采用鈮釩復(fù)合微合金化技術(shù)生產(chǎn)HRB400螺紋鋼

孫成翔，李 碩，王文輝

（唐山鋼鐵集團(tuán)長材部，河北唐山063020）

0 引言

釩元素在合金化過程中通過析出強(qiáng)化而細(xì)化晶粒，能夠提高鋼材強(qiáng)度和韌性，減少裂紋。同時，由于釩元素與氮元素結(jié)合能力強(qiáng)，從而減少鋼的時效應(yīng)變，因此釩元素成為鋼鐵行業(yè)合金化中的理想合金元素。

近年來，由于釩元素的廣泛應(yīng)用，釩氮合金、釩鐵合金需求量增加，價格暴漲，極不穩(wěn)定，因此開發(fā)其他元素代替部分釩元素參與合金化成為鋼鐵企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的有效方式。

鈮元素在元素周期表中與釩元素同屬一族，兩者具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，且世界資源豐富，價格穩(wěn)定。同時，鈮元素能夠通過沉淀強(qiáng)化[1]控制奧氏體晶粒尺寸，而在一定程度上細(xì)化奧氏體組織，改善鋼的韌性和抗疲勞性能，從而成為替代釩元素的研究首選。

為了降低HRB400的冶煉成本，增加效益，河鋼唐鋼二鋼軋廠決定開發(fā)鈮釩微合金化工藝，以用于生產(chǎn)HRB400。

1 生產(chǎn)條件

河鋼唐鋼二鋼軋廠生產(chǎn)HRB400條件如下：

1.1 工藝流程

65t BOF→165 mm×165 mm方坯連鑄機(jī)→棒材軋制φ12-φ25 mmHRB400鋼筋。

1.2 成分控制（見表1）

2 急需解決的問題

（1）由于C、N元素對Nb元素固溶起抑制作用，同時N元素對V元素析出強(qiáng)化起促進(jìn)作用，C、N、V、Nb四種元素的成分控制，決定著HRB400的性能，因此需要構(gòu)建一套穩(wěn)定的成分模型。

表1 微合金化成分表 /%

（2）鈮元素在中高碳鋼中溶解度低是限制鈮元素在長材產(chǎn)品中應(yīng)用的重要原因，也是本次研發(fā)急需解決的問題。

（3）鈮元素在中、高碳鋼的生產(chǎn)中，由于固溶鈮的存在，容易導(dǎo)致軋制過程中鋼筋微觀組織中的貝氏體含量增加[2]，無法滿足螺紋鋼新標(biāo)準(zhǔn)GB/T1499.2-2018要求，因此控制軋制條件，抑制貝氏體的產(chǎn)生是急需解決的問題。

3 設(shè)計方案

3.1 構(gòu)建化學(xué)成分模型

針對C、N元素對V、Nb兩種元素在合金化中不同的增抑效果，構(gòu)建一個穩(wěn)定的化學(xué)成分模型，以穩(wěn)定產(chǎn)品性能。

Nb在鋼筋中強(qiáng)化機(jī)制主要為細(xì)晶強(qiáng)化與沉淀強(qiáng)化。沉淀強(qiáng)化效果取決于Nb的溶入量。Nb在鋼中的溶解度遵從歐文公式：

式中，T為絕對溫度。

（1）C含量設(shè)計

由歐文公式可知，固定溫度下，隨著C元素的成分升高，Nb在鋼中的固溶度積升高[3]，因此，在保障鋼種成分符合規(guī)定的前提下，要控制鋼中C元素處于一個比較高的水平。因此設(shè)計C含量為0.22%～0.24%。

（2）N含量設(shè)計

利用該式計算，含0.22%C、100×10-6N的鋼在1 100℃時溶入量為0.009%左右。表明在我廠加熱能力條件下，Nb的溶解量較小，使之主要作用為固溶細(xì)晶強(qiáng)化。

通過專有氮氧混合吹煉工藝精確控制鋼中N含量80×10-6～120×10-6，在保障V元素與N元素析出強(qiáng)化的基礎(chǔ)上，限制N元素對Nb元素固溶強(qiáng)化的抑制作用。

（3）Nb成分設(shè)計

Nb的加入可以比V更有效地提高鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，因此加入少量的Nb代替部分V，能夠使鋼筋達(dá)到預(yù)定的強(qiáng)度水平。

根據(jù)上述分析，根據(jù)每0.001%Nb替代0.0015%V原理，設(shè)計HRB400鋼Nb含量為 0.008%～0.020%，結(jié)合目前φ12～φ25 mm成分控制情況，確定C、Mn、V、Nb 含量配比，構(gòu)建棒材成分模型，見表 2。

