CN104046883A - 包芯线及其应用和钒氮合金化钢水及其制备方法和一种钒氮微合金钢 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包芯线及其应用，该包芯线包括：芯层和包裹所述芯层的外层，其中，所述芯层为含有钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的混合物，所述铁合金为铌铁合金和/或钛铁合金。本发明提供了一种钒氮合金化钢水及其制备方法，该方法包括：将本发明所述的包芯线喂入待钒氮合金化的钢水中进行钒氮合金化。本发明提供了一种钒氮微合金钢，该钒氮微合金钢由本发明所述的钒氮合金化钢水浇铸而成。本发明的包芯线用于实现钢水钒和氮的合金化，能够依据需要有效增加氮含量而不影响钒含量，可在钢水需要的情况下生产氮含量更高的含钒钢，并且氮的回收率高且稳定。

Description

包芯线及其应用和钒氮合金化钢水及其制备方法和一种钒氮微合金钢

技术领域

本发明涉及一种包芯线及其在钢水钒氮合金化中的应用，以及一种钒氮合金化钢水及其制备方法，和一种钒氮微合金钢。

背景技术

钒氮合金是一种新型合金添加剂，可以替代钒铁用于微合金化钢的生产。钒氮合金添加于钢中能提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的可焊性。在达到相同强度下，添加氮化钒节约钒加入量30-40%，进而降低了成本。钒氮合金可用于结构钢，工具钢，管道钢，钢筋及铸铁中。钒氮合金应用于高强度低合金钢中可同时进行有效的钒、氮微合金化，促进钢中碳、钒、氮化合物的析出，更有效的发挥沉降强化和细化晶粒作用。

由于直接将钒氮合金以块状形态加入钢液中的回收率较低，因此现有技术中主要是通过向钢液中喂入包芯线的方法实现钢液钒、氮合金化。该方法是把块状或球状钒氮合金用物理方法破碎，再用铁皮或钢皮包制成包芯线，钒氮合金形成包芯线的芯层，铁皮或钢皮形成包芯线的外层；然后将上述包芯线通过喂线装置喂入钢包内的钢液中，使钢液钒、氮合金化。该种方法钒、氮合金元素回收率较高，钒回收率在88-95%，氮回收率在70-90%。但该种方法应用在一些氮含量要求更高的品种上存在一定的局限性，因为该种氮化钒包芯线的氮含量受制于钒氮合金中氮和钒的比值，现有产品中钒氮合金通常有VN12、VN14和VN16三个牌号，一般情况下该三个牌号氮和钒的比值分别12：78(N:V)；14：78(N:V)；16：78(N:V)。可以看出氮和钒的比值最高为VN16的16：78，即合金中含有16%的N，含有78%的钒。

因此，如果要生产氮含量更高的含钒钢，则必须相应喂入大量的氮化钒，随之而来的是钢中的钒含量也大量增加。而钒是比较贵重的金属元素，对于降低含钒钢的生产低成本是不必要的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够用于生产氮含量更高，且氮的回收率高且稳定的含钒钢的包芯线。

为实现前述目的，根据本发明的第一方面，本发明提供了一种包芯线，该包芯线包括：芯层和包裹所述芯层的外层，其中，所述芯层为含有钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的混合物，所述铁合金为铌铁合金和/或钛铁合金。

根据本发明的第二方面，本发明提供了本发明的包芯线在制备钒氮合金化钢水中的应用。

根据本发明的第三方面，本发明提供了一种钒氮合金化钢水的制备方法，该方法包括：将本发明所述的包芯线喂入待钒氮合金化的钢水中进行钒氮合金化。

根据本发明的第四方面，本发明提供了按照本发明的钒氮合金化钢水的制备方法制备得到的钒氮合金化钢水。

根据本发明的第五方面，本发明提供了一种钒氮微合金钢，其中，该钒氮微合金钢由本发明所述的钒氮合金化钢水浇铸而成。

本发明的包芯线用于实现钢水钒和氮的合金化，能够依据需要有效增加氮含量而不影响钒含量，可在钢水需要的情况下生产氮含量更高的含钒钢，并且氮的回收率高且稳定。且采用本发明的包芯线进行钢水钒氮合金化得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的包芯线的横截面剖视图。

