CN110343943A - 一种高氮合金强化剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，具体地，涉及一种高氮合金强化剂及其应用。本发明的高氮合金强化剂，其原料组成按重量百分比计包括：硅铁40～55％、硅锰合金30～40％、碳化硅4～6％和铁粉10～20％。进一步地，所述高氮合金强化剂的化学成分按重量百分比计包括：C：≤4.5％、Si：25～45％、Mn：10～15％、N：16～30％，其余为铁和不可避免杂质。本发明不改变现有冶炼与轧制设备，因而可降低合金成本，可在其他螺纹钢、H型钢生产企业中进行推广使用。实现了低价资源的综合利用，降低了钒合金的用量，提升了钢铁企业经济效益，降低因开采钒资源造成的环境压力。

Description

一种高氮合金强化剂及其应用

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体地，涉及一种高氮合金强化剂及其应用。

背景技术

螺纹钢筋新标准(GB/T 1499.2-2018)已于2018年11月1日实施，新标准增加了宏观金相组织、微观组织、截面维氏硬度的检验方法。新标准执行后轧后产生回火马氏体组织的余热淬火工艺(强穿水工艺)已被淘汰，若不进行多元合金优化组合(合金强化组合)与控轧控冷工艺优化改进，势必只能通过大幅度的提高钢中硅、锰、钒元素的含量来满足新标准对组织与性能的要求。近期钒氮合金价格一直偏高(目前钒氮合金价格超过20万)，每增加0.01％的钒，吨钢成本增加近34元；铌铁合金价格超过20万，每增加0.01％的铌，吨钢需要增加近40元)，硅、锰合金价格也有较大的上涨，对螺纹钢筋的生产成本带来了沉重的压力，降低钢中的铌、钒等含量，对节约钒、铌资源，提升我国钢铁企业经济效益，降低环境压力具有重要的现实意义。

在直条螺纹钢筋(直径12～32mm)传统生产工艺和设备条件下，提高钢筋强度的一般途径为：

1)结合控冷工艺，进行Nb、V、Ti、B等微合金化处理，增加析出强化(沉淀强化)效果；

2)提高C、Si、Mn、Cr等固溶强化元素的含量，提高固溶强化效果；

3)进行控制轧制与控制冷却，主要增加相变强化和细晶强化的效果。

螺纹钢筋新标准(GB/T 1499.2-2018)执行后，采用轧后余热淬火工艺(强穿水工艺)来增加相变强化和促进细晶强化的方法势必淘汰。因此在不添加或减少贵重金属铌和钒的基础上，利用相对廉价的合金元素代替贵重合金元素保证析出强化效果，优化组合固溶强化元素增加固溶强化效果，以及通过轧后控冷来保证细晶强化的效果，是大势所趋。在满足新国标性能与组织要求前提下，防止钢筋冷床锈蚀，是本发明工艺关键技术所在，此生产方法将有效提升钢铁企业的经济效益。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题，提供一种高氮合金强化剂及其应用。

本发明是一种集合钢水冶炼、铸坯加热、螺纹钢筋轧后控冷以及复合强化合金配制与使用的创新工艺。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

本发明提供的高氮合金强化剂，其原料组成按重量百分比计包括：原料主要包括硅铁40～55％、硅锰合金30～40％(硅含量16～19％，锰含量64～68％,其余为铁和杂质)、碳化硅4～6％和铁粉10～20％。

进一步地，本发明所述高氮合金强化剂的制备方法，包括以下步骤：

将原料进行粉碎研磨进行充分混合，进行压制料块，料块的规格本发明不做限定，可以本领域任意符合要求的规格，例如为40mm×50mm×50mm左右大小。

将料块放置在推板窑升温区的推板上，同时向窑体内通入氮气，在氮气保护的气氛下进行氮化处理，在1600-1650℃下高温加热处理后冷却处理，得到高氮合金。

根据本发明所述的高氮合金强化剂，其中，所述高氮合金强化剂的化学成分按重量百分比计为：C：≤4.5％(作为一种选择，C可以在1～4.5％)、Si：25～45％、Mn：10～15％、N：16～30％，其余为铁和不可避免杂质。