表2 HRB400化學(xué)成分控制/%

3.2 解決Nb在鋼中溶解度問題

Fe-Nb的熔點(diǎn)為1 580～1630℃，Nb在鋼液的溶解過程為吸熱反應(yīng)，高溫有利于Nb元素的溶解。Nb元素在鋼中溶解速度較慢，30 mm粒度溶解時間約200 s，為保障Nb元素的溶解，出鋼后溫度高于1 580℃，爐后攪拌時間大于200 s。

Nb元素的脫氧合金化在出鋼過程中進(jìn)行，Nb元素與O元素的親和力略高于Mn元素，預(yù)脫氧后吸收率穩(wěn)定，經(jīng)測算，Nb元素的平均吸收率為96%。

3.3 確認(rèn)開軋溫度

Nb鋼的軋制需控制加熱溫度、道次變形量和終軋溫度。確定加熱溫度的原則是能溶解一定量的Nb而不使奧氏體晶粒過于粗大，由歐文公式可知，適宜的均熱溫度在1 150～1 200℃。鑄坯長度方向溫差約40～60℃，因此開軋溫度控制在1 020～1 080℃。

4 實驗結(jié)果

4.1 成分及性能控制

批量生產(chǎn)前共進(jìn)行3次前期鈮鐵與氮化釩鐵微合金化試驗，氮化釩鐵參考加入量0.41 kg/t，Nb鐵加入量0.16 kg/t，過程嚴(yán)格執(zhí)行低合金工藝制度，試驗數(shù)據(jù)見表3。

試驗規(guī)格由φ12～φ25 mm，采用鈮鐵與氮化釩鐵復(fù)合微合金化，澆鑄過程順利，鑄坯成分全部命中控制目標(biāo)，平均C含量0.23%，平均Mn含量1.37%，平均V含量0.022%，平均Nb含量0.011%，

表3 試驗爐次數(shù)據(jù)

屈服強(qiáng)度分布范圍為425～455 MPa，平均443 MPa，抗拉強(qiáng)度分布范圍630～660 MPa，平均635 MPa，成分及性能穩(wěn)定且能夠滿足國標(biāo)要求。

開展小批量氮?dú)廨p處理工藝試驗，全部采用（Nb+VFe）替代（Nb+氮化釩鐵）的微合金化工藝，由圖1可以看出，包樣含量分布范圍80×10-6～118×10-6，平均 97×10-6，鋼水基礎(chǔ)氮含量提高 40×10-6～50×10-6，氮含量滿足釩氮最優(yōu)配比（3.64）。

圖1 包樣氮含量

4.2 軋制過程控制

加熱爐均熱段溫度1 150～1 195℃，開軋溫度1 025～1 080℃，棒材負(fù)差率穩(wěn)定控制在2.8%～6.2%，見表 4。

4.3 屈服平臺檢驗

物理檢驗表明，φ12～φ25 mm鈮釩微合金化鋼筋屈服點(diǎn)明顯，能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。圖2為φ12、φ16、φ22、φ25 試樣拉伸曲線圖。

4.4 金相組織分析

含鈮鋼φ12～φ25 mm試驗期間，抽取代表規(guī)格φ12 mm、φ25 mm進(jìn)行金屬顯微組織檢驗，試驗溫度25℃，濕度40%RH，檢測報告顯示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，見圖3。

開展小批量氮?dú)廨p處理工藝試驗，全部采用（Nb+VFe）替代（Nb+氮化釩鐵）的微合金化工藝，由圖4可以看出，包樣含量分布范圍80×10-6～118×10-6，平均 97×10-6，鋼水基礎(chǔ)氮含量提高 40×10-6～50×10-6，氮含量滿足釩氮最優(yōu)配比（3.64）。

4.5 棒材性能及屈服平臺

由圖5可得出，棒材屈服強(qiáng)度分布范圍432～480 MPa，平均452 MPa，抗拉強(qiáng)度分布范圍625～680 MPa，平均650 MPa，物理性能穩(wěn)定，符合新標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 不同規(guī)格溫度及負(fù)差控制

圖2 V、Nb復(fù)合拉伸曲線

圖3 微觀金相分析圖

圖4 包樣氮含量

5 結(jié)論

當(dāng)控軋工藝的Nb的固溶量為0.009%，能夠確保充分固溶，同時反推出V的加入量，成功構(gòu)建出鈮釩復(fù)合微合金化成分模型。控制鋼水氮含量穩(wěn)定在 80×10-6～115×10-6，使用鈮鐵替代部分釩鐵，進(jìn)行鈮釩微合金化，降低棒材成本56元/t。

圖5 棒材物理性能