賈怡晗，王清晨，曹長山，翁玉娟

（承德錦科科技股份有限公司,河北 承德 067102）

0 引言

釩是生產(chǎn)熱軋帶肋鋼筋最主要的微合金化元素，向鋼中加入釩的氮化物可有效提高鋼材的力學(xué)性能，因此近年來鋼鐵行業(yè)普遍采用釩氮合金（V77N16）、氮化釩鐵（FeV55N12 或FeV45N10）進(jìn)行釩的微合金化[1?4]。但隨著鋼筋產(chǎn)品的升級(jí)換代，鋼筋強(qiáng)度級(jí)別提高，微合金化加入的釩含量需要提高，而現(xiàn)有的釩氮合金和氮化釩鐵產(chǎn)品的N/V 值低（0.20～0.22），微合金化過程增釩時(shí)帶入的氮含量不足，不能滿足V 的析出強(qiáng)化需求，存在釩資源浪費(fèi)，釩微合金化成本高的弊端。通過對(duì)釩在鋼中析出強(qiáng)化機(jī)理的深入研究，承德錦科科技股份有限公司研發(fā)了高氮釩鐵合金，并與某鋼廠合作，共同對(duì)高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋進(jìn)行試驗(yàn)研究，大幅降低了HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋釩合金成本。

1 高氮釩鐵合金微合金化機(jī)理

高氮釩鐵合金（FeV30N14）是一種新型含氮釩合金，與釩氮合金比較具有比重大、N/V 高的特性，N/V 值達(dá)到0.45，是釩氮合金（0.20～0.22）的2 倍以上，在增V 量相同的情況下，增N 量也是釩氮合金的2 倍以上。鋼中的氮能與釩形成大量彌散的細(xì)小碳氮化釩粒子，通過析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化顯著提高鋼的強(qiáng)度，改善或保持鋼的良好塑性和韌性。鋼中氮含量提高，對(duì)促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體的生成，細(xì)化鋼的鐵素體晶粒非常有效，同時(shí)較高的氮含量可以促進(jìn)VN 在奧氏體區(qū)的析出，VN 析出越多，奧氏體晶粒就越細(xì)。氮可提高V(C，N)在奧氏體中析出的驅(qū)動(dòng)力，并且顯著促進(jìn)V(C，N)粒子在鐵素體區(qū)的相間析出。釩的析出量達(dá)到80%以上，V 的強(qiáng)化效果得到充分發(fā)揮。因此使用高氮釩鐵合金進(jìn)行微合金化可大幅度節(jié)釩，顯著提高鋼的析出強(qiáng)化效果，而且還能顯著控制強(qiáng)化作用。

2 試驗(yàn)條件

2.1 生產(chǎn)工藝流程

采用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋工藝流程如下：

鐵水包→轉(zhuǎn)爐→鋼包→吹氬→方坯連鑄→加熱爐→連軋機(jī)組→空冷→精整打包入庫。

使用高氮釩鐵代替釩氮合金進(jìn)行微合金化生產(chǎn)HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋，高氮釩鐵與釩氮合金的加入方法相同，即出鋼加入脫氧劑和硅錳合金后立即加入。

高氮釩鐵合金主要化學(xué)成分如表1 所示。

表1 高氮釩鐵合金FeV30N14 主要化學(xué)成分Table 1 Main chemical composition of high nitrogen ferrovanadium alloy %

2.2 鋼筋成分控制

根據(jù)高氮釩鐵合金微合金化機(jī)理，設(shè)計(jì)?28 mm～?32 mm 規(guī)格HRB500E 試驗(yàn)鋼筋成分控制如表2所示。試驗(yàn)工藝與原釩氮合金工藝成分要求相比，兩種工藝的C、Si、Mn 含量要求相同，試驗(yàn)工藝的V 含量平均值為0.070%，比原工藝平均值0.090%降低了0.020 個(gè)百分點(diǎn)，節(jié)釩22.2%。

表2 ?28 mm～?32 mm 規(guī)格HRB500 E 使用不同合金時(shí)的成分控制Table 2 Composition control of high nitrogen ferrovanadium and vanadium nitrogen alloy used in ?28 mm～32 mm HRB500E reinforcement bar

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 化學(xué)成分

采用高氮釩鐵合金試制生產(chǎn)?28 mm 規(guī)格HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋25 爐，?32 mm 規(guī)格HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋18 爐，實(shí)際成分如表3 所示。?28 mm 和?32 mm 兩個(gè)規(guī)格噸鋼使用高氮釩鐵合金（FeV30N14）2.333 kg，原工藝每噸鋼使用釩氮合金（VN16）1.169 kg，結(jié)合2021 年6 月份的高氮釩鐵合金和釩氮合金價(jià)格，使用高氮釩鐵合金微合金化工藝可比釩氮合金噸鋼降低釩合金成本17.98 元。

表3 高氮釩鐵合金化生產(chǎn)HRB500E 實(shí)際成分控制Table 3 Actual compositions control of HRB500E reinforcement bars produced by high nitrogen ferrovanadium alloy