本发明的高氮合金强化剂加入一定量的碳化硅，组分含有一定的C，当窑体内通入氮气会发生合成Si₃N₄碳热还原反应，提高了高氮合金的氮含量。

本发明还提供了上述高氮合金强化剂在钢铁制备中的应用，尤其是在生产制备螺纹钢与H型钢方面的应用。

基于上述应用，本发明提供了一种钢的制备方法，包括以下步骤：

(a)铁水预处理；

(b)在铁水的S含量不超过0.015％，铁水温度不小于1280℃时，采用转炉初炼钢水；

(c)在钢水中P含量不超过0.020％时，向钢包出钢；

(d)在钢包出钢三分之一到一半时，向钢包内添加钡系脱氧剂，然后在硅锰合金添加至三分之一到四分之三时，开始加入VN合金和本发明的上述高氮合金复合强化剂，加入VN合金0.35～0.4kg/吨钢，调整钢水V含量为0.02～0.025％之间，其中，高氮合金复合强化剂加入量为0.3～0.7kg/吨钢；

(e)调整钢水Si含量为0.25～0.45％，Mn含量为1.35～1.60％；C含量为0.22～0.25％；

(f)对钢水进行软吹氩处理。

根据本发明所述的钢的制备方法，其中优选地，步骤(d)中采用0.5～1kg/t硅钙钡进行预脱氧；VN采用人工扔袋方式加入钢水下流处。

根据本发明所述的钢的制备方法，其中优选地，步骤(e)中采用硅锰、硅铁来控制钢水的Si含量，采用硅锰调整钢水的Mn含量，采用石墨增碳剂调整碳含量。

根据本发明所述的钢的制备方法，其中优选地，步骤(f)中钢水软吹氩时间不小于8分钟。

根据本发明所述的钢的制备方法，其中优选地，还包括在步骤(f)之后对钢水进行连铸浇注和连铸坯轧制的步骤，连铸坯加热时间控制在180分钟以内，均热温度不超过1200。初轧开轧温度控制在1100-1150℃之间，精轧开轧温度控制在900-1020℃之间，终轧温度控制在820-920℃之间。

根据本发明所述的钢的制备方法，其中优选地，连铸轧制后控制钢材上冷床回复温度(抛钢温度)在820～920℃。

本发明适用于任意种类的钢，尤其是螺纹钢与H型钢。例如但不限于，一种化学成分组成按重量百分比如下的螺纹钢：C：0.22～0.25％、Si：0.25～0.45％、Mn：1.35～1.60％、V：0.02～0.025％、P≤0.030％、S≤0.025％，其余为Fe和不可避免杂质。

具体地，本发明的关键工艺如下：

钢水在转炉完成冶炼后，吨钢加入0.5～1kg/吨钢钡系脱氧剂，若钢水有过氧化现象，如碳含量低于0.05％时，则可适当增加脱氧剂的量以降低钢中氧的含量。在转炉出钢过程中，当硅锰合金加入三分之一左右时，开始加入VN合金和0.3～0.7kg/吨钢高氮合金复合强化剂；钢水进入氩站后必须大氩气搅拌，时间不小于3分钟，以便均匀钢水的温度和成分；钢水成分控制在以下范围：C：0.22～0.25％、Si：0.25～0.45％、Mn：1.35～1.60％、V：0.02～0.025％、P≤0.030％、S≤0.025％；连铸坯加热时间控制在180分钟以内(若超过此时间必须降低加热段和均热段炉温至1000℃以下)，均热温度不超过1200℃；直径20～25mm的钢筋上冷床回复温度(抛钢温度)控制在830～900℃，12～18mm钢筋上冷床回复温度(抛钢温度)在820～900℃，28～40mm钢筋上冷床回复温度(抛钢温度)在840～920℃；

通过上述生产工艺所生产的钢筋屈服强度达到425～470MPa，强屈比(抗拉强度/屈服强度)达到1.38以上，其金相组织为珠光体+铁素体组织，钢筋轧后不生锈，表面质量良好，降低了钒氮合金的用量，相对原工艺，本工艺降低钢中钒含量0.01％以上；采用此工艺相对原加钒工艺，吨钢成本显著降低。

