CN102828000A - 一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线 - Google Patents

Abstract

一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，它包括有线芯和包覆钢带，其技术要点在于：包芯线的线芯由增钒剂、增氮剂和脱氧固氮剂三部分组成，各组分的粒度小于6mm，增钒剂是钒铁、氮化钒铁或五氧化二钒；增氮剂是氮化硅铁、氮化硅锰、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化硅、氮化铝或碳氮化钙；脱氧固氮剂是金属铝、钙、镁、钡中的至少一种或由它们组成的合金，还可包含有钛、锆、铌、锰、铬、硅、碳和铁中的一种或多种。本发明的包芯线，可使钢中的V/N比值更接近最佳比例，最大程度地发挥钒的强化作用，节约钒的资源，氮的回收率高，氮含量稳定，还兼有复合脱氧的作用，可降低钒氮微合金化的成本，提高钢材的质量。

Description

一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体地说是一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线。

背景技术

钒和氮的微合金化是生产低合金高强度钢（例如HRB400以上级别的螺纹钢）的主要方法。在含钒钢中添加氮元素，可在钢中形成钒的碳化物或氮化物，通过其沉淀析出强化和细化晶粒的双重作用，可大大提高钢材的屈服强度，并使钢材兼具良好的塑性、韧性和焊接性。

在对钢进行钒和氮的微合金化时，钢中的钒含量与氮含量的比值（简称钒氮比V/N）对钢材的性能有很大的影响。在钢中钒含量不变的情况下，随着氮含量的提高（相应V/N比值降低），钢材的屈服强度明显提高。当V/N比值达到理想化学配比3.64时（相当于原子比1:1），钒能最大程度的析出，从而达到最佳的强化效果。若V/N比值超过3.64，则有部分钒仍固溶于钢中，未能起到沉淀析出的作用。因此若能提高钢中氮的含量，使钢中V/N比值降到3.64以下，就可利用廉价的氮元素来提高钒的利用率，在提高钢材强度的同时，降低钢中的钒含量，从而达到节约昂贵的钒资源，降低炼钢成本的目的。

目前，对钢水进行钒和氮的微合金化的方法主要有三种：一是添加钒氮合金（又称氮化钒），二是添加氮化钒铁，三是在添加钒铁的同时添加氮化硅铁合金。但是，这三种方法都存在着一定的缺陷。

（1）钒氮合金：是用五氧化二钒经过真空碳还原和氮化的方法制得的钒的氮化物。钒氮合金的钒含量比较高，一般在76%到80%，而氮含量一般在12%到16%之间，因此V/N比值在6.5到5之间。其缺点一是V/N比值过高；二是钒氮合金密度较小，将块状钒氮合金加入钢水中后，会漂浮在钢水的上面，造成部分钒氮合金烧损，钒和氮的回收率都比较低，特别是氮的回收率仅40%到50%，比钒的回收率80%要低很多，进一步加大了钢中的V/N比值。因此单独使用钒氮合金，钒的利用率并不高。中国专利CN1818086A提出了一种将钒氮合金粉末制成包芯线的专利，此方法虽然可以提高钒氮合金的回收率，但该专利的包芯线中只含有钒氮合金及少量铌钛合金，没有添加富氮合金，因此，使用该专利所述的包芯线对钢水进行微合金化时，若要增加钢中的氮含量，就必须同时增加钒含量，不能调整钢中V/N比值至最佳比例，钒的利用率仍比较低。

（2）氮化钒铁：是用钒铁经过氮化处理后制得的合金。氮化钒铁中含40%左右的铁，钒含量在40%~45%，氮含量在9%到13%。它的V/N比值在4.5左右，比较接近最佳钒氮比，而且密度也比钒氮合金要高，因此，从理论上说，添加氮化钒铁对钢进行微合金化时，氮的回收率应该比钒氮合金要高一些。但是，实践证明，添加氮化钒铁时氮的回收率反而低于钒氮合金。原因在于，氮化钒铁中所含的氮，有一部分氮不是固溶于合金中的，而是以气态吸附于合金中的，这部分氮受热后会变成气体从钢水中冒出，很难溶解在钢水中，因此氮的回收率并不高，再加上氮化钒铁中的氮含量波动较大，因而钢中的氮含量不稳定，导致成品钢材的屈服强度出现较大波动，难以控制钢材质量。

（3）添加钒铁和氮化硅铁：中国专利CN1405351A提出了分别加入块状的富氮合金和含钒合金进行钒和氮的微合金化的方法，其目的是靠富氮合金来增加氮含量，降低V/N比值。该专利所述的添加富氮合金和含钒合金的方法，是在出钢的过程中随脱氧合金一起加入钢水中。这种添加方法存在三个问题，一是由于块状的富氮合金密度较低，甚至低于炉渣的密度，加入钢水中后会漂浮在钢渣上面，造成部分合金烧损；二是富氮合金熔点较高，导热性差，且与钢水不浸润，加入钢水中后，块状合金在钢水中的熔化速度很慢，仅靠出钢过程中钢水的冲击搅拌难以使富氮合金分散进入钢水中；三是出钢时钢水脱氧不彻底，含氧量较高，块状合金表面易生成氧化物的膜，进一步降低了氮在钢水中的溶解度和扩散速度；这三个缺陷造成富氮合金中的大部分氮变成氮气泡从钢水中冒出，很难溶解在钢水中，导致氮的回收率偏低，且不稳定，一般在20%到50%之间波动。因此富氮合金的使用量较大，增氮成本较高。同时，钢中氮含量不稳定，会导致成品钢材的屈服强度出现较大波动，难以控制钢材质量。这一点对抗震钢筋的生产尤为不利。这是因为抗震钢筋对钢材屈服强度的波动范围有更为严格的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线。

