微氮合金在HRB400E鋼中的試驗(yàn)研究

景琳琳， 周 詳

（陜西漢中鋼鐵有限責(zé)任公司煉鋼廠， 陜西 漢中 724200）

2017年末以來(lái)隨著鋼鐵合金資源日益緊缺，尤其是進(jìn)入2018年后，合金價(jià)格呈直線上漲，釩氮合金價(jià)格最高為80萬(wàn)元/t，使得成本效益空間非常小。為了有效控制成本，漢鋼公司在確保鋼材性能各項(xiàng)指標(biāo)不變的前提下，引進(jìn)新材料，改善工藝，優(yōu)化合金結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步改善鋼材組織，穩(wěn)定鋼材性能，從而降低氮化釩、硅錳、硅鈣鋇等貴重合金的消耗[1]，并在HEB400E抗震螺紋鋼上試驗(yàn)成功，批量生產(chǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，HRB400E采用微氮合金優(yōu)化后螺紋鋼的成分、性能、組織等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，優(yōu)化合金結(jié)構(gòu)有效減少了合金的噸鋼消耗，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本，利潤(rùn)效益顯著。

1 優(yōu)化生產(chǎn)試驗(yàn)方案

為降低企業(yè)生產(chǎn)成本，通過(guò)對(duì)HRB400E螺紋鋼使用釩氮合金來(lái)調(diào)整、優(yōu)化合金結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)分析HRB400E成分、性能及鋼材組織的情況,提出了采用微氮合金生產(chǎn)HRB400E的試驗(yàn)方案,參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1499.1-2018要求對(duì)螺紋鋼成分、性能做進(jìn)一步完善優(yōu)化。

1.1 成分、性能優(yōu)化方案

成分、性能的優(yōu)化方案見(jiàn)表1和表2。

1.2 微氮合金

表1 HRB400E成分優(yōu)化方案

表2 HRB400E性能指標(biāo)優(yōu)化方案

試驗(yàn)用微氮合金粒度為5～40 mm，合金成分見(jiàn)表3。試驗(yàn)要求：經(jīng)過(guò)理論測(cè)算，優(yōu)化試驗(yàn)微氮合金加入量按60 kg/爐、70 kg/爐組織；煉鋼嚴(yán)格按規(guī)定的爐加入量配加微氮合金。

2 試驗(yàn)工藝條件

表3 微氮理化指標(biāo)

2.1 生產(chǎn)工藝流程

混鐵爐→120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→吹氬站→150方坯連鑄→步進(jìn)式加熱爐→18機(jī)架（粗、中、精軋機(jī)）→冷床→鋼筋經(jīng)檢驗(yàn)后打捆、包裝入庫(kù)。

2.2 煉鋼工序試驗(yàn)生產(chǎn)

試用條件與現(xiàn)有生產(chǎn)工藝條件一致，具體如下。

1）120 t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐采用留渣操作，冶煉時(shí)裝入量穩(wěn)定控制在155t（鐵水120~135t、廢鋼20~35 t），吹煉時(shí)轉(zhuǎn)爐的氧氣壓力為0.80~0.95 MPa，純供氧時(shí)間為13~15 min。終點(diǎn)溫度控制在1635~1658℃，平均出鋼溫度為1642℃。出鋼過(guò)程中，按合金在鋼中的氧化順序依次加入錳鐵合金、硅鐵合金、微氮合金、氮化釩合金、增碳劑，加入量按使用方案操作要求控制，平均出鋼量控制在146 t左右。

2）鋼水進(jìn)入吹氬平臺(tái)后保持1.5~2.0 min底吹強(qiáng)攪拌，同時(shí)根據(jù)成分和溫度來(lái)喂線、調(diào)溫。調(diào)整后的鋼水吊運(yùn)至八機(jī)八流150方坯連鑄。開(kāi)澆爐次中包溫度控制為1530~1555℃，過(guò)熱度控制在15~30℃，正常爐次中包溫度控制為1520~1545℃，過(guò)熱度控制在15~30℃，拉速控制為2.8~3.7 m/min。冶煉過(guò)程采用全保護(hù)澆注、自動(dòng)加渣裝置及液面自動(dòng)控制系統(tǒng)，鋼坯熱送至軋鋼工序。

