一种多元素氮化合金包芯线及其在hrb400钢种强化处理工艺中的应用和应用方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于合金材料应用技术领域，更具体地说，涉及一种氮化合金包芯线及其 在HRB400钢种强化处理工艺中的应用和应用方法。
【背景技术】
[0002] HRB400即热乳带肋钢筋，是指钢筋表面通过热乳工艺乳制出变形以增加与混凝土 之间的咬合力，包括表面带肋钢筋、螺旋纹钢筋、人字纹钢筋、月牙纹钢筋等。《混凝土结构 设计规范》推荐高质量的HRB400级钢筋和高强度、低松驰的预应力钢绞线作为混凝土结构 配筋的主导钢筋，其中可焊接、抗震钢筋不但要求屈服强度彡400MPa，抗拉强度彡570MPa， 而且还要求实测抗拉强度与实测屈服强度之比不小于1. 25。
[0003] 目前生产HRB400钢，为提高其强度等性能指标，通常是用氮化钒（V:75~ 78%州:12~16%)或氮化钒铁（￥ :42~57%小：9~14%)，对钢水进行微合金化工艺预 期达到其强化目的。如中国专利申请号为201410142623. 2,申请公布日为2015年10月14 日的专利申请文件公开了一种硅锰氮合金配加钒铁生产HRB400钢的生产方法，HRB400钢 的生产工序是：炼钢、连铸、均热、热连乳、冷却、整理，在炼钢工序尾端钢水出炉时，当出钢 量为1/3时，随钢流开始加入硅锰氮合金与钒铁，在出钢量为2/3时全部加完，其中钒铁吨 钢加入量〇. 84公斤，硅锰氮合金吨钢加入量0. 5公斤，控制钢中钒含量在0. 035-0. 045%， 钢中氮含量在60-80ppm，钢中V/N在3. 36。
[0004] 上述方法存在的主要问题和不足是：一是钒的有效利用率低，仅有一部分V(约占 50~60 % )，与N、C形成VN、VC而产生强化作用，一部分V以金属V的形态存在于钢中，而 没有明显的强化作用；二是添加的工艺方法较为粗放，一般是在钢水出钢过程中随钢流加 入，这样因钢水温度不同，钢水带渣量不同，钢水中氧含量不同等多种因素的变量而导致微 合金化效果差异很大；三是添加物的物理状态不一致，一般氮化合金块度为5~60mm的混 合颗粒，使其与钢水融合过程中的动力学条件不均衡，而导致强化效果的差异；四是其强化 效果不能充分发挥，稳定性差，导致成本升高，钢种命中率降低。与单一使用块状氮化钒合 金没有成本优势。
[0005] 中国专利申请号为201210377151. X，申请公布日为2012年12月19日的专利申请 文件公开了一种冶金用钒氮微合金化及复合脱氧的包芯线，它包括有线芯和包覆钢带，其 技术要点在于：包芯线的线芯由增钒剂、增氮剂和脱氧固氮剂三部分组成，各组分的粒度小 于6mm，增钒剂是钒铁、氮化钒铁或五氧化二钒；增氮剂是氮化硅铁、氮化硅锰、氮化锰铁、 氮化铬铁、氮化硅、氮化铝或碳氮化钙；脱氧固氮剂是金属铝、钙、镁、钡中的至少一种或由 它们组成的合金，还可包含有钛、锆、铌、锰、铬、硅、碳和铁中的一种或多种，但是该发明存 在以下不足之处：（1)钒铁、氮化钒铁、五氧化二钒是其结构和性质完全不同的物质，如V 2O5 是V的氧化物，加入钢中将成为一种氧化物夹杂对钢质不起任何强化作用；(2)脱氧固氮剂 是以分散颗粒状与其它材料用钢带包成包芯线，在加入钢水过程中因其各物质的熔点和比 重的差别，它们几乎结合不到一起，其中脱氧剂优先与钢中氧结合而形成脱氧产物变成钢 中夹杂。中国专利申请号为201410131544. 1，申请公布日为2014年8月6日的专利申请文 件公开了一种复合氮合金包芯线及其制备方法，该包芯线由内芯材料和包覆层组成，内芯 材料是由钒铁、氮化钒铁、氮化钒、氮化硅铁、氮化硅锰、氮化钛铁、硼铁、氮化硼铁、铌铁以 及氮化铌铁中的三种以上混合而成，内芯材料中至少包括二种以上的氮化物或氮化合金； 包覆层是光亮钢带，该包芯线的制备方法是：首先制备内芯材料，按要求的氮含量、合金元 素含量以及目标钢种的种类进行配料，然后进行磨粉、混匀以及造粒制成内芯材料，然后用 光亮钢带将内芯材料包覆成圆形的包芯线；从技术进步方面看该发明相对于单一块状氮化 合金对钢水进行微合金化确实迈进了一大步；但是该发明的包芯线氮源供给不足，对钢水 精炼的强化效果不明显。
【发明内容】
[0006] 1.要解决的问题