本发明的目的是这样实现的：它包括有线芯和包覆钢带，其特征在于：线芯由以下成份组成，其各组分粒度小于6mm且在线芯总重中所占的重量百分比分别为：

含钒的铁合金或钒氮合金或钒的氧化物作为增钒剂，50%～80%；

含氮而不含钒的富氮合金作为增氮剂，10%到40%；

由强脱氧金属、合金或化合物组成的脱氧固氮剂，5%到25%。

各组分粒度优选小于2mm。

增钒剂是钒铁、氮化钒铁或五氧化二钒。

增氮剂是氮化硅铁、氮化硅锰、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化硅、氮化铝或碳氮化钙。

脱氧固氮剂是金属铝、钙、镁、钡中的至少一种或由它们组成的合金。

所述的脱氧固氮剂除了含至少一种的金属铝、钙、镁、钡或由它们组成的合金外，还可包含有钛、锆、铌、锰、铬、硅、碳和铁中的一种或多种。

本发明的原理

（1）增氮剂的作用：本发明在增钒剂的基础上，添加了不含钒的增氮剂，使包芯线中的V/N比降低，并可通过调整增钒剂与增氮剂的配比来调整V/N比值，可使钢中的V/N比达到理想数值。单独添加不含钒的增氮剂，使V/N比降低，是本发明与中国专利CN1818086A的主要区别；

（2）脱氧固氮剂的作用：钢水中的氧含量和氮含量存在着竞争的关系，氧高则氮低，氧低则氮高。同时，富氮合金大多熔点高，且与钢水不浸润，因而块状的富氮合金在钢水中的熔化速度较慢。本发明采用的脱氧固氮剂主要由铝、钙、镁、钡等低熔点金属或合金组成，对于钢水来说属于强脱氧剂。脱氧固氮剂的作用有三：一是铝、钙、镁、钡等低熔点合金可在高温下与富氮合金形成互熔体，可降低富氮合金的熔点，促进富氮合金在钢水中的分解，增加富氮合金与钢水的浸润性；二是铝、钙、镁、钡的金属及合金属于强脱氧剂，它们能与钢水中的氧起反应生成复合氧化物，并上浮至钢渣中，起到复合脱氧的作用，在进一步降低钢水中氧含量的同时，可增加氮的溶解度；三是组成脱氧固氮剂的合金元素铝、钙、镁、钡及钛、锆、铌、锰、铬等是降低氮在钢水中的活度系数的元素，添加这些元素可提高氮在钢水中的溶解度。

（3）包芯线的作用：氮在钢水中的溶解度比较低，1600度时仅0.04%左右，当钢水中的氮含量超过其溶解度时，氮会变成氮气泡而从钢水中冒出，这是导致氮的回收率低且不稳定的主要原因。本发明将增钒剂、增氮剂以及脱氧固氮剂破碎成粉末，按配比混合均匀后，做成包芯线喂入钢水中，由于钒、铝、锰、钙、镁等固氮元素在钢水中的溶解，在钢水的局部会出现固氮元素的高浓度区域，因而在这个区域中氮的溶解度会大大提高，也就是说，钒铁及脱氧固氮剂的熔化可促进氮在钢水中的溶解。但前提条件是增钒剂、增氮剂和脱氧固氮剂必须以小于6mm的粒度均匀混合在一起后在钢水中熔化。若将含钒和氮的合金以大于6mm的块状分别添加于钢水中，由于钒铁密度大而富氮合金密度小，则钒铁的熔化区域与氮的熔化区域不在一起，固氮的效果要差的多。包芯线的作用首先是将粉末态的合金喂入钢水中，在气体搅拌的作用下，使混合后的合金粉末能够分散进入钢水中快速熔化；其次是可以让包芯线中的粉料在钢水深处熔化，在钢水静压力作用下，形成氮气泡的压力增加，相当于提高了氮的溶解度，因而能进一步提高氮的回收率。