本发明的高氮合金复合强化剂还可以用于低合金高强H型钢，其炼钢工艺与螺纹钢的生产工艺相同，钢水成分控制在以下范围：C：0.16～0.20％、Si：0.25～0.45％、Mn：1.35～1.50％、V:0.015～0.020％、P≤0.025％、S≤0.020％，其余为Fe和不可避免杂质；连铸坯加热时间控制在200分钟以内，均热温度不超过1210℃；规格700×300mmQ345B的H型钢初轧开轧温度控制在1150～1200℃之间，精轧开轧温度控制在980～1050℃之间，终轧温度控制在850～920℃之间。

本发明具有如下一些优势：

①工艺操作简单，不改变现有冶炼与轧制设备，因而可降低合金成本，可在其他螺纹钢、H型钢生产企业中进行推广使用。

②实现了低价资源的综合利用，降低了钒合金的用量，提升了钢铁企业经济效益，降低因开采钒资源造成的环境压力。

该发明可降低螺纹钢筋、H型钢生产成本，大大提升整个螺纹钢筋、H型钢行业生产水平，值得进一步推广，可带来较好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的高氮合金复合强化剂应用时工艺关键控制点流程示意图；

图2为本发明实施例中制备的螺纹钢的金相组织图；其中，a、b为现有HRB400E钢，c、d为本发明的螺纹钢。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

以山东钢铁股份有限公司莱芜分公司50吨转炉为例，按以下操作工艺要点，各规格钢筋屈服强度在425MPa以上，强屈比在1.40以上，钢筋表面无锈蚀，具体如下：

1、现有HRB400E钢化学成分

现有HRB400E试验钢其成分见表1

表1 HRB400E试验钢筋成分控制(12～28mm钢筋)

2、炼钢连铸工艺控制要点

1)出钢前期必须加入含铝脱氧剂进行脱氧，若终点碳含量低于0.05％，则适当增加脱氧剂的量，至少增加20％。

2)出钢前期与中期必须大氮气搅拌，后期适当关小，以防出钢后期看不清造成下渣。

3)高氮合金强化剂在硅锰合金加入三分之一后及时加入(小规模试验用手投入，每小包10kg，正常量产后可高位料仓加入)，出钢后必须大氮气搅拌不小于3分钟；

高氮合金强化剂的原料组成按重量百分比计包括：硅铁粉45％、硅锰合金30％(硅锰合金中硅含量16％，锰含量68％)、碳化硅5％和铁粉20％。

3、轧制工艺控制要求

1)开轧温度：980-1080℃。

2)20～25mm直条钢筋上冷床回复温度(抛钢温度)控制在835-885℃，12～18mm直条钢筋上冷床回复温度(抛钢温度)控制在825～880℃，28、32mm钢筋上冷床回复温度(抛钢温度)控制在840～870℃。

4、实际生产情况

4.1实际成份控制

本实施例制备的试验钢实际成分控制见表2

表2试验钢筋实际成分控制(12～28mm钢筋)

2试验钢筋实际成分控制与之前成分相比，C、Si、Mn变化不大，但是V降低了0.01％，而且比较稳定。

4.2力学性能(12～28mm钢筋)

试验钢实际力学性范围完全满足企业标准，相对国标富余量较大，具体见表3

表3试验钢力学性能(12～28mm钢筋)

4.3金相组织

金相组织为珠光体+铁素体组织，完全符合新标准(GB/T 1499.2-2018)要求，见图2a～2d所示。从图中可以看出，钢筋基体组织为珠光体和铁素体，组织非常均匀，且无异常组织。本发明的钢筋表面质量与现有螺纹钢相比无明显差异。

实施例2

以山东钢铁股份有限公司莱芜分公司120吨转炉为例，按以下操作工艺要点，各规格H型钢屈服强度在375MPa以上，具体如下：

1、现有Q345B钢化学成分

现有Q345B试验H型钢钢其成分见表1

表1 Q345B试验H型钢成分控制(700×300mm)