附图标记说明

1 芯层    2 外层

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1所示，本发明提供了一种包芯线，该包芯线包括：芯层1和包裹所述芯层1的外层2，其中，所述芯层1为含有钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的混合物，所述铁合金为铌铁合金和/或钛铁合金。

根据本发明的包芯线，一方面通过在芯层内加入氮化硅铁，可提高单位芯层的氮含量，利于生产氮含量更高的含钒钢，例如生产含钒0.05重量%、含氮0.015重量%以上的非调质钢，从而可避免过量加入贵重金属钒的现象发生，降低了生产成本。另一方面，氮化硅铁的加入不影响包芯线的使用性能，且在制备钒氮合金化钢水中氮的回收率高且稳定，且更进一步，由于本发明的所述芯层为含有钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的混合物，使得采用本发明的包芯线进行钢水钒氮合金化得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，优选所述混合物中，钒氮合金的含量为50-94重量%，氮化硅铁的含量为4-15重量%，铁合金的含量为1-25重量%，铝铁合金的含量为1-25重量%。采用前述包芯线进行钢水钒氮合金化，氮回收率高且稳定，并且得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，优选所述钒氮合金中N含量为10-18重量%，V含量为76-82重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素。前述钒氮合金例如可以为牌号为VN12（V含量为76.0-82.0重量%，N含量为10.0-14.0重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素），VN14（V含量为76.0-82.0重量%，N含量为12.0-16.0重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素），VN16的钒氮合金（V含量为76.0-82.0重量%，N含量为14.0-18.0重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）。采用前述包芯线进行钢水钒氮合金化，氮回收率高且稳定，并且得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，所述氮化硅铁的主要成分为Si₃N₄，伴随极少量游离铁、未氮化的硅铁和不可避免的其它一些杂质元素组成的混合物。针对本发明，优选所述氮化硅铁中N含量为32-39重量%，Si含量为48-58重量%，其余为少量的Fe和不可避免的其它杂质元素。采用前述包芯线进行钢水钒氮合金化，氮回收率高且稳定，并且得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度高和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，优选所述铁合金为铌铁合金和钛铁合金的混合合金，进一步优选，铌铁合金与钛铁合金的重量比为1-10:1。采用前述优选铁合金的包芯线进行钢水钒氮合金化，氮回收率高且稳定，并且得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度高和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，优选所述铌铁合金中Nb+Ta含量为60-80重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素，前述铌铁合金例如可以为牌号为FeNb60（Nb+Ta含量为60-70重量%，Ta含量≤0.3重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）、FeNb70（Nb+Ta含量为70.0-80.0重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）的铌铁合金。采用前述包芯线进行钢水钒氮合金化，氮回收率高且稳定，并且得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，优选所述钛铁合金中Ti含量为25-45重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素，前述钛铁合金例如可以为牌号为FeTi30（Ti含量为25.0-35.0重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）、牌号为FeTi40（Ti含量为35.0-45.0重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）的钛铁合金。采用前述包芯线进行钢水钒氮合金化，氮回收率高且稳定，并且得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高。

根据本发明的包芯线，优选所述铝铁合金中Al含量为35-45重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素。

根据本发明的包芯线，为了便于钒氮合金和氮化硅铁快速熔入钢水内，也便于包芯线的芯层的制作，同时为了提高钒氮微合金钢的屈服强度和抗拉强度，优选所述含有钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的混合物为粉料形式，更优选所述粉料的颗粒粒径在5mm以下，优选为2mm以下，3mm以下或2-5mm。

根据本发明的包芯线，优选所述包芯线的所述外层为铁皮或钢皮。

本发明对所述铁皮或钢皮的材质无特殊要求，其可以为本领域的常规选择，本发明在此不详细描述。

具有本发明前述组成的包芯线均可实现本发明的目的，其制备方法可以为本领域的常规选择，例如可以按如下步骤进行：

将钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金研磨成粉料，然后使用外皮（从而形成本发明所述外层）例如可以为铁皮或钢皮包裹形成包芯线即可。

