技术领域
[0001] 本
发明涉及一种含铬氮微合金化
钢筋及其生产工艺，尤其涉及一种含铬和氮微合金化处理的HRB400E钢筋及其生产工艺。
背景技术
[0002] 目前，HRB400MPa级别的钢筋有三大类生产工艺。一类是主要以20MnSi作为
基础成分的
碳锰钢系成分设计，采用锰系和
硅系
铁合金进行锰和硅合金化，用
钒铁或钒氮合金进行钒微合金化，或利用铌铁合金进行铌微合金化，其主要成分控制[Mn]在1.2-1.6％之间，[Si]在0.40-0.60％之间，[C]在0.17-0.25％之间，[V]控制在0.04-0.12％之间或[Nb]控制在0.03-0.08％之间，
屈服强度(Rel)≥400MPa，
抗拉强度≥550MPa，断面收缩率(A)≥16％，主要依靠碳、锰和硅固溶强化和钒或铌以碳氮化物析出强化，该方法为最为传统和最为成熟的钢筋生产方法，其产品
质量稳定，使用性能良好，且抗震性好。但该方法存在如下问题：①硅锰及碳含量较高，合金成本升高；②在
凝固和冷却过程中容易产生元素偏析；③碳当量偏高
焊接性能较差，钒或铌含量高，合金成本高；④容易出现屈服不明显和混晶现象。第二类是将成分按下限控制，且钒或铌使用量大幅度减少，采用低温大
变形量
轧制，生产出超细晶钢，合金成分可以降低，以晶粒细化作为提高钢筋强度的主要手段。该方法目前还处于工业试验推广阶段，同时该方法存在缺点是：①需要大幅度增加
轧机能
力，大幅度增加设备投资和改造旧轧机带来固定资产投资大幅度增加；②生产的钢筋不能采用常规焊接，否则焊接区因晶粒长大，造成钢筋强度大幅度下降；③钢筋强屈比降低，抗震性降低。第三类是将成分控制在下限，且极少使用钒或铌，采用轧后穿
水强制冷却，合金成分也可大幅度降低，该方法目前使用较为普遍，但与国家标准在某些方面如组织结构方面有冲突，对钢筋使用性能存在不利影响，同时存在如下
缺陷：①需增加穿水设备，增加投资；②钢筋性能
波动大，时效现象严重；③焊接性能差；④钢筋容易锈蚀，抗震性极差；⑤钢筋表面和芯部组织不一致，表面极易出现回火
马氏体和回火索氏体，超出国家标准钢筋组织为铁素体+珠光体的基本要求。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于提供一种低成本生产高强度级别、质量稳定和受市场容欢迎的HRB400E高强度级别钢筋及其生产方法。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0005] 一种含铬氮微合金化HRB400E钢筋的生产方法，是将
高炉铁水，或者高炉铁水与废钢或
生铁块中的一种或两种加入到转炉内吹
氧熔炼，或者加入到电炉内吹氧和送电熔炼，并加入造渣剂；包括以下步骤：
[0006] 1)在转炉吹氧
冶炼3-12min时，或电炉加入生铁或废钢时，加入还原性氧化铬球团，或者还原性氧化铬球团与还原性氧化锰球团的混合物；
[0007] 2)在转炉出钢前3-8min内，加入还原性氧化钒球团和还原性氧化铌球团中的一种或两种；或电炉出钢时向钢包内加入还原性氧化钒球团和还原性氧化铌球团中的一种或两种；
[0008] 3)在转炉出钢后30-100秒内，根据冶炼终点
钢水中的Mn含量目标加入锰系合金、金属锰中的一种或几种的组合，根据冶炼终点钢水中的Si含量目标加入硅系合金、金属硅、碳化硅中的一种或几种的组合；根据冶炼终点钢水中的碳含量及考虑其他合金带入碳含量加入增碳剂；
