CN110343949A - 含有铌钒元素的hrb400e高强度抗震钢筋生产方法及钢材 - Google Patents

含有铌钒元素的hrb400e高强度抗震钢筋生产方法及钢材 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，根据待制备钢筋的各元素配比以及原料中各元素的含量计算出各原料的用量，并配好备用，将转炉摇至兑铁水位置，向其内加入废铁料，再加入铁水，进行两次吹炼，吹炼至炉内钢水温度为1670～1680℃，且铁水中C元素含量大于等于0.06％、P元素含量小于等于0.035％且S元素含量小于等于0.040％，进行出钢并镇定5～10min得到钢锭；依次进行连铸和轧制，得到铌钒微合金化HRB400E高强度抗震钢筋；本发明在保证钢筋强度的前提下，降低高强度抗震钢筋中的V元素使用量，进而降低了生产成本。

Description

含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法及钢材
【技术领域】
本发明属于钢铁冶炼和金属材料加工与成型技术领域，尤其涉及一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法及钢材。
【背景技术】
高强度抗震钢筋是指335以上强度的螺纹钢，目前钢铁行业HRB400E高强度抗震钢筋用坯多采用钒氮或铌铁单独进行微合金化。
对于钒氮微合金化来讲，V元素加入，由于V元素的固溶温度一般低于钢材轧制温度，加入后使得晶粒长大粗化，V元素固溶的多，析出的少，其强化作用也不明显。另外，近年来随着环保压力的进一步增大，作为生产原料的钒氮合金价格一路飙升，从2016年的13万元/吨，到2018年的48万元/吨，使得V微合金化HRB400E工艺生产的钢材合金成本偏高，不利于企业实现降本增效。
对于铌铁微合金化来讲，Nb元素加入，会降低相变点，增加形核驱动力，使铁素体和贝氏体相变在较低的温度下进行，从而形成超细组织，而Nb在奥氏体中溶解量有限，使得强化作用受到限制。另外，在生产过程中，为了保证Nb的碳氮化物充分溶入奥氏体中，需较高的钢坯加热温度，导致钢坯的氧化烧损较高，且出现连铸坯裂纹，有时存在钢筋屈服点不明显等现象。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法及钢材，在保证钢筋强度的前提下，降低高强度抗震钢筋中的V元素使用量，进而降低了生产成本。
本发明采用以下技术方案：一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，包括以下步骤：
根据待制备钢筋的各元素配比以及原料中各元素的含量计算出各原料的用量，并配好备用，其中待制备钢筋的各元素重量百分比为C：0.22～0.25％，Si：0.45～0.70％，Mn：1.30～1.45％，0＜V≤0.015％，0＜Nb≤0.025％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe，且各元素的重量百分比之和为100％；
将转炉摇至兑铁水位置，向其内加入废铁料，再加入铁水，摇正转炉至吹炼位置；调整氧枪至其出氧口和铁水液面之间距离为0.8～1.0m，向转炉内部吹入氧气，同时向转炉内加入部分造渣剂，进行第一阶段吹炼，时间为7～8min；
向转炉内加入剩余造渣剂，同时调整氧枪至其出氧口和铁水液面之间距离为1.4～1.6m进行第二阶段吹炼，吹炼至炉内钢水温度为1670～1680℃，且铁水中C元素含量大于等于0.06％、P元素含量小于等于0.035％且S元素含量小于等于0.040％；
进行出钢：对钢包进行底部吹氩，当钢包内铁水达到1/4容量时，向其中依次加入硅铁合金、硅锰合金、钒氮合金和铌铁合金，直至钢包内铁水达到3/4容量时，加完全部合金，镇定5～10min得到钢锭；
