氮化硅锰、钒氮合金生产HRB500E高强度抗震钢筋应用研究

体晶粒，充分发挥了沉淀强化和细晶强化的作用，大
大改善了钢的强韧性配合， 对高强度低合金钢强度 的贡献超过了 70%[3]， 充分体现了微合金化在技术
经济方面的优势。采用钒氮微合金化技术，在较低钒
含量下可获得高强度，明显节约钒用量，降低生产成
本。 目前，国外钒氮合金化技术在高强度钢筋、结构
钢板带、 非调质钢及高碳钢线棒材等产品中获得了
V/N 比明显高于理想化学配比，钒的固溶量仍偏高， 其强化效果未得到充分发挥，造成部分 V 资源的浪 费。 为了充分发挥钒的沉淀强化作用，昆钢采用了 氮化增强剂-氮化硅锰、 钒氮微合金化生产 HRB500， 通 过 加 入 适 量 增 氮 剂 的 方 式 ， 增 加 钢 中 总 氮含量 ，使钢中 V/N 比接 近理想化 学 配 比 ，充 分 发 挥钒的强化效果。试制过程中，分别对采用钒氮微合 金化及氮化硅锰、 钒氮微合金化工艺所生产的 HRB500 钢筋中钒的析出相进行了分析， 采用电解 萃取分离的方法分析了钢筋中 V 的析出相，通过 X 衍射光谱仪分析了析出相的种类。 V 的析出相定量 分析结果如表 2 所示。可以看出，采用钒氮合金生产 HRB 500 时 ， 钢 中 61.80%V 以 V (CN) 形 式 析 出 ，
收 稿 日 期 :2009-08-19 作 者简介:陈 伟 (1973- ),男,云 南 昆 明 人,高 级 工 程 师,博 士 生,主 要 研
究方向为钢铁新产品及冶金新工艺研发; 电 话 :0871-8602203;E-mail:kgchenwei@
研究和分析。 使生产成本同比降低 30 元 /t 材，经济 和社会效益显著。
广泛应用。
1.2 成分设计
采用钒氮合金、氮化硅锰生产 HRB500，成分设
计主要考虑两部分，一部分是常规元素含量， 一部
分是微合金元素 V 及钢中 N 的含量。 目前国内采 用钒氮合金化技术生产 HRB500，为保证钢的强度，
w(V)≥0.080%，大规 格钢 筋 w(V)≥0.100%，按 照 钢
Tab.1 Chemical composition control requirement of HRB500E high-strength earthquake-proof steel bars(wt,％ )
C
Si
Mn
P
S
V
N
≤0.25 ≤0.60 ≤1.57 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.080 0.014～0.016
在 R9m 5 机 5 流 小 方 坯 连 铸 机 上 采 用 全 程 保 护浇注，结晶器水量按 135～150 m3/h 控制，二冷 比 水 量 按 1.70～2.00 L/kg 控 制 ； 中 包 钢 水 过 热 度 按 15～25℃控 制 ； 采 用 典 型 拉 速 浇 注 ， 拉 速 按 2.2 ～ 2.4 m/min 控制。 通过对铸坯进行低倍组织和表面质 量检验，铸坯质量较好，满足轧制要求。 2.2Heat Treatment 材料热处理技术
氮化硅锰、钒氮合金生产 HRB500E 高强度 抗震钢筋应用研究
陈 伟 1,2, 施 哲 1, 赵 宇 2
(1.昆明理工大学 能源与冶金工程学院, 云南 昆明 650093; 2. 武钢集团 昆明钢铁股份公司 技术中心, 云南 昆明 650302)
《热加工工艺》 2010 年第 39 卷第 04 期
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材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2010 年 2 月
氮后促进了 V(CN)在奥氏体向铁素体转变期间在相界
面的析出，有效地阻止了铁素体晶粒长大，起到了细化
铁素体晶粒的作用。
钒氮微合金化通过优化钒的析出从而细化铁素
钢筋具有优异的抗震性能、低应变时效性、良好的焊接性能及高低温拉伸性能等优点，综合性能指标优异；通过增氮降
钒，钒氮合金加入量和常规钒氮微合金化工艺相比有所减少，生产成本同比降低 30 元 /t 材，经济和社会效益显著。 关键词：氮化硅锰； 钒氮合金； HRR500E 抗震钢筋； V(CN)； 效 益
中 图 分 类 号 ：TG142.41
中 V/N 比接近理想化学配比(V/N=3.64)有利于钒最
大程度析出的原则， 钢中总氮含量控制在 0.02%较
为适宜。 昆钢转炉冶炼工艺所生产的 HRB335 钢筋
中氮含量约 0.004%，采用 VN12 合金生 产 HRB500
时，每增加 0.010%的 V，N 含量增加约 0.0008%。 结
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2010)04-0035-05
Research of HRB500E High-strength Earthquake-proof Bars Produced by VN Alloy and MnSiN12 Process
CHEN Wei1,2, SHI Zhe1, ZHAO Yu2
合昆钢实际生产情况及 GB1499.2-2007 标准相关规
定 ， 试 制 过 程 中 HRB500 钢 中 总 氮 含 量 控 制 为
0.014%～0.016%。
根据相关研究和实际控制情况， 提出了 HRB500
高强度抗震钢筋化学成分控制要求见表1。
表 1 HRB500E 高强度抗震钢筋化学成分 (质量分数，％ )控制要求
目前，按常规工艺加入 VN12 合金生产 HRB500，钢 中 w (V)>0.080% ，w (N) =0.0095% ～0.0115% ， 钢 中
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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.04
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
1 工艺设计
1.1 钒氮微合金化技术作用机理 在低合金钢中添加微合金元素 V，通过其形成的
碳氮化合物产生的沉淀强化和晶粒细化作用， 可大大 提高钢的强度，获得良好的塑韧性。 国内外大量研究 结果表明 ， [1-2] 钒 氮微合金化 技术主要是 通过钢中增 氮后对钒的析出动力学的影响， 优化了钒的析出状 态， 增加了钒的析出强化效应， 以及由此带来的细 晶强化效应等作用， 从而改善钢的性能。 钢中加入钒 氮合金增氮后， 原来处于固溶状态的钒大量转变成 析出状态的钒，使 V(CN)析出相的数量显著增加，从 而充分发挥了钒的沉淀析出强化作用；此外，钒钢中增
Abstract：The research of HRB500E high-strength earthquake-proof bars produced by VN alloy and MnSiN12 process in KISC was introduced. The strengthening and toughening mechanism, microstructure and inclusions of the steel, welding performance and aging properties of the bars were systematically studied. The results show that a great number of dispersed V(CN) are precipitated, ferrite grains are refined, and there is a good precipitation strengthening and fine-grain strengthening role by adding nitrogen in VN steel. The bars have good seismic and welding performance, low strain aging, and high and low-temperature tensile properties; the production cost of the bars produced by VN alloy and MnSiN12 process reduces by 30 yuan per ton compared with conventional HRB500 reinforcing bar with VN micro-alloying, the economic and social benefit is obvious.