[0007] 针对现有的钢水微合金化工艺存在钒的有效利用率低、强化效果不能充分发挥、 稳定性差，成本高等问题，本发明提供一种氮化合金包芯线及其在HRB400钢种强化处理工 艺中的应用和应用方法，本发明在氮化合金包芯线中添加有利于向V传递N并与其结合，同 时对钢性能强化起正相关作用的有益元素，如Si、Mn、Ti、B等，以及在钢水精炼过程中采用 完全不同于现行的工艺方法对钢水实行氮化合金微合金化处理，本发明的多元素氮化合金 成分与HRB400钢种微合金化强化工艺的要求十分匹配，即充分地保证了 N元素的供给又兼 顾了各合金元素的正相关性，使其强化效果得到充分发挥。
[0008] 2.技术方案
[0009] 为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
[0010] 一种氮化合金包芯线，线芯和包覆层，所述的线芯是多元素氮化合金，由钒铁、硅 铁、金属硅、锰铁、金属锰、钛铁和硼铁中三种以上材料进行氮化处理制备得到，线芯包括以 下组成成分：N :21 ~30%，V :9 ~28%，Si :29 ~45%，Mn :0· 05 ~6. 0%，Ti :0 ~4. 0%， B :0~3. 5%，C :0. 12~I. 3%，P彡0. 10%，S彡0. 10%，余量为Fe和不可避免的杂质；所 述的包覆层为光亮钢带。
[0011] 优选地，所述的线芯由粒径为0. 01~4. 5mm的多元素氮化合金制成。
[0012] 优选地，所述线芯组分中V质量分数与N质量分数的比值为0. 62~0. 88。
[0013] 上述的氮化合金包芯线在HRB400钢种强化处理工艺中的应用。
[0014] 上述的氮化合金包芯线在HRB400钢种强化处理工艺中的应用方法，其步骤为：
[0015] 1)转炉终点出钢：包括测温、终点成分分析、挡渣出钢、钢水脱氧、钢水合金化工 乙；
[0016] 2)钢水精炼：调整钢水成分和温度，并对钢水实行脱气、除杂净化工艺，然后往钢 水中喂入上述的氮化合金包芯线；
[0017] 3)连铸：将精炼钢水铸成铸坯；
[0018] 4)铸坯乳制：炉温控制在1220~1270°C，加热保温时间为3. 0~4. 0h，采用控乳 控冷工艺，开乳温度1010~1070°C，二次乳制温度890~930°C，终乳温度790~830°C。
[0019] 优选地，钢水精炼过程中全程吹氩气；在喂入氮化合金包芯线前后向钢水中吹入 氮-氩混合气体，其中氩气的体积分数为85~95 %，氮气的体积分数为5~15 %，吹入 氮-氩混合气体的时间控制在7~lOmin，流量控制在4~5M3/min，氩气纯度Ar彡99. 5 %， 氮气纯度N2^ 99%。
[0020] 优选地，钢水精炼过程中温度控制在1580~1620°C。
[0021] 优选地，钢水精炼过程中氮化合金包芯线的喂线量为0. 8~I. 6kg/ts ;喂线速度 为 200 ~280m/min。
[0022] 优选地，所述步骤2)中调整钢水成分，使钢水中各元素质量分数为C :0. 20~ 0· 24%，Si :0· 40 ~0· 60%，Mn :1· 2 ~I. 5%，A1 :0· OOl ~0· 006%，V :0· 008 ~0· 017%， Ti :0· OOl ~0· 004 %，B :0· 0005 ~0· 0012 %，N :0· 009 ~0· 016 %，P 彡 0· 035 %， S 彡 0· 035%〇
[0023] 优选地，所述步骤2)钢水中H、O含量最佳控制为：H彡5ppm，O彡30ppm。
[0024] 本发明所提出多元素氮化合金与对比专利201410131544. 1中的包芯线相比，其 物质内在结构有着本质上的差别，多元素氮化合金是几种合金元素同时与氮化合而形成氮 化合金，本发明涉及的多元素氮化合金在钢水微合金化过程中保证了氮源的供给并优先选 择V、B等贵金属元素，以最优的方式提高其强化效果。本发明所涉及的微合金化工艺对钢 水的精炼工艺有新的要求，创造最佳的钢水微合金化条件，大幅度提高其强化效果和稳定 性。
[0025] 3.有益效果
[0026] 相比于现有技术，本发明的有益效果为：
[0027] (1)本发明针对现有技术中存在的问题，设计筛选成分最合适的多元素氮化合金， 首先考虑V/N比值（V元素质量分数与N质量分数的比值），使V充分与N结合发挥其强化 作用，此外，本发明添加有利于向V传递N并与其结合，同时对钢性能强化起正相关作用的 有益元素，如Si、Mn、Ti、B等，再次，本发明采用完全不同于现行的工艺方法而是一种新的 工艺方法对钢水实行氮化合金微合金化处理；