将钢锭依次进行连铸和轧制，得到铌钒微合金化HRB400E高强度抗震钢筋。
进一步的，第一次加入造渣剂的量为造渣剂总质量的2/3，第二次加入造渣剂的量为造渣剂总质量的1/3。
进一步的，在出钢时，先向钢包底部加入第一部分增碳剂，并在出钢完成前，加入第二部分增碳剂，第一部分增碳剂与第二部分增碳剂的重量比为2：(3～3.5)。
进一步的，轧制过程中均热段加热温度为1130～1170℃，加热时间为40～60min。
进一步的，铌铁合金采用牌号FeNb60-B合金。
本发明的另一种技术方案：一种含有铌和钒的高强度抗震钢材，抗震钢材中各元素的重量百分比为：
C：0.22～0.25％，Si：0.45～0.70％，Mn：1.30～1.45％，0＜V≤0.015％，0＜Nb≤0.025％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe，且各元素的重量百分比之和为100％。
本发明的有益效果是：本发明通过在钢中加入部分低价的铌元素替代原有部分高价的钒元素，较V微合金化HRB400E或Nb微合金化HRB400E生产吨钢合金成本降低约30元以上；而且，结合V微合金化HRB400E高强抗震钢筋生产工艺和Nb微合金化HRB400E高强抗震钢筋生产工艺的优缺点，在铌和钒元素加入钢中后，均可以形成碳氮化物，NbC、NbN、V(C，N)，起到沉淀强化作用，由于Nb的完全固溶温度较高，需要较高的均热温度，而V的固溶温度低，因此，Nb、V同时添加钢中，不仅可以起到沉淀强化的作用，还可以起到细化晶粒的作用，从而既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，保证钢材性能和质量，以使产品符合新国标GB/T1499.2-2018要求。
【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。
本发明在现有HRB400E高强抗震钢筋用坯生产过程中，通过添加铌元素替代部分钒元素共同进行微合金化，该方法制得HRB400E高强度抗震钢筋用坯成本大幅降低，Nb、V同时添加钢中，不仅可以起到沉淀强化的作用，还可以起到细化晶粒的作用，从而既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性。
本发明公开了一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，包括以下步骤：
根据待制备钢筋的各元素配比以及各原料中各元素的含量计算出各原料的用量，并配好备用，其中待制备钢筋的各元素重量百分比为C：0.22～0.25％，Si：0.55～0.70％，Mn：1.30～1.45％，0＜V≤0.015％，0＜Nb≤0.025％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe，且各元素的重量百分比之和为100％。
配料完成后，将转炉摇至兑铁水位置，先向其内加入废铁料后，再加入铁水，加入铁水后，摇正转炉至吹炼位置。通过加入废铁料可以实现废铁的二次利用，降低了成本，并且，先加入废铁料后加入铁水，可以通过后面加入的铁水浇到前面加入的废铁料上，利用铁水的温度来融化废铁料，有效降低能耗，相比于先加入铁水后加入废铁料，废铁料融化的更加充分，也避免了向铁水中加入废铁料时产生铁水飞溅的情况，提升了操作工的安全系数。
向转炉中加入铁水后，降低转炉中氧枪的位置，并向转炉内部吹入氧气，即恒压变枪操作，此时，氧枪与铁水表面之间的距离在0.8～1.0m，同时，为了去除铁水以及废铁料中的C、O、P、S以及气体，即去夹杂，向炉内加入第一部分造渣剂，进行第一阶段吹炼。本发明中造渣剂选用石灰、高镁灰和烧结矿的混合物。