按照試驗(yàn)方案，生產(chǎn)6爐HRB400E微氮合金試驗(yàn)鋼，冶煉成分全部合格，V回收率96.51%，成分及回收率見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)鋼成分控制

2.3 軋鋼工序試驗(yàn)生產(chǎn)

鋼坯熱送至軋鋼工序，在軋鋼1號(hào)棒線生產(chǎn)Ф28規(guī)格的熱軋螺紋鋼。鋼坯在加熱爐的溫度為：預(yù)熱段溫度850~950℃，加熱段溫度1060~1150℃，均熱段溫度1120~1150℃。開(kāi)軋溫度控制為（1000±20）℃，成品上冷床溫度控制為880~950℃。由計(jì)量檢驗(yàn)部門對(duì)鋼筋的外觀質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼筋的力學(xué)性能檢驗(yàn)，合格率100%。具體情況見(jiàn)表5。

表5 鋼材力學(xué)性能指標(biāo)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,螺紋鋼的化學(xué)成分符合企業(yè)內(nèi)控及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼材合格率100%。V、N元素收得率相對(duì)穩(wěn)定，V、N平均收得率為96.51%、86.8%。優(yōu)化后轉(zhuǎn)爐冶煉鋼水成分、鋼材成品的各項(xiàng)理化也均符合企業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)控制要求。

1）經(jīng)檢驗(yàn)采用微氮合金代替氮化釩合金后，V、N元素的收得率相對(duì)穩(wěn)定，鋼水的化學(xué)成分、鋼材的理化性能指標(biāo)合格率100%，均達(dá)到試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的控制要求。

2）通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)分析，加入10 kg的微氮合金可代替1 kg的氮化釩合金，而目前微氮合金的采購(gòu)價(jià)格2.06萬(wàn)元/t，氮化釩合金的采購(gòu)價(jià)格75萬(wàn)元/t，通過(guò)優(yōu)化可有效降低噸鋼生產(chǎn)成本約3～24元。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可確定微氮合金噸鋼加入量為0.4～0.5 kg/t，具體的噸鋼添加量要結(jié)合鋼筋的生產(chǎn)規(guī)格。

3 擴(kuò)大生產(chǎn)試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)的試驗(yàn)生產(chǎn)方案，自2018年8月份至10月份，采用微氮合金代替氮化釩合金總計(jì)生產(chǎn)HRB400E鋼97爐、鋼材約13718.4 t。鋼水熔煉成分合格率100%，成品成材率98.58%，綜合試驗(yàn)生產(chǎn)合格率為100%。

3.1 化學(xué)成分控制

統(tǒng)計(jì)分析97爐鋼的熔煉成分，均在方案要求內(nèi)控范圍之內(nèi)，熔煉成分合格率為100%。具體見(jiàn)表6。

表6 各規(guī)格產(chǎn)品熔煉成分統(tǒng)計(jì)

從控制要求看，Si和Mn熔煉成分控制范圍較大，從理論上分析認(rèn)為，合理的優(yōu)化控制成分，提高并穩(wěn)定C和Mn元素成分[2]，在保證熔煉成分及鋼材成品力學(xué)性能的前提下，進(jìn)一步減少煉鋼過(guò)程中貴重合金的加入量，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。

3.2 鋼材力學(xué)性能分析

為進(jìn)一步保證優(yōu)化合金后鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)滿足企業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，在不同生產(chǎn)線連續(xù)取不同規(guī)格的產(chǎn)品試樣160批統(tǒng)計(jì)分析，由結(jié)果看出，鋼材的屈服強(qiáng)度在430～485 MPa，抗拉強(qiáng)度在590～690 MPa，伸長(zhǎng)率在 19%～29%，強(qiáng)屈比在 1.08～1.21，具體值見(jiàn)下頁(yè)表7。下頁(yè)圖1為Φ12規(guī)格HRB400E各項(xiàng)力學(xué)性能的直方圖。

表7 各規(guī)格鋼材性能指標(biāo)