[0009] 或根据电炉钢水经过LF精炼后钢水中硅与锰的含量，在LF精炼炉内加入硅系合金、金属硅、碳化硅中的一种或几种的组合，和锰系合金、金属锰中的一种或几种的组合进行微调硅和锰的含量，使钢水中硅与锰的质量百分含量比达到目标，并根据LF炉钢水的碳含量和考虑合金带入碳含量，加入增碳剂，使钢水中碳的质量百分比含量达到目标；
[0010] 所述的锰系合金包括锰铁合金、硅锰合金、碳化锰等含有金属锰的合金；
[0011] 所述的硅系合金包括硅铁合金、硅锰合金等含有硅的合金；
[0012] 4)在转炉出钢过程中和钢水吹气搅拌站，在
微波场条件下，向钢包中的钢水吹氮气或加入硅氮合金(即含有硅氮的合金)、氮化钒、氮化硅、氮化硅锰、氮化锰、氮化铬中的一种或几种的组合，使钢水中氮含量达到目标；
[0013] 或者在电炉的LF精炼站，在微波场条件下，向钢包中的钢水吹氮气或加入硅氮合金、氮化钒、氮化硅、氮化硅锰、氮化锰、氮化铬中的一种或几种的组合，使钢水中氮含量达到目标；
[0014] 经过上述步骤后，最终控制钢水中各种元素质量百分比含量目标如下：0.60wt％≤Mn≤1.0wt％，0.25wt％≤Si≤0.50wt％，0.30wt％≤Gr＜0.60wt％，0.17wt％≤C≤0.25wt％，0.007wt％≤N＜0.0120wt％；
[0015] 钢水中含V不含Nb时满足0.010wt％≤V＜0.045wt％，
[0016] 钢水中含Nb不含V时满足0.010wt％≤Nb＜0.045wt％，
[0017] 同时含V和Nb时满足，0.010wt％≤V+Nb＜0.040wt％；
[0018] 5)钢水浇注成钢坯，通过加热炉加热，轧制冷却。
[0019] 上述生产过程中还可以根据转炉冶炼终点炼钢水中铬、钒及铌含量，出钢时加入钒铁合金、钒氮合金、金属钒、铌铁合金、金属铌、铬铁合金、金属铬、碳化铬、氮化铬中的一种或几种，微调钢水中的铬、钒和铌含量，使上述各元素质量百分含量比均达到目标；或根据电炉出钢后经LF炉精炼后钢水中铬、钒及铌含量，加入钒铁合金、钒氮合金、金属钒、铌铁合金、金属铌、铬铁合金、金属铬、碳化铬、氮化铬中的一种或几种，微调钢水中的铬、钒和铌含量，使上述各元素均达到质量百分含量比目标。
[0020] 所述的还原性氧化锰球团为氧化锰矿内配碳后经过低温
烧结而成，还原性氧化铬球团为氧化铬矿内配碳后经过低温烧结而成，还原性氧化钒球团为V2O5经过内配碳后低温烧结而成，还原性氧化铌球团为Nb2O5经过内配碳低温烧结而成。
[0021] 所述的增碳剂为类
石墨、
石油焦、碳粉、碳化硅、碳化
钙中的一种或几种的组合。
[0022] 所述铁水为通用的普通铁水和含铬量在0.10-0.50％的铁水中的一种或两种。
[0023] 步骤4)中所述的吹氮气强度为0.02-0.3m3/min.t钢，吹氮气时间控制在3-10min。
[0024] 步骤5)中钢水经
连铸机浇注成钢坯，通过加热炉加热，加热
温度在900-1200℃之间，开轧温度在850-1120℃之间，终轧温度在850-1050℃之间，轧后进行空冷却，或轧后钢筋采用穿水冷却，控制
冷却水流量和压力，使钢筋上
冷床回火
温度控制在780-850℃之间。