在第一段吹炼过程中，有足够的氧气条件下，在转炉内的铁水会持续升温直至把废铁料完全融化，降低氧枪是为了给铁水提供充足的氧气，保证初期渣早化，过程渣化透，一般情况下，该阶段氧枪与铁水的温度保持在1m左右，该阶段的时间一般为7～8min。
第一阶段吹炼反应后，转炉内的废铁料已基本完全融化成铁水，与加入的铁水融为一体，此时，向炉内加入剩余造渣剂，同时升起氧枪进行第二阶段吹炼，由于转炉内的废铁料已经基本融化，此时，对氧气的需求不是太大，所以，将氧枪提升，一般提升到1.4～1.6m左右，主要是保持转炉中的铁水温度，防止渣返干，该阶段的时间一般为4～5min。为了减少渣量，让渣尽快熔解，第一部分造渣剂为造渣剂总重量的2/3，第二部分造渣剂为造渣剂总重量的1/3。
现有技术中，对于吹炼来讲，由于对炼出铁水强度要求较低，并不会频繁的改变氧枪与液面之间的距离，一般氧枪与液面距离在1.2m左右，然而，本申请中通过对铁水的均匀性进行控制，进而提升产品的性能，将吹炼过程分为两个阶段，第一阶段降低氧枪的距离，使其在0.8～1.0m之间，这样提升供氧量，氧气损失量也减少，而且通过带有气压的氧枪可以给予铁水一定的压力，促使铁水轻轻流动，可以快速的熔炼其内的渣料。第二低阶升高氧枪距离，使其在1.4～1.6m左右，这样由于氧枪与液面的距离长，同等气压下，铁水不会在流动，使其保持在稳定状态。
在这个过程中，炉内会进行一些列反应，主要反应如下：
(1)Fe的氧化：
O2+2﹝Fe﹞＝2FeO ﹝O﹞+﹝Fe﹞＝FeO
(2)Si的氧化和还原：
2﹝O﹞+﹝Si﹞＝SiO2
﹝Si﹞+2(FeO)＝(SiO2)+2﹝Fe﹞
(SiO2)+2(FeO)＝(2FeO·SiO2)
(2FeO·SiO2)+2(CaO)＝(2CaO·SiO2)+2(FeO)
(3)Mn的氧化和还原：
O2+2﹝Mn﹞＝2MnO ﹝Mn﹞+﹝O﹞＝(MnO)
﹝Mn﹞+(FeO)＝(MnO)+﹝Fe﹞
(4)C的氧化和还原：
2(C)+O2＝2CO
(FeO)+O2＝(Fe2O3) (Fe2O3)+﹝Fe﹞＝3(FeO)
(FeO)＝﹝O﹞+﹝Fe﹞ ﹝C﹞+﹝O﹞＝CO
(5)脱P反应：
2﹝P﹞+5(FeO)＝(P2O5)+5﹝Fe﹞
3(FeO)+(P2O5)＝(3FeO·P2O5)
(3FeO·P2O5)+4(CaO)＝(4CaO·P2O5)+3(FeO)
2﹝P﹞+5(FeO)+4(CaO)＝(4CaO·P2O5)+5﹝Fe﹞
(6)脱S反应：
﹝FeS﹞＝(FeS) (FeS)+(CaO)＝(Cas)+(FeO)
﹝FeS﹞+(CaO)＝(Cas)+(FeO)。
在该阶段时，转炉内的铁水温度一般为1670～1680℃，总吹炼时间大概为10～15min，摇炉工将转炉摇到取样位置，进行测温取样，然后送至炉前化验室进行化验，合金工根据取样的量计算需要的各成分元素含量C、Si、Mn、V、Nb、S和P元素，并称取对应量的合金，进行后续检测，当检测结果中C元素含量大于等于0.06％、P元素含量小于等于0.035％且S元素含量小于等于0.040％时(S元素为合金中含杂质)，进行出钢操作。否则，通过氧枪对铁水进行局部点吹，直至满足要求。
在进行出钢操作时，将钢包车开至炉下，对钢包进行底部吹氩，压力为0.4～0.6MPa，由于该过程时间短，且增碳剂的加入量较大，在该过程中并不能一次性完成加入增碳剂，所以，先向钢包底部加入第一部分增碳剂，将转炉摇至炉后进行出钢，当钢包内铁水达到1/4容量时，钢包内基本被铁水覆盖，且此时钢包内的温度及其他条件都趋于稳定，向其中依次加入硅铁合金、硅锰合金、钒氮合金和铌铁合金，此时，合金加入后能与钢水快速反应，由于合金量大，一般情况下，直至述钢包内铁水达到3/4容量时，全部加完。并且，在出钢完成前，加入第二部分增碳剂，第一部分增碳剂与第二部分增碳剂的重量比为2：(3～3.5)。合金加入的顺序是根据其脱氧强度加入，以保证充分反应。