3.2 力學(xué)性能

試樣力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示，由表4 可看出使用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E 抗震鋼筋，鋼筋屈服強(qiáng)度（ReL）、抗拉強(qiáng)度（Rm）、最大力下伸長率（Agt）、強(qiáng)屈比（Rm/ReL）、屈標(biāo)比（ReL/500）、正彎、反彎全部符合新國標(biāo)GB/T 1499.2?2018 要求，力學(xué)性能穩(wěn)定且有一定的余量。

表4 高氮釩鐵合金化生產(chǎn)HRB500E 的試樣力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)Table 4 Mechanical properties of HRB500E reinforcement bars produced by high nitrogen ferrovanadium alloying

3.3 鋼筋性能時(shí)效

對(duì)?28 mm 和?32 mm 規(guī)格HRB500E 各取10批同一位置力學(xué)分析試樣，力學(xué)性能時(shí)效情況如圖1～3 所示，從圖1～3 可以看出：2 個(gè)規(guī)格鋼筋都具有低應(yīng)變時(shí)效性，?28 mm 和?32 mm 規(guī)格時(shí)效15 天ReL均降低15 MPa，Rm分別降低2 MPa 和3 MPa，Agt分別提高0.7 個(gè)百分點(diǎn)和0.8 個(gè)百分點(diǎn)。之后力學(xué)性能基本不變，時(shí)效后的鋼筋強(qiáng)屈比和屈標(biāo)比更合理，抗震性能更好。

圖1 試樣ReL 時(shí)效Fig.1 ReL aging diagram of sample

圖2 試樣Rm 時(shí)效Fig.2 Rm aging diagram of sample

圖3 試樣Agt 時(shí)效Fig.3 Agt aging diagram of sample

3.4 鋼筋金相組織

對(duì)?32 mm 規(guī)格HRB500E 試驗(yàn)鋼材進(jìn)行金相組織分析，邊部、1/2 半徑和心部的金相組織均為珠光體+鐵素體，無異常組織，鋼筋晶粒度等級(jí)為10 級(jí)，如圖4 所示，晶粒度等級(jí)比使用釩氮合金提高1.0 級(jí)。

圖4 試樣顯微組織Fig.4 Microstructure of sample

3.5 鋼筋斷口形貌

鋼材拉伸試驗(yàn)斷口為韌性斷口，對(duì)斷口進(jìn)行電鏡掃描均為等軸韌窩，斷口正常，具體見圖5。

圖5 鋼筋斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of tensile sample

3.6 焊接性能

游離氮會(huì)降低焊接熱影響區(qū)的韌性，選擇合適的微合金化進(jìn)行固氮，高氮含量的含釩鋼可以獲得良好的低溫韌性。鋼材經(jīng)幫條焊后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊接鋼筋拉伸后均在母材斷裂，鋼筋縮頸顯著，均為韌性斷裂，使用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋焊接性能良好，具體見圖6。

圖6 鋼筋焊接后拉伸斷裂Fig.6 Tensile fracture of steel rebars after welding

3.7 疲勞壽命

分別取?28 mm 和?32 mm 規(guī)格HRB500E 鋼筋進(jìn)行疲勞壽命檢驗(yàn)，疲勞檢驗(yàn)200 萬次時(shí)未發(fā)生斷裂，滿足新國標(biāo)GB/T 1499.2?2018 疲勞壽命要求。

4 結(jié)論

1）與釩氮合金微合金化工藝相比，使用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E 高強(qiáng)抗震鋼筋可節(jié)釩22.2%，釩合金化噸鋼成本降低17.98 元。

2）使用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋，鋼筋力學(xué)性能全部符合新國標(biāo)GB/T 1499.2-2018 要求，性能穩(wěn)定且有一定的余量，鋼筋具有低應(yīng)變時(shí)效性，?28 mm 和?32 mm 規(guī)格時(shí)效15 天時(shí)ReL均降低15 MPa，Rm分別降低2 MPa 和3 MPa，Agt分別提高0.7 個(gè)百分點(diǎn)和0.8 個(gè)百分點(diǎn)。之后力學(xué)性能基本不變，時(shí)效后的鋼筋強(qiáng)屈比和屈標(biāo)比更合理，抗震性能更好。

3）使用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋，鋼筋金相組織為珠光體+鐵素體，鋼筋晶粒度等級(jí)為10 級(jí)。鋼材拉伸試驗(yàn)斷口均為等軸韌窩斷口，斷口正常。

4）使用高氮釩鐵合金微合金化生產(chǎn)HRB500E高強(qiáng)抗震鋼筋，鋼筋經(jīng)幫條焊后進(jìn)行拉伸均在母材斷裂，鋼筋縮頸顯著，均為韌性斷裂，焊接性能良好。疲勞檢驗(yàn)200 萬次時(shí)未發(fā)生斷裂，滿足新國標(biāo)GB/T 1499.2?2018 疲勞壽命要求。