CN105400927B

CN105400927B - 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

Info

Publication number: CN105400927B
Application number: CN201510998779.5A
Authority: CN
Inventors: 陈来祥
Original assignee: MAANSHAN ZHONGKE METALLURGICAL MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: MAANSHAN ZHONGKE METALLURGICAL MATERIAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2017-11-21
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: CN105400927A

Abstract

本发明公开了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，属于合金材料应用技术领域。多元素氮化合金包芯线的线芯包括以下组成成分(以质量分数计)：N：21～30％，V：9～28％，Si：29～45％，Mn：0.05～6％，Ti：0～4.0％，B：0～3.5％，C：0.12～1.3％，P≤0.10％，S≤0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质；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，具有强化效果充分、工艺稳定性好、目标钢种命中率高等优点。

Description

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

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

HRB400即热轧带肋钢筋，是指钢筋表面通过热轧工艺轧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≥400MPa，抗拉强度≥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。

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％,N:12～16％)或氮化钒铁(V：42～57％，N：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、热连轧、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0.84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。

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。

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V₂O₅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

1.要解决的问题

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。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

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：0.12～1.3％，P≤0.10％，S≤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。

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。

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。

上述的氮化合金包芯线在HRB400钢种强化处理工艺中的应用。

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：

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、钢水合金化工艺；

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；

3)连铸：将精炼钢水铸成铸坯；

4)铸坯轧制：炉温控制在1220～1270℃，加热保温时间为3.0～4.0h，采用控轧控冷工艺，开轧温度1010～1070℃，二次轧制温度890～930℃，终轧温度790～830℃。

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7～10min，流量控制在4～5M³/min，氩气纯度Ar≥99.5％，氮气纯度N₂≥99％。

优选地，钢水精炼过程中温度控制在1580～1620℃。

优选地，钢水精炼过程中氮化合金包芯线的喂线量为0.8～1.6kg/ts；喂线速度为200～280m/min。

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：1.2～1.5％，Al：0.001～0.006％，V：0.008～0.017％，Ti：0.001～0.004％，B：0.0005～0.0012％，N：0.009～0.016％，P≤0.035％，S≤0.035％。

优选地，所述步骤2)钢水中H、O含量最佳控制为：H≤5ppm，O≤30ppm。

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。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(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；

(2)本发明设计筛选验证合适的多元素氮化合金中V/N比为0.62～0.88，理论上的V/N应是3.64(即V与N完全形成VN化合物二者所需的质量分数比值)，单一的氮化钒或氮化钒铁的V/N比值分别为5.13和4.3，说明其N含量是不够的，同时因钢水的热力学条件和动力学条件的影响，要求实际含N量要高于理论含N量，所以采取本发明的多元素氮化合金能保证氮源的供给；

(3)本发明的多元素氮化合金，其成为分(质量分数)N：21～30％，V：9～28％，Si：29～45％，Ti：0～4.0％，Mn：0.05～6％，B：0～3.5％，C：0.12～1.3％，P≤0.10％，S≤0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质；具有以下优点：保持足够的N含量，使其V充分地与N化合形成析出沉淀强化作用；另外没有选取Nb昂贵的金属元素，而是调整Si、Ti、Mn元素的含量，达到相当的强化效果，使其多元素氮化合金的性价比最大化；

(4)本发明将多元素氮化合金破碎成0.01～4.5mm粉粒状并包覆成包芯线，可以精准地将多元素氮化合金加入到合适的钢水深部使氮化合金在较短的时间内熔化，设计筛选验证对钢性能强化效果影响因素变量最小的微合金化工艺，达到强化效果最充分、工艺稳定性好、目标钢种命中率高等目的；

(5)本发明完全弃除现有技术在出钢过程中加入块状氮化合金的工艺，设计并创造最佳的钢水精炼过程，以喂线的方式将多元素氮化合金精准加入到钢水深部，同时在喂线前后从钢包底部通过透气元件吹入Ar-N混合气体，控制其混合比、流量，在钢水中形成局部富氮区，使多元素氮化合金的功效得到进一步发挥，具有以下优越性：一是保证了精炼钢水的温度、成分、氧含量等稳定在一个合适的范围内，二是多元素氮化合金可以在一个稳定的、合适的热力学条件和动力学条件下与钢水熔合，本发明创新的钢水精炼工艺使得氮化合金强化效果充分，工艺稳定性好，目标钢种命中率高；