本发明中，包芯线的直径可以为本领域的常规选择，针对本发明，优选包芯线的外径为10-20mm。

本发明提供了一种本发明所述的包芯线在制备钒氮合金化钢水中的应用。

本发明提供了一种钒氮合金化钢水的制备方法，该方法包括：将本发明所述的包芯线喂入待钒氮合金化的钢水中进行钒氮合金化。

根据本发明的钒氮合金化钢水的制备方法，为了有利于包芯线快速喂入钢水内，同时为了提高钒氮微合金钢的屈服强度和抗拉强度，优选在进行钒氮合金化过程中，在动态条件下进行钒氮合金化，动态条件可以通过对钢包进行摇晃或转动来实现，例如可以在包芯线通过喂线装置喂入钢包内的钢水中的同时，对钢包进行摇晃。

根据本发明的钒氮合金化钢水的制备方法，其中，在进行钒氮合金化过程中，优选在将包芯线通过喂线装置喂入钢包内的钢水中的同时，对包芯线与钢水的接触区域喷吹惰性气体。

本发明中，惰性气体可以为本领域的常规选择，例如可以为氮气和/或氩气。

根据本发明的钒氮合金化钢水的制备方法，通过向包芯线与钢水接触区域喷吹惰性气体，一方面可提高该区域内的钢渣的流动性，同时可提高钒氮微合金钢的屈服强度和抗拉强度，另一方面可防止该区域以外的钢渣朝该区域流动汇集，尤其是在对钢包摇晃过程中，其它区域的钢渣有可能朝包芯线附近流动，通过向包芯线附近喷吹惰性气体，可有效保证包芯线的快速喂入。

根据本发明的钒氮合金化钢水的制备方法，其中，优选包芯线喂入的速度为3-10米/秒。

根据本发明的钒氮合金化钢水的制备方法，优选所述待钒氮合金化的钢水为已经碳硅锰合金化的钢水。

根据本发明的一种优选的实施方式，优选所述待钒氮合金化的钢水的温度为1500-1600℃。

本发明提供了按照本发明的钒氮合金化钢水的制备方法得到的钒氮合金化钢水。

本发明提供了一种钒氮微合金钢，其中，该钒氮微合金钢由本发明所述的钒氮合金化钢水浇铸而成。

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，但并不能因此限制本发明的范围。

本发明中，氮含量按如下步骤测得：钢液直接取φ10以上的圆棒试样，待测试样冷却后加工成的氧氮仪小圆棒标准样，在氧氮仪上测定氮含量，氮的具体测定方法按GB/T20124（钢铁，氮含量的测定，惰性气体熔融热导法）的要求进行。

氮回收率是通过测定钢液喂入包芯线前、后的氮含量，再结合包芯线所带入的总氮量，通过计算得到，具体为：氮回收率=（钢液喂入包芯线后的氮含量-钢液喂入包芯线前的氮含量）×出钢量/包芯线所带入的总氮量。

钒含量按如下步骤测得：钢液直接取φ30×10mm左右的圆饼试样，待测试样冷却后在任意一个平面用砂轮去除氧化皮，并打磨平整，在火花放电原子发射光谱仪上，按GB/T4336（碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法）的要求进行测试。

本发明中，拉伸性能按照GB/T228（金属材料室温拉伸试验方法）进行，分别检测屈服强度ReL，抗拉强度Rm。

本发明中，目标颗粒粒径的粉料可以将物料粉碎后通过标准筛筛分得到。

实施例1

一种包芯线A1（外径为12mm），包括芯层和包裹芯层的外层，所述芯层由钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的粉料（颗粒粒径为2mm以下）组成，外层为冷轧带钢（牌号St12）制成的外皮，其中，粉料中，含有钒氮合金（VN16，钒含量78重量%，N含量16重量%）：94重量%，氮化硅铁（N含量为36重量%，Si含量为52重量%）：4重量%，铁合金：1重量%，铝铁合金（Al含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）：1重量%，其中，铁合金为铌铁合金与钛铁合金的混合合金，其中，铌铁合金与钛铁合金的重量比为1:1，铌铁合金为FeNb60（Nb+Ta含量为61重量%，Ta含量为0.2重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素），钛铁合金为FeTi40（Ti含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）。