[0025] 一种含铬氮微合金化HRB400E钢筋是含有以下质量含量的各种元素的钢水制备而成的：0.60wt％≤Mn≤1.0wt％，0.25wt％≤Si≤0.50wt％，0.30wt％≤Gr＜0.60wt％，0.17wt％≤C≤0.25wt％，0.007wt％≤N＜0.0120wt％；
[0026] 钢水中含V不含Nb时满足0.010wt％≤V＜0.045wt％，
[0027] 钢水中含Nb不含V时满足0.010wt％≤Nb＜0.045wt％，
[0028] 同时含V和Nb时满足，0.010wt％≤V+Nb＜0.040wt％。
[0029] 性能满足：Rel在430-490MPa之间，Rm在570-650MPa之间，A在24-35％之间，Rm/Rel在1.30-1.40之间，冷弯合格率为100％，焊接碳当量≤0.45。
[0030] 本发明充分利用铬对钢筋的强化作用和防腐作用，部分代替固溶强化元素锰和硅，同时利用廉价的氮元素对钢筋进行微合金化处理，发挥微量氮析出强化作用，大幅度减少战略贵重金属元素如钒、铌等的用量，实现低成本生产高强度级别、质量稳定和受市场容欢迎的HRB400E高强度级别钢筋。在现有钢筋生产装备条件下，以碳锰系成分体系，采用还原性氧化球团直接合金合金化和采用铁合金微调成分的冶炼工艺，利用微波场电离氮分子，通过底吹氮或加入增氮合金对钢水进行氮微合金化，用此方法生产出的HRB400E级钢筋其Rel在430-490MPa之间，Rm在570-650MPa之间，A在24-35％之间，Rm/Rel在1.30-1.40之间，冷弯合格率为100％；三个月时效，Rel和Rm值波动值小于10MPa，焊接性能良好；综合成本较传统方法降低20-80元/吨；利用现有装备条件，不需要进行新的设备投入。
具体实施方式
[0031] 下面结合
实施例对本发明作进一步的详细描述，而不会限制本发明。
[0032] 本发明可以采用氧气转炉冶炼-连铸-轧制工艺，也可采用电炉冶炼-连铸-轧制工艺。本发明采用氧气转炉冶炼-连铸-轧制工艺进行实施。
[0033] 实施例1
[0034] 将高炉铁水，与废钢或生铁块分别加入到转炉内，吹氧熔炼，并加入造渣材料如石灰，在转炉吹氧冶炼8min时，加入还原性氧化铬球团与还原性氧化锰球团的混合物，顶吹氧气5min，同时底吹5min，使冶炼终点钢水中[C]＝0.12-0.20％之间，[Mn]在0.15-0.25％之间，[Gr]在0.15-0.25％之间；
[0035] 在转炉出钢前3min内，加入还原性氧化钒球团；吹氧气3min，同时底吹气3min，使钢水中[V]在0.005-0.01％之间，其他成分如钢水硫含量小于0.040％，磷含量小于0.040％等满足标准要求，温度满足连铸工艺要求条件下出钢；
[0036] 在出钢后30秒内，根据冶炼终点钢水中的Mn含量加入锰铁合金，使钢水中锰含量在0.60-0.70％之间，根据冶炼终点钢水中的Si含量加入金属硅，使钢水中硅含量在0.20-0.30％之间，根据目标碳含量及考虑其他合金带入碳含量，添加增碳剂碳粉和类石墨，使钢水中[C]在0.20-0.25％之间，
[0037] 在出钢过程和钢水吹气搅拌过程中，通过微波场向钢包钢水中吹氮气，使钢水中3
的[N]含量在0.007-0.008％之间，吹氮气强度为0.03m/min.t钢，吹氮气时间控制在
10min；在出钢中期加入钒铁使钢水中的[V]进行微调，使钢水中的[V]在0.010-0.0150％之间。
