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