铌铁合金采用牌号FeNb60-B合金添加，FeNb60-B合金按照重量百分比，由以下组分组成：Nb：60～70％，C≤0.3％，Si≤3.0％，其余为Fe，控制杂质含量：P≤0.3％，S≤0.10％，各组分的重量百分比之和为100％。
V元素是通过钒氮合金添加，按照重量百分比，由以下组分组成：V：≥77.5％，N：≥12％，C：≤6.0％，Si≤1.5％，其余为Fe，控制杂质含量：P≤0.01％，S≤0.01％，各组分的重量百分比之和为100％。
C元素是通过增碳剂添加，按照重量百分比，由以下组分组成：C：88～90％，其余为杂质，各组分的重量百分比之和为100％。
Si元素是通过硅铁合金添加，按照重量百分比，由以下组分组成：Si：71～80％,Al≤1.5％，Ca≤1.0％，Mn≤0.5％，Cr≤0.5％，其余为Fe，控制杂质含量：P≤0.05％，S≤0.03％，各组分的重量百分比之和为100％。
Mn元素是通过硅锰合金添加，按照重量百分比，硅锰合金由以下组分组成：Mn：63～72％，Si：16～20％，C≤2.5％，其余为Fe，控制杂质含量：P≤0.,25％，S≤0.04％，各组分的重量百分比之和为100％。
出钢完成后，钢包车开出并让钢水镇静5～10分钟(压力：0.4～0.6MPa)，至此冶炼完成。
进行连铸时，将钢包吊至大包回转台装置，并带上长水口，浇筑成连铸坯，之后，将连铸坯运至棒材轧线，并送入加热炉内进行加热，均热段加热温度为1130～1170℃，加热时间为40～60min，加热后的钢坯进行粗轧、中轧和精轧，上冷床自然冷却至室温即得到铌钒微合金化HRB400E高强度抗震钢筋。
本发明的特点在于，用具有价格及性价比优势的铌铁替代部分钒氮合金，进行HRB400E高强度抗震钢筋用坯生产，在保证钢材质量满足新国标要求且稳定条件下，减少钒氮合金的加入量，降低合金成本，从而进一步降低生产成本。
本发明的特点还在于，因钢坯成分添加V、Nb两种元素，在铸坯结晶过程共同作用，不仅可以起到沉淀强化的作用，还可以起到细化晶粒的作用，从而既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，且降低了钢坯加热温度(均热温度平均降低30℃，吨钢煤气消耗降低4m3)，钢坯的氧化烧损减少，且连铸坯质量(裂纹)明显改善，钢筋屈服点明显。
本发明还公开了一种含有铌和钒的高强度抗震钢材，抗震钢材中各元素的重量百分比为：C：0.22～0.25％，Si：0.45～0.70％，Mn：1.30～1.45％，0＜V≤0.015％，0＜Nb≤0.025％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe，且各元素的重量百分比之和为100％。
实施例1：
本实施例为制备Φ25mmHRB400E高强度抗震钢筋。
步骤1，将120吨转炉摇至兑铁水位置，天车将配好的30吨废钢通过废钢斗吊至转炉前加入。将铁水包吊至炉前，将125吨铁水兑入炉内；将转炉摇正至吹炼(吹氧气)位置。
步骤2，开始降低氧枪，恒压变枪(压力)操作，在降低氧枪的同时向炉内加入造渣剂(石灰40kg/t、高镁灰20kg/t、烧结矿5kg/t)，继续吹氧，吹4～7分钟，加入第二批造渣剂，继续吹氧3～4分钟，总共12吹氧分钟，前期枪位较低(水平位置不变，高度调整至距钢水液面1m处)，保证初期渣早化，过程渣化透，后期提高枪位(水平位置不变，高度调整至距钢水液面1.4m处)，防止渣返干。
步骤3，吹炼12分钟后，将氧枪提起，摇炉工将炉子摇至取样位，测温取样并送炉前化验室进行化验，将炉子摇正。
