高氮钒铁在螺纹钢的应用实践

蔡 飞

（河钢集团宣钢公司技术中心，河北 宣化 075100）

为降低炼钢生产成本，不断提高企业竞争力，在螺纹钢生产中引入高氮钒铁拟替代现行钒氮合金与微氮合金的使用。

高氮钒铁合金是一种新型钒氮合金，与钒氮合金相比具有更高的m（N）/m（V）的比值，m（N）/m（V）比值能达到0.47，为钒氮合金的2.31倍，在相同增V量的情况下，增w（N）提高了1.31倍。钢中氮含量较高，V（N、C）析出强化作用就更加明显，钒的析出量可达到80%以上，其强化效果充分得到发挥，在生产工艺不变的前提下，预计可以节约钒的用量，生产成本得到降低。高氮钒铁合金指标见下表1。

表1 高氮钒铁合金化学成分 %

1 应用高氮钒铁合金的机理分析

1.1 钒的作用

钒是一种强碳氮化物形成元素，以氮化钒、碳化钒以及碳氮化钒的形式存在于钢筋中，起沉淀强化作用。由于钒碳氮化物在奥氏体中的溶解度高、溶解温度低，在800℃以上加热时，钒及其碳氮化物全部溶解在奥氏体中。在随后的轧制冷却过程中，钒以碳氮化物的形式沿着奥氏体晶界析出，阻碍奥氏体再结晶，同时抑制奥氏体晶粒长大，有利于获得更细小的铁素体晶粒。钒具有着细化晶粒作用，可以显著提高钢的力学性能，钒钢主要是凭借钒的晶粒细化与沉淀强化最终实现强化作用。

1.2 氮的作用

氮是钒微合金钢中一种非常有效和经济的合金元素，相对于V元素，N比C有着更强的亲和力。从图1中可以看出，当钢中钒含量小于0.02%时，钢的强度增量是2.5 MPa/0.001%V，而当V含量大于0.02%时，钢的强度增量为1.0 MPa/0.001%V，这主要是由于钢中缺少氮，高氮钒铁的使用正好弥补了钢筋中氮含量不足的问题。高氮钒铁的氮钒比高而且合理，钢筋中的氮主要以复合VN形式存在，析出强化效果更为明显。钒析出量超过80%以上时（2.5 MPa/0.001%V），充分发挥了钒的强化作用。氮含量的增加对钢筋无不利影响。钢中V含量对强度的影响见图1。

图1 钢中V含量与钢材强度关系

2 高氮钒铁在螺纹钢的生产应用

2.1 工艺路线

铁水扒渣→转炉→氩站→连铸机→轧制

2.2 各生产工序控制要点

2.2.1 炼钢化学成分控制

结合螺纹钢性能要求及现场实际情况，重新制定了高氮钒铁合金应用工艺条件下的钢种成分要求，具体见下页表2。

2.2.2 冶炼控制要点吹炼过程全程实施顶底复吹，炼钢目前采用CO2底吹新工艺，将CO2作为转炉底吹搅拌气代替Ar底吹，可减少氩气消耗，强化熔池搅拌，为脱磷反应创造良好的动力学条件，为熔池提供良好的脱磷及终点碳、氧控制条件，有效提升终点钢水质量，从而也提高了合金收得率（见表3）。

表2 炼钢化学成分控制范围 %

表3 转炉冶炼成分终点控制

出钢过程确保钢包底吹氩气效果良好，出钢时间≥4 min，渣层厚度控制≤70 mm。采用炉后合金料烘烤工艺，保证钢包洁净无残渣，钢包加盖工艺正常，以降低转炉出钢温度。

2.2.3 脱氧合金化

使用硅铝钡锶作为脱氧剂，吨钢加入量0.3 kg/t，后吹严重炉次需适当增加用量。

采用高氮钒铁配钒，不加钒氮和微氮合金，高氮钒铁在出钢过程中直接加入钢包，尽可能在前期加入，要求人工直接投到出钢冲击区，同时出钢过程全程吹氩气处理，尤其前期必须大气量搅拌，保证高氮钒铁的充分熔化吸收。

2.2.4 氩站处理

进氩站后软吹处理3～5 min，目测钢水液面裸露Φ100~200 mm为宜，不可大气量吹气造成钢水大翻，防止卷渣或吸气影响钢水质量，成分温度均匀后加覆盖剂保温出站。

2.2.5 连铸工序

做好全程保护浇注，大包长水口插入钢水液面200～300 mm，采用氩封圈保护，做好氩封操作。浸入式水口加密封圈，在结晶器内要对中，插入深度达到90~120 mm。中包必须保证黑渣面操作，铸坯表面不得有裂纹、气孔、结疤、表面夹杂等缺陷。

2.2.6 轧制工序

要求入炉钢坯加热均匀，通条温差≤50℃，各钢种各段温度以保证开轧温度为准，可以根据实际情况对各段温度做适当调整，具体见表4。

表4 轧钢加热及开轧温度 ℃

3 生产分析

通过现场数据采集，对高氮钒铁中钒的吸收率进行测算与分析，结果见表5。

表5 V的吸收率计算

从表5数据中可以看出，钒的吸收率最低为90.28%，最高为94.87%，平均为92.07%，受诸多生产因素影响，氩站吸收率存在一定偏差，也可以看出高氮钒铁在出钢过程中熔化较慢，方坯吸收率相对稳定。针对此问题，制定下步措施如下：

1）作好原料的进一步优化，适当减小高氮钒铁粒度，加快其在钢水中的熔化速度。

2）严格现场工艺制度的落实与执行，确保氩站处理3～5 min工艺时间，最低不得小于3 min，促进高氮钒铁的充分熔化，实现钢水成分均匀性，稳定钢中钒的吸收率。

3）规范铸机中包取样时间，在大包开浇后20 min方可取样，取样深度不得低于50 cm，确保试样分析具有代表性，有效指导生产。

3.1 钢筋性能分析

试验钢筋性能全部合格，试验螺纹钢筋性能控制在425~465 MPa，7 d时效螺纹钢筋性能控制420~460 MPa之间，符合国标要求，试验钢筋时效性能降低10~20 MPa见下页表6。

表6 钢筋性能分析数据统计

3.2 钢筋N含量分析

对钢筋中的N含量进行检验，检测钢筋中的氮质量分数为（80~110）×10-6，高氮钒铁中的氮含量吸收率达到50%，满足生产要求。

3.3 钢筋金相组织的特点

使用高氮钒铁后金相组织为铁素体+珠光体，钢筋晶粒度比用钒氮合金要高1-2级，且因高氮钒铁纯度高，杂质少，析出更为稳定均匀。具体如图2、图3。

图2 钒氮合金应用金相

图3 高氮钒铁应用金相

3.4 成本分析

通过计算，成本对比使用钒氮合金与微氮合金可以降低2.59元/t，对炼钢成本降低有显著成效。

4 结语

通过使用高氮钒铁对螺纹钢进行合金化处理，相比传统的钒氮合金与微氮合金应用方式，在满足产品质量的前提下，不仅降低人工劳动强度和加料复杂程度，而且可以降低生产成本，实现降本增效目的。