实施例2

一种包芯线A2（外径为12mm），包括芯层和包裹芯层的外层，所述芯层由钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的粉料（颗粒粒径为3mm以下）组成，外层为冷轧带钢（牌号St12）制成的外皮，其中，粉料中，含有钒氮合金（VN16，钒含量78重量%，N含量16重量%）：51重量%，氮化硅铁（N含量为36重量%，Si含量为52重量%）：9重量%，铁合金：25重量%，铝铁合金（Al含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）：15重量%，其中，铁合金为铌铁合金与钛铁合金的混合合金，其中，铌铁合金与钛铁合金的重量比为5:1，铌铁合金为FeNb60（Nb+Ta含量为61重量%，Ta含量为0.2重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素），钛铁合金为FeTi40（Ti含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）。

实施例3

一种包芯线A3（外径为13mm），包括芯层和包裹芯层的外层，所述芯层由钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的粉料（颗粒粒径为3mm以下）组成，外层为冷轧带钢（牌号St12）制成的外皮，其中，粉料中，含有钒氮合金（VN16，钒含量78重量%，N含量16重量%）：51重量%，氮化硅铁（N含量为36重量%，Si含量为52重量%）：9重量%，铁合金：15重量%，铝铁合金（Al含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）：25重量%，其中，铁合金为铌铁合金与钛铁合金的混合合金，其中，铌铁合金与钛铁合金的重量比为10:1，铌铁合金为FeNb60（Nb+Ta含量为61重量%，Ta含量为0.2重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素），钛铁合金为FeTi40（Ti含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）。

实施例4

一种包芯线A4（外径为13mm），包括芯层和包裹芯层的外层，所述芯层由钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的粉料（颗粒粒径为5mm以下）组成，外层为冷轧带钢（牌号St12）制成的外皮，其中，粉料中，含有钒氮合金（VN16，钒含量78重量%，N含量16重量%）：75重量%，氮化硅铁（N含量为36重量%，Si含量为52重量%）：15重量%，铁合金：1重量%，铝铁合金（Al含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）：9重量%，其中，铁合金为铌铁合金与钛铁合金的混合合金，其中，铌铁合金与钛铁合金的重量比为3:1，铌铁合金为FeNb60（Nb+Ta含量为61重量%，Ta含量为0.2重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素），钛铁合金为FeTi40（Ti含量为40重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素）。

实施例5

与实施例1的包芯线相同，不同的是，包芯线A5中，铌铁合金与钛铁合金的重量比为0.1:1。

实施例6

与实施例1的包芯线相同，不同的是，包芯线A6中，铁合金为单独的铌铁合金。

实施例7

与实施例1的包芯线相同，不同的是，包芯线A7中，铁合金为单独的钛铁合金。

对比例1

与实施例4的包芯线相同，不同的是，包芯线D1的芯层为100重量%的VN16氮化钒合金粉料。

制备例

采用包芯线A1-A7在120吨转炉+120吨LF炉精炼炉+6机6流方坯连铸机上生产C含量0.34-0.38重量%，Mn含量1.45-1.70重量%，Si含量0.25-0.45重量%，钒含量0.05-0.08重量%，氮含量不小于0.0050重量%的36Mn₂VN钢，具体按如下步骤进行：

首先在转炉内加入140吨铁水，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水初炼成钢水，钢水中的C初炼到0.08重量%时出钢到钢包中，此时实际出钢量为133吨（转炉初炼过程中约5重量%的原料被烧损）。出钢过程中向钢水中加入FeSi、FeMn合金和无烟煤进行Si、Mn和C元素合金化，合金化后钢水中C含量为0.35重量%，Mn含量为1.50重量%，Si含量为0.30重量%，V含量为0.005重量%，此时在钢水中取样，取出的试样冷却后再加工成的氧氮仪小圆棒标准样，在氧氮仪上测定钢水中的氮含量为0.0050重量%。