步骤4，合金工根据成分要求：HRB400E高强度抗震钢筋，按照重量百分比，称取下列组分：C：0.23％，Si：0.60％，Mn：1.35％，V：0.012％，Nb：0.020％，S：0.035％，P：0.040％，计算出各种合金加入量要求：增碳剂：206kg，钒氮合金25kg、铌铁50kg、硅铁合金653kg、硅锰2856kg，并称量到位。
其中铌铁合金：Nb：65％，钒氮合金V：78％，增碳剂C：90％，硅铁合金Si：75％,硅锰合金Mn：65％、Si：18％。
步骤5，成分温度检测结果：C：0.11％、P：0.032％、S：0.029％、T：1680℃，符合要求，将炉子摇至炉后出钢，将坐落钢包的钢包车开至炉下，先加入增碳剂80kg在钢包包底，其余在出钢完成前加入，合金在出钢1/4(即钢包容量的1/4)时随钢流加入，合金加入顺序为硅铁合金、硅锰合金、钒氮合金、铌铁合金，钢水出至3/4时全部加完，倒铁水前并打开钢包底吹吹氩(压力：0.45MPa)。
步骤6，出钢完成后，钢包车开出并让钢水镇静6分钟(压力：0.5MPa)；以上冶炼完成。
步骤7，将钢包吊至大包回转台(装置)，并带上长水口，浇注成连铸坯。
步骤8，连铸坯运至棒材轧线，送入加热炉内进行加热，均热段加热温度为1150℃，加热时间为50min。
步骤9，加热后的钢坯进行粗轧、中轧和精轧，上冷床自然冷却至室温即得铌钒微合金化HRB400E高强抗震钢筋。
经测试，实施例1制备的钢坯化学成分见表1，钢筋参数见表2，钢材力学性能均合格。。
实施例2
制备Φ12mmHRB400E高强度抗震钢筋，具体按照以下步骤实施：
步骤1，将120吨转炉摇至兑铁水位置，天车将配好废钢(30吨)的废钢斗吊至转炉前加入；将铁水包吊至炉前，将125吨铁水兑入炉内；将转炉摇正至吹炼(吹氧气)位置；
步骤2，开始降低氧枪，恒压变枪(压力)操作，同时加入造渣剂(石灰38kg/t、高镁灰17kg/t、烧结矿5kg/t)，渣料分两批加入，第一批在降低氧枪的同时加入，第二批在升高氧枪的同时加入。
前期枪位较低(水平位置不变，高度调整至距钢水液面1m处)，保证初期渣早化，过程渣化透，后期提高枪位(水平位置不变，高度调整至距钢水液面1.5m处)，防止渣返干。
步骤3，吹炼12.5分钟后(第一阶段吹氧8分钟，第二阶段吹氧4.5分钟)，将氧枪提起，摇炉工将炉子摇至取样位，测温取样并送炉前化验室进行化验，将炉子摇正。
步骤4，合金工根据成分要求：HRB400E高强度抗震钢筋，按照重量百分比，称取下列组分：C：0.23％，Si：0.50％，Mn：1.35％，V：0.012％，Nb：0.020％，S：0.035％，P：0.040％，各种合金加入量要求：增碳剂：206kg，钒氮合金25kg、铌铁50kg、硅铁合金441kg、硅锰2856kg，并称量到位。
其中铌铁合金：Nb：65％，钒氮合金V：78％，增碳剂C：90％，硅铁合金Si：75％,硅锰合金Mn：65％、Si：18％。
步骤5，成分温度检测结果：C:0.10％、P：0.028％、S：0.026％、T：1670℃)，符合要求，将炉子摇至炉后出钢，将坐落钢包的钢包车开至炉下，先加入增碳剂80kg在钢包包底，剩余在出钢过程加入，合金在出钢1/4时随钢流加入，合金加入顺序为硅铁、硅锰、钒氮、铌铁，钢水出至3/4时全部加完，加入并打开钢包底吹吹氩(压力：0.45MPa)；
步骤6，出钢完成后，钢包车开出并让钢水镇静5.5分钟(压力：0.5MPa)；以上冶炼完成。
步骤7，将钢包吊至大包回转台(装置)，并带上长水口，浇注成连铸坯。
步骤8，连铸坯运至棒材轧线，送入加热炉内进行加热，均热段加热温度为1145℃，加热时间为45min；