圖1 Φ12HRB400E各項(xiàng)力學(xué)性能直方圖

3.3 金相分析

按試驗(yàn)方案及生產(chǎn)檢驗(yàn)要求取樣分析鋼材的金相組織及相應(yīng)的電鏡分析。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察反饋結(jié)果為：鋼材的組織為鐵素體+珠光體，組織較細(xì)，沒(méi)有回火組織，晶粒度在9.5級(jí)以上。可見(jiàn)鋼中N元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加后，不僅加強(qiáng)沉淀強(qiáng)化作用，而且也對(duì)鋼材的晶粒細(xì)化有明顯作用[3]。從圖2、圖3的金相組織照片中可以看出，鋼材的金相組織主要由鐵素體、珠光體組成，其中鐵素體約占70%左右，珠光體占30%左右。一般情況下，鋼材中鐵素體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較多的則鋼材的韌性較好。

通過(guò)電鏡掃描觀察到添加微氮合金的鋼材微觀組織中存在第二相粒子析出物，其尺寸較未添加微氮合金的鋼材小得多，相對(duì)分布密度也較未添加微氮合金的高[4]。由此可以得出若是在鋼中較大面積上存在尺寸較?。?nm以下）、密度分布均勻且致密性高的含氮化合物的第二相粒子是確保提高微氮合金試驗(yàn)鋼鋼材性能強(qiáng)度的關(guān)鍵[5]。

表8 金相組織分析結(jié)果

圖2 Φ12HRB400金相組織（金相組織：鐵素體+珠光體，無(wú)回火組織，晶粒度10.5級(jí)）

圖3 Φ20HRB400晶粒尺寸（金相組織：鐵素體+珠光體，無(wú)回火組織，晶粒度10級(jí)）

3.4 效益分析

合金成本以釩氮合金75萬(wàn)元/t、硅錳合金9060元/t、硅鐵7210元/t價(jià)格計(jì)算，通過(guò)合金成本控制來(lái)計(jì)算使用微氮合金的效益，具體各規(guī)格成本變化情況如下：

1）Φ12 mm規(guī)格合金成本降低14.28元/t，起平均屈服強(qiáng)度451.7 MPa，性能比常規(guī)鋼升高4.1 MPa；

2）Φ14 mm規(guī)格合金成本降低24.31元/t，起平均屈服強(qiáng)度456.6 MPa，性能比常規(guī)鋼升高4.1 MPa；

3）Φ20 mm規(guī)格合金成本降低2.89元/t，起平均屈服強(qiáng)度455.1 MPa，性能比常規(guī)鋼升高4.7 MPa；

4）Φ25 mm規(guī)格合金成本降低36.62元/t，起平均屈服強(qiáng)度459 MPa，性能比常規(guī)鋼升高6.6 MPa；

5）Φ28 mm規(guī)格合金成本降低11.04元/t，起平均屈服強(qiáng)度454 MPa，性能比常規(guī)鋼升高15.8 MPa。

4 結(jié)論

1）通過(guò)不同規(guī)格產(chǎn)品的小批量試驗(yàn)和后續(xù)的擴(kuò)大試驗(yàn)可以得出，采用微氮合金替代部分氮化釩合金后，鋼種的V、N元素收得率穩(wěn)定，鋼的熔煉成分、鋼材的各項(xiàng)理化性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)，使用效果良好。

2）通過(guò)不同規(guī)格產(chǎn)品的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析，10 kg的微氮合金可替代1 kg的氮化釩合金，目前微氮合金的采購(gòu)價(jià)格為2.06萬(wàn)元/t，氮化釩合金的采購(gòu)價(jià)格為75萬(wàn)元/t，生產(chǎn)螺紋鋼時(shí)采用微氮合金替代氮化釩合金可降低噸鋼成本3～24元/t，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

3）從理化指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，鋼筋的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度指標(biāo)還存在富裕，熔煉成分尚有進(jìn)一步調(diào)整的空間，通過(guò)減少煉鋼過(guò)程中其他貴重合金的加入量，把鋼材的屈服強(qiáng)度控制在457 MPa左右，抗拉強(qiáng)度控制大于550 MPa，可以進(jìn)一步降低企業(yè)的生產(chǎn)成本。