2、炼钢连铸工艺控制要点

1)出钢前期必须加入含铝脱氧剂进行脱氧，若终点碳含量低于0.05％，则适当增加脱氧剂的量，至少增加20％。

2)出钢前期与中期必须大氮气搅拌，后期适当关小，以防出钢后期看不清造成下渣。

3)高氮合金强化剂在硅锰合金加入三分之一后及时加入(小规模试验用手投入，每小包10kg，正常量产后可高位料仓加入)，出钢后必须大氮气搅拌不小于3分钟；

高氮合金强化剂的原料组成按重量百分比计包括：硅铁粉50％、硅锰合金30％(硅锰合金中硅含量19％，锰含量64％)、碳化硅6％和铁粉14％。

连铸坯加热时间控制在200分钟以内，均热温度不超过1210℃；规格700×300mmQ345B的H型钢初轧开轧温度控制在1150-1200℃之间，精轧开轧温度控制在980-1050℃之间，终轧温度控制在850-920℃之间。

3、轧制工艺控制要求

1)开轧温度：1150-1200℃。

2)规格700×300mmQ345B的H型钢精轧开轧温度控制在980-1050℃之间，终轧温度控制在850-920℃之间。

4、实际生产情况

4.1实际成份控制

本实施例制备的试验钢实际成分控制见表2

表2试验钢实际成分控制(700×300mmQ345B)％

2试验钢实际成分控制与之前成分相比，C、Si、Mn变化不大，但是V降低了0.012％，成分控制也比较稳定。

4.2力学性能(700×300mmQ345B)

试验钢实际力学性范围完全满足企业标准，相对国标富余量较大，具体见表3

表3试验钢力学性能

4.3金相组织

700×300mmQ345B的H型钢金相组织为珠光体+铁素体组织，无异常组织。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种高氮合金强化剂，其特征在于，所述高氮合金强化剂的原料组成按重量百分比计包括：硅铁粉40～55％、硅锰合金30～40％、碳化硅4～6％和铁粉10～20％。

2.根据权利要求1所述的高氮合金强化剂，其特征在于，所述高氮合金强化剂的化学成分按重量百分比计包括：C：≤4.5％、Si：25～45％、Mn：10～15％、N：16～30％。

3.一种权利要求1或2所述高氮合金强化剂的制备方法，包括以下步骤：

将原料进行粉碎研磨进行充分混合，然后进行压制料块；

将块料放置在推板窑升温区的推板上，同时向窑体内通入氮气，在氮气保护的气氛下进行氮化处理，加热处理后冷却，得到高氮合金。

4.权利要求1或2所述高氮合金强化剂在钢铁制备中的应用。

5.一种钢的制备方法，包括以下步骤：

(a)铁水预处理；

(b)在铁水的S含量不超过0.015％，铁水温度不小于1280℃时，采用转炉初炼钢水；

(c)在钢水中P含量不超过0.020％时，向钢包出钢；

(d)在钢包出钢三分之一时，向钢包内添加钡系脱氧剂，然后在硅锰合金添加至三分之一时，开始加入VN合金和权利要求1或2所述高氮合金强化剂，调整钢水V含量为0.025～0.028％之间；

(e)调整钢水Si含量为0.25～0.45％，Mn含量为1.35～1.60％；C含量为0.22～0.25％；

(f)对钢水进行软吹氩处理。

6.根据权利要求5所述的钢的制备方法，其特征在于，步骤(d)中采用0.5～1kg/t硅钙钡进行预脱氧；VN采用人工扔袋方式加入钢水下流处。

7.根据权利要求5所述的钢的制备方法，其特征在于，步骤(e)中采用硅锰、硅铁来控制钢水的Si含量，采用硅锰调整钢水的Mn含量，采用石墨增碳剂调整碳含量。

8.根据权利要求5所述的钢的制备方法，其特征在于，步骤(f)中钢水软吹氩时间不小于8分钟。

9.根据权利要求5所述的钢的制备方法，其特征在于，还包括在步骤(f)之后对钢水进行连铸浇注和板坯轧制的步骤，连铸坯加热时间控制在180分钟以内，均热温度不超过1200℃。

10.根据权利要求9所述的钢的制备方法，其特征在于，连铸坯轧制后控制钢材上冷床回复温度在820～920℃。