步骤9，加热后的钢坯进行粗轧、中轧和精轧，上冷床自然冷却至室温即得铌钒微合金化HRB400E高强抗震钢筋。
经测试，实施例2制备的钢坯化学成分见表1，钢筋参数见表2，钢材力学性能均合格。
表3为实施例1得出的钢筋与钒氮微合金化钢筋的成本对比表，根据该表得知，实施例1中的合金成本相比于现有的钒氮微合金化钢筋的成本下降了23.0936元。表4是实施例2得出的钢筋与钒氮微合金化钢筋的成本对比表，根据该表得知，实施例2中的合金成本相比于现有的钒氮微合金化钢筋的成本下降了31.4126元。
表1
规格 C Si Mn S P V Nb
Φ25mm 0.23 0.60 1.35 0.027 0.026 0.012 0.020
Φ12mm 0.23 0.50 1.35 0.025 0.029 0.012 0.020
表2
表3
表4

Claims (6)

1.一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据待制备钢筋的各元素配比以及原料中各元素的含量计算出各原料的用量，并配好备用，其中待制备钢筋的各元素重量百分比为C：0.22～0.25％，Si：0.45～0.70％，Mn：1.30～1.45％，0＜V≤0.015％，0＜Nb≤0.025％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe，且各元素的重量百分比之和为100％；
将转炉摇至兑铁水位置，向其内加入废铁料，再加入铁水，摇正转炉至吹炼位置；调整氧枪至其出氧口和铁水液面之间距离为0.8～1.0m，向转炉内部吹入氧气，同时向转炉内加入部分造渣剂，进行第一阶段吹炼，时间为7～8min；
向转炉内加入剩余造渣剂，同时调整氧枪至其出氧口和铁水液面之间距离为1.4～1.6m进行第二阶段吹炼，吹炼至炉内钢水温度为1670～1680℃，且铁水中C元素含量大于等于0.06％、P元素含量小于等于0.035％且S元素含量小于等于0.040％；
进行出钢：对钢包进行底部吹氩，当所述钢包内铁水达到1/4容量时，向其中依次加入硅铁合金、硅锰合金、钒氮合金和铌铁合金，直至钢包内铁水达到3/4容量时，加完全部合金，镇定5～10min得到钢锭；
将所述钢锭依次进行连铸和轧制，得到铌钒微合金化HRB400E高强度抗震钢筋。
2.如权利要求1所述的一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，其特征在于，第一次加入造渣剂的量为造渣剂总质量的2/3，第二次加入造渣剂的量为造渣剂总质量的1/3。
3.如权利要求2所述的一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，其特征在于，在出钢时，先向所述钢包底部加入第一部分增碳剂，并在出钢完成前，加入第二部分增碳剂，所述第一部分增碳剂与第二部分增碳剂的重量比为2：(3～3.5)。
4.如权利要求3所述的一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，其特征在于，轧制过程中均热段加热温度为1130～1170℃，加热时间为40～60min。
5.如权利要求3或4所述的一种含有铌钒元素的HRB400E高强度抗震钢筋生产方法，其特征在于，所述铌铁合金采用牌号FeNb60-B合金。
6.一种含有铌和钒的高强度抗震钢材，其特征在于，所述抗震钢材中各元素的重量百分比为：
C：0.22～0.25％，Si：0.45～0.70％，Mn：1.30～1.45％，0＜V≤0.015％，0＜Nb≤0.025％，S≤0.045％，P≤0.045％，其余为Fe，且各元素的重量百分比之和为100％。
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