采用本发明产生的积极效果

1．通过调整增钒剂与增氮剂的配比，可调整钢中的V/N比值，使其更接近最佳比例，可最大程度地发挥钒的强化作用，实现节约钒资源，降低炼钢成本的目的。

2．氮的回收率可提高到80%以上，增氮剂添加量减少，可进一步降低炼钢成本；

3．钢中氮含量稳定，因而使得钢材的性能稳定，特别适合抗震钢筋的生产。

本发明的包芯线兼有复合脱氧的作用，可替代部分脱氧合金，降低炼钢成本。

具体实施方式

实施例1：将50钒铁、氮化硅铁、硅钙合金破碎成粒度小于6mm，按钒铁占60%，氮化硅铁占20%，硅钙合金占20%的比例配料并混合均匀，然后将其制成包芯线。在转炉中冶炼20SiMn钢，在转炉出钢过程中，对钢水进行预脱氧和合金化，然后将钢包送入钢包精炼炉或吹氩站，用喂线机将上述包芯线以3米/秒的速度喂入钢包中，加入量按包芯线内粉末重量1.2公斤/吨钢水计算，在喂线的同时向钢水中吹入氩气进行搅拌，喂线结束后继续搅拌1分钟，然后取样出钢。实测钢水中的钒含量为0.034%，氮含量为0.0101%。

实施例2：将钒氮合金、氮化硅锰和金属铝粉破碎成粒度小于6mm，按钒氮合金占75%，氮化硅锰占15%，铝粉占10%的比例配料并混合均匀，然后将其制成包芯线。在转炉中冶炼20SiMn钢，在转炉出钢过程中，对钢水进行预脱氧和合金化，然后将钢包送入钢包精炼炉或吹氩站，用喂线机将上述包芯线以3米/秒的速度喂入钢包中，加入量按包芯线内粉末重量0.65公斤/吨钢水计算，在喂线的同时向钢水中吹入氩气进行搅拌，喂线结束后继续搅拌1分钟，然后取样出钢。实测钢水中的钒含量为0.035%，氮含量为0.0109%。

实施例3：将50钒铁、氮化硅铁、硅钙合金和金属铝粉破碎成粒度小于2mm，按钒铁占63%，氮化硅铁占22%，金属铝粉占10%，硅钙合金占5%的比例配料并混合均匀，然后将其制成包芯线。在转炉中冶炼20SiMn钢，在转炉出钢过程中，对钢水进行预脱氧和合金化，然后将钢包送入钢包精炼炉或吹氩站，用喂线机将上述包芯线以3米/秒的速度喂入钢包中，加入量按包芯线内粉末重量1.1公斤/吨钢水计算，在喂线的同时向钢水中吹入氩气进行搅拌，喂线结束后继续搅拌1分钟，然后取样出钢。实测钢水中的钒含量为0.033%，氮含量为0.0096%。

实施例4：将50钒铁、氮化硅铁和钝化碳化钙破碎成粒度小于2mm，按钒铁占67%，氮化硅铁占27%，钝化碳化钙占6%的比例配料并混合均匀，然后将其制成包芯线。在转炉中冶炼20SiMn钢，在转炉出钢过程中，对钢水进行预脱氧和合金化，然后将钢包送入钢包精炼炉或吹氩站，用喂线机将上述包芯线以3米/秒的速度喂入钢包中，加入量按包芯线内粉末重量1.6公斤/吨钢水计算，在喂线的同时向钢水中吹入氩气进行搅拌，喂线结束后继续搅拌1分钟，然后取样出钢。实测钢水中的钒含量为0.052%，氮含量为0.0151%。

实施例5：将钒氮合金、氮化硅锰和金属铝粉和钛铁破碎成粒度小于6mm，按钒氮合金占70%，氮化硅锰占15%，铝粉占10%，钛铁占5%的比例配料并混合均匀，然后将其制成包芯线。在转炉中冶炼20SiMn钢，在转炉出钢过程中，对钢水进行预脱氧和合金化，然后将钢包送入钢包精炼炉或吹氩站，用喂线机将上述包芯线以3米/秒的速度喂入钢包中，加入量按包芯线内粉末重量0.65公斤/吨钢水计算，在喂线的同时向钢水中吹入氩气进行搅拌，喂线结束后继续搅拌1分钟，然后取样出钢。实测钢水中的钒含量为0.034%，氮含量为0.0106%。

需要指出的是，上面的实施例并没有涵盖本发明的全部内容。

Claims (6)

1.一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，它包括有线芯和包覆钢带，其特征在于：线芯由以下成份组成，其各组分粒度小于6mm，且在线芯总重中所占的重量百分比分别为：

含钒的铁合金或钒氮合金或钒的氧化物作为增钒剂，50%～80%；

含氮而不含钒的富氮合金作为增氮剂，10%到40%；

由强脱氧金属、合金或化合物组成的脱氧固氮剂，5%到25%。

2. 根据权利要求1所述的冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，其特征是：各组分粒度优选小于2mm。

3.根据权利要求1所述的冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，其特征是：增钒剂是钒铁、氮化钒铁或五氧化二钒。

4.根据权利要求1所述的冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，其特征是：增氮剂是氮化硅铁、氮化硅锰、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化硅、氮化铝或碳氮化钙。

5.根据权利要求1所述的冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，其特征是：脱氧固氮剂是金属铝、钙、镁、钡中的至少一种或由它们组成的合金。

6.根据权利要求5所述的冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，其特征是：所述的脱氧固氮剂除了含至少一种的金属铝、钙、镁、钡或由它们组成的合金外，还可包含有钛、锆、铌、锰、铬、硅、碳和铁中的一种或多种。