新型微合金氮化硅钒的合成试验及应用研究

摘要：利用硅元素优异的固氮作用，以工业钒铁合理配硅采用高温自蔓延工艺合成了新型微合金氮化硅钒。氮化硅钒定型产品FeV55N15Si7的V/N≈4，比重≈4.40。微合金化过程无需额外配加富氮合金便可最大限度发挥钒氮的综合强化效果，是目前最为经济且节钒的微合金。

关键词：氮化硅钒；高温自蔓延；微合金化；高强度抗震钢筋

中图分类号：TG142 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）26-0008-03

1 概述

钒系微合金主要有钒铁（FeV50、FeV80）、钒氮合金（V78N12）、氮化钒铁（FeV55N11、FeV45N9）三大类。自从钒、氮优良的综合强化效果被发现以来，广大冶金工作者开展了一系列理论和实践研究，钒氮合金和氮化钒铁已成为高强度钢筋普遍采用的微合金化工艺。随着我国高强度钢筋比提高，微合金的需求量也相应增长，从微合金发展战略考虑，必须依托我国钒资源优势开发更经济的新型节钒微合金。

2 理论分析

钢铁研究总院杨才福研究表明：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，析出相数量的增加能显著提高钒氮钢筋的强度。当V/N比达到理想化学配比3.64时，钒能最大程度地析出。钒氮合金微合金化钒主要（占总钒量的70%）以V（CN）形式析出，只有20%的钒固溶于基体，剩余10%的钒溶于Fe3C中；而钒铁微合金化大部分钒（占总钒量的56.4%）固溶于基体，仅有35.5%的钒以V（CN）形式析出，说明钒没有得到充分利用。

昆明理工大学陈伟等人研究表明：钒氮合金的V/N≈6.4，利用氮化硅锰（根据不同要求，含氮8%～15%）配合钒氮合金增加钢中的结合氮（游离氮作用很小），大量细小弥散的V（CN）析出相数量明显增加，V（CN）析出量占总钒量的78%以上，V的强化效果得到充分发挥。

根据氮化钒铁的研究成果，利用硅元素优异的固氮作用增加结合氮，以工业钒铁合理配硅采用高温自蔓延工艺可合成新型微合金氮化硅钒。

3 合成试验

3.1 在40L反应器首轮合成试验

在现有产品氮化钒铁基础上利用工业钒铁配入适量的硅铁，于2011年12月份进行了首轮试验合成氮化硅钒。按V/N=3.60理论计算配料比例为FeV80∶FeV50∶FeSi72=4∶1∶1，混料V=61.67%；在40L反应器（20kg级）分别按9kg（1炉次）、12kg（3炉次）、15kg（2炉次）三个量级进行合成试验；各炉次分析V，用增重法测算渗氮量，计算V/N并检测比重。结果见表1：

合成试验表明：与氮化钒铁比较，硅的配入确实能稳定增加渗氮量，有效降低了V/N；经比重检测，氮化硅钒为3.47，氮化钒铁为5.1；经外观目视，氮化硅钒质地松软且体积增加，粉化严重；试验条件下氮化硅钒的V/N≈4，增大配硅量进一步降低V/N会导致更严重的粉化。

3.2 第二轮合成试验

液态钢渣的比重约为3.0，而首轮试验产品比重小且极易粉化，必将严重影响其在微合金化过程的稳定吸收率。2012年1～2月，重新调整配硅量，配料比例为FeV80∶FeV50∶FeSi72=6∶4∶1，混料V=61.82%；分别在40L反应器（20kg级）按9kg、12kg、16kg、18kg四个量级，在100L反应器（40kg级）按30kg、40kg两个量级进行各1炉次合成试验。结果见表2。

合成试验表明：经外观目视，氮化硅钒质地致密，无粉化现象；经比重检测，40L合成器生产的氮化硅钒比重为4.32，100L合成器生产的氮化硅钒比重为4.65；与首轮试验比，第二轮试验配硅比虽降低其增重率和氮含量未出现明显降低；相同配硅比条件下，与100L的试验结果比较，40L的N略高而V略低且V/N亦略低。

4 批量试生产

综合考虑渗氮量和产量的平衡，并充分考虑配硅量对产品质量的影响以及反应后体积增加，采用40L合成器原料量16kg（较合成氮化钒铁少1kg），配比FeV80∶FeV50∶FeSi72=6∶4∶1，混料V=61.82%较为合理，成品目标范围：V≥52.00%（目标值V=53.00%），N≥13.00%（目标值V=13.30%）。统计4000多炉次总量80吨的批量试生产数据，产量达到18.50kg/炉，增氮量稳定达到15.50%，V=53.00%，N=13.36%，V/N=3.96。委托钢铁研究总院型式检验的结果见表3：

根据生产数据统计结果、型式试验结果和增氮量，氮化硅钒定型产品的牌号为FeV55N15Si7。与钒氮合金和氮化钒铁比，氮化硅钒的V/N≈4，更接近于理想配比3.64，比重≈4.40，介于两者之间。

5 工业化对比试验

在凌源钢铁公司进行了2.0t氮化硅钒（生产HRB400E约100炉3600t）工业化对比试验，在C、Mn、Si、V等主要元素和轧钢工艺基本一致的情况下生产的φ25mm规格的HRB400E统计结果见表4。对钢筋的力学性能、工艺性能和时效试验等综合测试，各项指标均稳定且有合理的富余量，氮化硅钒能满足生产高品质高强度抗震钢筋的工艺要求。

由于比重较大，在吸收率上比较，氮化硅钒与氮化钒铁基本一致，能稳定达到95%以上，而较钒氮合金高9%；对比分析以上四种钒系微合金化和铌微合金化成本（均按目前市场价格和对应单耗计算），氮化硅钒是目前最为经济的微合金化工艺；随着V/N的降低，钒氮合金、氮化钒铁和氮化硅钒的单耗折合FeV50对应分别为0.86kg/t、0.70kg/t、0.61kg/t，以FeV50为基数计算节钒率对应分别为46.25%、56.25%、62.19%，故氮化硅钒的钒氮综合强化效果最显著。

6 结语

采用高温自蔓延工艺能获得各项性能指标稳定的氮化硅钒，合理配硅是控制产品质量的关键；氮化硅钒的定型牌号为FeV55N15Si7，V/N≈4，比重≈4.40；氮化硅钒微合金化无需额外添加其他富氮合金便可最大限度发挥钒氮的综合强化效果，简化操作；氮化硅钒能满足生产高品质抗震钢筋的工艺要求，且是目前最为经济且节钒的微合金化工艺。

参考文献

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作者简介：张光德（1971-），男，江西萍乡人，凌源钢铁股份有限公司高级工程师，硕士，研究方向：品种钢研发和新技术推广应用。