[0038] 根据冶炼终点钢水中的Gr含量，出钢时加入铬铁合金，使钢水中铬含量在0.30-0.40％之间；钢水浇注成钢坯，钢坯经过加热炉加热，然后轧制成不同规格型号的钢材，加热温度在1000-1100℃之间，开轧温度在950-1050℃之间，终轧温度在950-1000℃之间，轧后进行穿水冷却，控制
冷却水流量和压力，使钢筋上冷床回火温度控制在780-800℃之间，根据用户要求定尺剪切
包装入库。
[0039] 该钢筋化学成分为：C＝0.24％，Mn＝0.63％，Gr＝0.33％，Si＝0.27％，N＝0.0076％，V＝0.013％。性能指标如下；Rel＝460MPa，Rm＝615MPa，A＝28.5％，Rm/Rel＝1.339，冷弯合格，焊接碳当量小于0.40。综合成本降低76.7元/吨。
[0040] 实施例2
[0041] 将高炉铁水，与废钢或生铁块分别加入到转炉内，吹氧熔炼，并加入造渣材料如石灰，在转炉吹氧冶炼11min时加入还原性氧化铬球团与还原性氧化锰球团的混合物；使冶炼终点钢水中[C]在0.08-0.15％之间，[Mn]在0.30-0.40％之间，[Gr]在0.30-0.40％之间；
[0042] 在转炉出钢前8min内，加入还原性氧化钒球团和还原性氧化铌球团；吹氧气8min，同时底吹气8min，使钢水中[V]+[Nb]在0.025-0.035％之间，其他成分满足标准要求出钢；
[0043] 在转炉钢水硫含量小于0.040％，磷含量小于0.040％，温度满足连铸工艺要求条件下出钢。在出钢后60秒内，根据冶炼终点钢水中的Mn含量加入硅锰合金，使钢中锰含量在0.90-1.00％之间，根据冶炼终点钢水中的Si含量加入硅铁合金，使钢中硅含量在0.40-0.50％，根据目标碳含量及考虑其他合金带入碳含量添加增碳剂碳化硅，使钢中碳含量在0.21-0.25％之间；
[0044] 在出钢过程和钢水吹气搅拌过程中加入氮化硅锰和氮化铬合金，使钢水中氮含量在0.0110-0.0120％之间；
[0045] 根据转炉冶炼终点炼钢水中铬、钒及铌含量，出钢时加入铬铁、钒铁、铌铁合金微调钢水中的铬、钒和铌含量，使钢水中铬含量在0.50-0.60％之间，V+Nb含量在0.030-0.040％之间。
[0046] 钢水浇注成钢坯，钢坯经过加热炉加热，然后轧制成不同规格型号的钢材，加热温度在900-1000℃之间，开轧温度在850-950℃之间，终轧温度在850-900℃之间，轧后进行空冷，根据用户要求定尺剪切包装入库。
[0047] 该钢筋化学成分为：C＝0.24％，Mn＝0.97％，Gr＝0.57％，Si＝0.47％，N＝0.0116％，V+Nb＝0.038％。性能指标如下；Rel＝465MPa，Rm＝620MPa，A＝32.5％，Rm/Rel＝1.33，冷弯合格，焊接碳当量小于0.45。综合成本降低28.1元/吨
[0048] 实施例3
[0049] 将高炉铁水，与废钢或生铁块分别加入到转炉内，吹氧熔炼，并加入造渣材料如石灰，在转炉吹氧冶炼3min时，加入还原性氧化铬球团与还原性氧化锰球团的混合物，顶吹氧气6min，同时底吹6min，使冶炼终点钢水中[C]＝0.10-0.15％之间，[Mn]在0.30-0.40％之间，[Gr]在0.25-0.35％之间；
[0050] 在转炉出钢前5min内，加入还原性氧化铌球团；吹氧气5min，同时底吹气5min，使钢水中[Nb]在0.020-0.030％之间，其他成分如钢水硫含量小于0.040％，磷含量小于0.040％等满足标准要求，温度满足连铸工艺要求条件下出钢；
