采用微氮合金生产高强抗震钢筋HRB400E生产实践探讨

王利科，周左瑞， 韩一飞

（乌海包钢万腾钢铁有限公司， 内蒙古 乌海016000）

随着社会的发展进步，人们对物质生活条件要求越来越高，特别是人们住房条件要求越来越高，各大城市楼房迅速向高层发展，这要求钢筋质量越来越高，HRB335钢筋性能不能满足现有建筑业的要求，为提高钢筋性能，钢中添加合金元素，提高钢材的屈服强度、抗拉强度、焊接性能。因此HRB400E高强抗震钢筋受到市场的青睐，已成为市场主要建筑用钢筋。为提高钢的物理性能，微合金化成为世界各国提高钢筋抗震性能主要工艺路线，钒元素具备提高钢的晶粒度并且为微合金化的主要合金元素之一。钒在目前市场上价格较贵，增加炼钢厂生产成本。为保证钢的物理性能且成本最低，从而需要其他合金来代替钒。乌海包钢万腾钢铁有限公司自2020年5月采用了微氮合金、钒氮合金合理搭配方案进行HRB400E试验生产。下述就氮在钢中的机理作用展开分析。

1. 强化作用

在钒微合金钢中，氮增强了钒碳氮化物的析出，热力学计算显示，含钒钢中增氮提高了碳氮化钒的析出温度，并增加了析出的驱动力，随氮含量的增加，析出相中碳氮组分明显变化，低氮的情况下，析出的以碳化钒为主，随着氮含量的增加逐渐变化成氮化钒相析出，当钢中氮增加到2000 ppm时，在整个温度析出范围，均析出VN或富氮的V(C,N)，同时在缺氮的钢中大部分钒没有充分发挥析出强化作用，浪费钒成本。增氮后由原来固溶状态的钒转变为析出状态的钒，充分发挥钒的沉淀强化作用。

2. 细化晶粒

氮在钢中有明显的细化晶粒作用，高氮钒的相变比例比碳锰钢和低氮钒钢明显增加，增氮促进了碳氮化钒在奥氏体-铁素体相界面析出，起到了细化铁素体晶粒细化的作用。

3. 生产工艺路线

鱼雷罐-铁包-KR脱硫-转炉-吹氩站-连铸-加热炉-轧制-冷床-精整检验打捆入库

4. 合金理化指标

乌海包钢万腾钢铁有限公司炼钢厂生产HRB400E高强抗震钢筋时采用微氮合金+钒氮合金进行生产，物料理化指标见表1、表2。

表1 微氮合金理化指标

表2 钒氮合金理化指标

5. 生产工艺

装入制度:铁水105 t、废钢18 t；

采用5孔拉瓦尔氧枪，吹氧时间在12-13 min/炉；

终点碳含量0.06%-0.08%；

采用脱氧合金化：合金加入顺序硅铁、硅锰、增碳剂、钒氮合金、微氮合金；

吹氩站采用氮气底吹，底吹时间≥8 min；

连铸为165*165方坯，7机7流，半径为14 m的弧形连铸机，拉速控制在2.5-2.8 m/min；

加热炉采用步进式加热炉，加热段温度控制在850-870℃、均热度段温度控制在1120-1140℃；

轧制采用20架轧机（粗轧6架、中轧6架、预精轧6架、精轧2架），轧制速度从第一架0.45 m/s到第二十架14.12 m/s。

6. 合金配比及成本测算

按照V、C、N原子量进行理论计算（钒的原子量为51、碳的原子量为12、氮的原子量为14），以钢中钒为基数，为使钢中形成VN为目标，测算钢中氮含量控制在80-100 ppm；采用微氮合金+钒氮合金成分对比见表3：

表3 两种不同工艺成分对比表 %

采用微氮合金+钒氮合金进行配比，测算成本对比如表4、表5。

表4 优化前合金配比及成本测算

表5 改善后合金配比及成本测算

7. 力学性能及金相分析

本次试验生产共计10炉，具体力学性能对比如表6：

表6 力学性能控制对比表

微氮合金+钒氮合金试验炉次屈服强度、抗拉强度较正常炉次高11 Mpa、34 Mpa左右。

8. 金相分析

试验炉次取样进行金相分析，通过光学显微镜观察发现，钢材组织为铁素体+珠光体，晶粒度8.5-9.0级，无偏析现象、无边部晶粒粗大现象、魏氏组织0.5级。如图1：

图1 HRB400E试样显微组织

9. 结论

采用微氮合金+钒氮合金进行HRB400E生产，成本降低2.98元/t；对试验后的样品进行力学性能检测，屈服强度、抗拉强度较原工艺高11 Mpa、34 Mpa；通过显微镜观察，钢材组织为铁素体+珠光体，晶粒度8.5-9.0级，无偏析现象、无边部晶粒粗大现象、魏氏组织0.5级。