生产抗震钢筋的基础上，钢筋性能得到一定程度的提高，钢筋抗震性能合格率达到100%，利用铁水合金化生产抗震工艺流程为：高炉铁水→铁水合金化→LF 炉钢包吹氮→连铸。

表3 合金化处理方式及性能对比情况

1.4 铁水合金化技术方案

生产HRB400E 钢筋时，首选含钒铁水，出钢后将含钒铁水倒入钢水中，可高效利用铁水中碳、钒和锰等元素。铁水倒入量根据炉中成分、出钢量与所炼钢种成分要求进行计算，并利用利用铁水合金化装置将计算除的铁水量倒入钢水中。

2 实施过程及应用效果

出钢后选用含钒铁水进行合金化作业，100 t 系统过程控制如下：

1）出钢后取样分析结果如表4。

表4 合金化前钢水成分 %

2）合金化用含钒铁水成分及温度如表5。

表5 铁水成分及温度

3）兑入铁水量及兑铁前后温度变化如表6。

单次兑铁 2.61～3.39 t，过程温降 12～17 ℃，吨钢兑 0.01 t 铁水温降为 3～5 ℃。

4）LF 炉进站钢水成分和成品成分如表7。

表6 兑入铁水量及温度变化

表7 合金化后钢水成分 %

对铁水合金化前后取样分析结果可以看出，按每吨钢兑入铁水0.01 t 计算，钢水平均增碳0.04%、增钒0.003%、增磷量为0.001%，硅、锰和铬含量变化为0～0.01%，增硫量为0～0.001%。结果表明应用含钒铁水合金化，增碳、增钒较稳定，收得率达到97%以上，铁水中合金元素得到高效利用。

5）钢筋性能如表8。

表8 钢筋性能

用铁水合金化生产的钢坯，轧制后钢筋各种性能均符合国家标准要求。

3 经济和社会效益分析

3.1 经济效益

铁水合金化技术在HRB400R 上推广应用，能够有效降低铁合金及增碳剂消耗，铁水直接变成钢水，金属收得率提高，工序能耗降低，取得了巨大的经济效益。采用含钒铁水高效利用技术后，创效如表9 所示。

表9 效益分析表

3.2 社会效益

铁水合金化技术的应用打破传统的利用铁合金调整钢水成分的合金化模式，将铁水倒入脱氧后的钢水中，充分利用铁水中有益元素实施合金化，使铁水直接变成钢水，含钒铁水中有益元素直接高效利用，降低了炼钢工序能耗。铁水或半钢中碳元素直接利用，减少了炼钢工序产生的废气，为降低CO2的产生及排放做出了贡献。

4 结论

铁水合金化技术的应用，实现了稀有钒钛资源的高效、综合利用，同时能够降低贵重合金及料增碳剂消耗，减少炼钢产生的废气、钢渣等工业废物的排放，为钢铁企业开辟了一条资源节约型、环境友好型炼钢合金化工艺，具有广泛的应用价值，可在整个钢铁行业内推广。