[0051] 在出钢后60秒内，根据冶炼终点钢水中的Mn含量加入硅锰合金，使钢水中锰含量在0.80-0.90％之间，根据冶炼终点钢水中的Si含量加入硅铁合金，使钢水中硅含量在0.35-0.45％之间，根据目标碳含量及考虑其他合金带入碳含量添加增碳剂碳化钙和
焦炭，使钢水中[C]在0.18-0.25％之间，
[0052] 在出钢过程和钢水吹气搅拌过程中，通过微波场向钢包钢水中吹氮气，使钢水中的[N]含量在0.008-0.010％之间，吹氮气强度为0.3m3/min.t钢，吹氮气时间控制在3min；在出钢中期加入铌铁使钢水中[Nb]进行微调，使钢水中的[Nb]在0.0350-0.0450％之间。
[0053] 根据冶炼终点钢水中的Gr含量，出钢时，加入铬系合金使铬含量在0.40-0.50％之间；
[0054] 根据所轧钢筋直径与定尺要求，将钢水浇注成不同断面尺寸的钢坯，钢坯通
过热送或冷却后进入加热炉加热，加热温度在1150-1250℃之间，开轧温度在1100-1150℃之间，终轧温度在1050-1100℃之间，轧后空冷，根据
铸坯尺寸和钢筋规格设定每个道次的轧制负荷，钢筋经冷却后按用户需求剪切成规定的定尺，检验包装入库。
[0055] 该钢筋化学成分为：C＝0.21％，Mn＝0.86％，Gr＝0.48％，Si＝0.41％，N＝0.0085％，Nb＝0.041％。性能指标如下；Rel＝455MPa，Rm＝615MPa，A＝24.5％，Rm/Rel＝1.35，冷弯合格，焊接碳当量小于0.45。综合成本降低42.3元/吨。
[0056] 实施例4
[0057] 将高炉铁水，与废钢或生铁块分别加入到转炉内，吹氧或通电熔炼，并加入造渣材料如石灰，在转炉吹氧冶炼8min时加入还原性氧化铬球团与还原性氧化锰球团的混合物；使冶炼终点钢水中[C]在0.10-0.15％之间，[Mn]在0.40-0.50％之间，[Gr]在0.40-0.50％之间；
[0058] 在转炉出钢前5min内，加入还原性氧化铌球团；吹氧气5min，同时底吹气5min，使钢水中[Nb]在0.005-0.010％之间，其他成分满足标准要求出钢；
[0059] 在转炉钢水硫含量小于0.040％，磷含量小于0.040％，温度满足连铸工艺要求条件下出钢。在出钢后90秒内，根据冶炼终点钢水中的Mn含量加入硅锰合金，使钢中锰含量在0.90-1.00％之间，根据冶炼终点钢水中的Si含量加入硅铁合金，使钢中硅含量在0.30-0.40％，根据目标碳含量及考虑其他合金带入碳含量添加增碳剂碳化硅和类石墨，使钢中碳含量在0.20-0.25％之间；
[0060] 在出钢过程和钢水吹气搅拌过程中加入氮化铬、氮化硅铁，使钢水中氮含量在0.0110-0.0120％之间；
[0061] 根据转炉冶炼终点炼钢水中铬、铌含量，出钢时加入铬铁、铌铁合金微调钢水中的铬、和铌含量，使钢水中铬含量在0.50-0.60％之间，Nb含量在0.010-0.015％之间。
[0062] 钢水浇注成钢坯，钢坯经过加热炉加热，然后轧制成不同规格型号的钢材，加热温度在1050-1150℃之间，开轧温度在1050-1100℃之间，终轧温度在1000-1050℃之间，轧后进行穿水冷却，控制冷却水流量和压力，使钢筋上冷床回火温度控制在800-850℃之间，根