采用 18 机架的全连续式轧机组轧制，为保证碳氮 化物充分溶解和析出，开轧温度为 1150～1200 ℃，终 轧温度 <1000 ℃； 尺寸及质量按 HRB500 相应规格 的负偏差率进行控制。
3 试制情况分析
3.1 氮化硅锰、钒氮微合金化强化效果 钒在低合金热轧带肋钢筋中主要起沉淀强化作
用，沉淀强化的效果取决于析出相的数量和弥散度， 质点越多、越细小弥散，沉淀强化的效果越大。 钢中 V 与 C 和 N 都能形成化合物，析出物为 VC 和 VN， V 与 N 的亲和力大于 V 与 C 的亲和力， 即首先生 成 VN，随后生成 VC。 但实际生成速度与钢中 N 和 C 的浓度有关，特别是与 N 的浓度有关，相关研究 表明[4]：当 V/N 比达到理想化学配比时(V/N=3. 64)， 钒能最大程度地析出。 钢中含有适量钒元素时，增 氮可以减少 V(CN)颗粒尺寸，明显增加细小 V(CN) 析出相的体积分数，细小弥散的 V(CN)析出相数量 的增加能显著提高钒氮钢筋的强度。 从文献[5]中氮 对钒钢沉淀强化作用的影响可知， 含钒钢中每增加 0.001%的氮可提高强度 7 MPa 以上。
摘 要：介绍了昆钢采用氮化硅锰、钒氮合金开发 HRB500E 高强度抗震钢筋的应用研究和生产试制 情 况 ，对 该 工
艺强韧化机理及效果、钢筋金相组织及夹杂物、焊接性能及时效性等进行了系统研究和分析。 结果表明：该工艺通过钢
中增氮优化和增加细小弥散 V(CN)析出量、细化铁素体晶粒，充分发挥了沉淀析出强化和细晶强化综合作用；所生产的
1.3 生产工艺路线 50t LD 顶底复合转炉吹炼→吹氩处理→方坯连
铸→加热炉加热→全连续式棒材轧机轧制→冷床空冷 →切剪、包装→HRB500E 高强度抗震钢筋。
2 试制工艺控制情况
2.1 炼钢工艺 2.1.1 转炉冶炼
转炉冶炼实行定量装入，严格控制铁水、废钢等
原材料质量，稳定控制冶炼过程；出钢过程采用挡渣 锥挡渣， 进一步改善挡渣效果。 脱氧合金化加入顺 序： 硅铝钡钙系复合脱氧剂→高碳锰铁→硅铁→氮 化硅锰、钒氮合金，脱氧合金化过程中重点控制好氮 化硅锰和钒氮合金的加入时机和加入量。 出钢时采 用炉后渣洗工艺，实现出钢过程全程底吹氩操作，吹 氩时间≥4 min，利用转炉出钢过程中较好的动力学 搅拌条件以及钢水提供的热力学条件， 充分熔化造 渣料， 起到较好的脱硫和吸附钢水夹杂物的作用。 通过出钢全程底吹氩操作保证钢水洁净度的改善和 成分、温度的均匀。 2.1.2 连铸控制
Key words：MnSiN12; VN alloy; HRB500E earthquake-proof bars; V(CN); benefit
目前， 国内钢厂生产 HRB500 主要采用钒氮微 合金化热轧工艺，由于钒的析出强化效果未得到充 分发挥，钒氮合金加入量较多，试制成本较高，不利 于 500 MPa 钢筋的生产和推广应用。针对上述情况， 昆钢开展了氮化硅锰、 钒氮合金生产 HRB500E 高 强度抗震钢筋应用研究及试制，通过加入适量增氮 剂 ，提 高 钢 中 总 氮 含 量 ，充 分 发 挥 钢 中 V(CN)的 析 出强化效果，降低钒氮合金加入量，进而降低生产成 本。 本文对上述工艺的强韧化机理及效果、钢筋金 相组织及夹杂物、焊接性能及时效性等进行了系统
(1. Faculty of Metallurgy and Energy Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650093, China; 2. Technology Center, Wukun Iron and Steel Co., Ltd., Kunming 650302, China)