钢水到达LF炉后开始电加热，当钢水温度加热到1575℃时停止加热，用喂线机喂入包芯线并同时摇晃钢包，同时对包芯线与钢水的接触区域喷吹惰性气体（惰性气体为氮气），以制备所需钒氮含量的钒氮合金化钢水，该过程的氮回收率（结果见表1）；然后在6机6流方坯连铸机上将钒氮合金化钢水浇铸成280mm×380mm铸坯，最后经轧制后，成材为壁厚为5mm的成品无缝钢管，其氮含量以及钒含量，屈服强度和抗拉强度见表1。

制备对比例

按照制备例的方法制备成品钢，不同的是，使用包芯线D1进行制备。

表1

表1中，均是在C含量，Mn含量，Si含量相同的条件下的各个成品钢的性能数据的对比以及氮回收率的对比。

由表1的数据可以看出，本发明的包芯线用于实现钢水钒和氮的合金化，能够依据需要有效增加氮含量而不影响钒含量，可在钢水需要的情况下生产氮含量更高的含钒钢，并且氮的回收率稳定。且采用本发明的包芯线进行钢水钒氮合金化得到的钒氮合金化钢水浇铸后得到的钒氮微合金钢屈服强度和抗拉强度高，例如对比制备对比例2与制备例4的结果可知，为获得基本性能相当的成品钢，采用本发明的包芯线合金化得到的钢所需钒含量大大降低，这无疑大大降低了生产成本；又如对比制备对比例1与制备例4的结果可知，采用本发明的包芯线合金化得到的钢在不增加钒含量的前提下，能够大大增加氮含量，且得到的成品钢屈服强度和抗拉强度更高。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种包芯线，该包芯线包括：芯层和包裹所述芯层的外层，其特征在于，所述芯层为含有钒氮合金、氮化硅铁、铁合金和铝铁合金的混合物，所述铁合金为铌铁合金和/或钛铁合金。

2.根据权利要求1所述的包芯线，其中，所述混合物中，钒氮合金的含量为50-94重量%，氮化硅铁的含量为4-15重量%，铁合金的含量为1-25重量%，铝铁合金的含量为1-25重量%。

3.根据权利要求1或2所述的包芯线，其中，所述钒氮合金中N含量为10-18重量%，V含量为76-82重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素。

4.根据权利要求1或2所述的包芯线，其中，所述氮化硅铁中N含量为32-39重量%，Si含量为48-58重量%，其余为少量的Fe和不可避免的其它杂质元素。

5.根据权利要求1或2所述的包芯线，其中，所述铁合金为铌铁合金和钛铁合金的混合合金，且所述铌铁合金与钛铁合金的重量比为1-10:1。

6.根据权利要求1或2所述的包芯线，其中，铝铁合金中Al含量为35-45重量%，其余为Fe和不可避免的其它杂质元素。

7.根据权利要求1或2所述的包芯线，其中，所述混合物为粉料形式，所述粉料的颗粒粒径在5mm以下，包芯线的所述外层为铁皮或钢皮。

8.权利要求1-7中任意一项所述的包芯线在制备钒氮合金化钢水中的应用。

9.一种钒氮合金化钢水的制备方法，该方法包括：将权利要求1-7中任意一项所述的包芯线喂入待钒氮合金化的钢水中进行钒氮合金化。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述待钒氮合金化的钢水为已经碳硅锰合金化的钢水，且所述待钒氮合金化的钢水的温度为1500-1600℃。

11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其中，在动态条件下进行钒氮合金化，且在包芯线喂入待钒氮合金化的钢水中的同时，对包芯线与所述钢水的接触区域喷吹惰性气体。

12.权利要求9-11中任意一项所述的方法得到的钒氮合金化钢水。

13.一种钒氮微合金钢，其特征在于，该钒氮微合金钢由权利要求12所述的钒氮合金化钢水浇铸而成。