(6)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；

(7)本发明工艺稳定性得到突出的体现，钢水强化效果的稳定性得到突出的体现，钢种目标性能的命中率极高，达到100％；本发明使合金元素的利用率大幅度提高，工艺稳定性和强化效果良好，使其综合使用成本与原工艺相比可以降低33％以上；

(8)本发明的钢水精炼工艺保证了精炼钢水温度、成分均匀稳定，钢中气体含量(N、H、O)控制精准，在完全达到微合金化要求时加入多元素氮化合金包芯线到钢水深部，创造了最佳的钢水微合金化工艺所需要的热力学和动力学条件，避免了现有技术在出钢过程中加入时诸多因素变量的影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

(1)选择多元素氮化合金，其成分为(均以质量分数计，下同)：N：30％，V：9％，Si：41.2％，Mn：4.7％，Ti：2.6％，B：3.5％，C：0.12％，P：0.07％，S：0.06％，余量为Fe和微量杂质，破碎成0.01～4.5mm小颗粒；以上分数为质量分数。

(2)选择光亮钢带，其成分为：C：0.06％、Si≤0.01％、Mn：0.035％、P：0.018％、S：0.021％、Al：0.06％，余量为Fe，厚度为0.65mm；以上分数为质量分数。

(3)将步骤(1)中的加工料和步骤(2)中的钢带用包芯线机组包覆成包芯线。

(4)将步骤(3)中加工成型的多元素氮化合金包芯线用于转炉炼钢钢水精炼过程中。

(5)选择公称容量180吨的转炉，冶炼钢种为HRB400，其精炼工艺为：(a)转炉终点出钢(钢水温度控制在1680～1690℃；钢水成分：C：0.06～0.10％，P≤0.025％，S≤0.025％，O≤0.012％；在终点出钢过程中，用耐火材料制成的挡渣塞将钢水和渣子分离，使其熔渣不要随钢水流入钢包中；用Ca-Al合金作为脱氧剂，钢中氧脱至60ppm以下；用硅铁(75Si)、锰铁(65Mn)和硅锰合金(65Mn17Si)进行钢水合金化，用石油焦增碳剂(C≥98％)对钢水增碳)；(b)钢水精炼(钢水基本成分调整，使其C：0.17～0.24％、Si：0.35～0.55％、Mn：1.2～1.50％、P≤0.035％、S≤0.035％、Al≤0.006％，钢水温度调整使其温度控制在1580～1600℃，并对钢水实行脱气、除夹杂等钢水净化精炼工艺，使其钢中(H、O)含量为：O≤30ppm，H≤5ppm)；(c)精炼钢水中喂入多元素氮化合金包芯线(喂线量1.6kg/ts(即1.6千克包芯线每吨钢)，喂线速度260m/min)；(d)精炼钢水实行全过程吹氩，并在喂入多元素氮化合金包芯线前后吹入氩-氮混合气体(氩气的体积分数为85％)，吹入时间：10min，流量控制在4M³/min(使其钢水温度和成分均匀化，并进行钢水测温和成分微调：C：0.20％、Si：0.40％、Mn：1.5％、V：0.008％、Ti：0.002％，B：0.0012％、Al：0.006％、N：0.016％、P：0.035％、S：0.018％，温度：1590℃)；(e)精炼钢水进入连铸工段铸成铸坯(200mm×260mm矩形坯)；以上分数为质量分数。

(6)铸坯轧制

炉温控制在1220～1270℃，加热保温时间为3.0h，采用控轧控冷工艺，开轧温度1030～1070℃，二次轧制温度900～930℃，终轧温度810～830℃。本实施例的轧制工艺主要体现在特定地加热温度和控轧控冷工艺条件，使其每次轧制变性后，奥氏体发生重复再结晶而得到充分细化，多元素氮化合金非常弥散地、均匀地在奥氏体向铁素体转变的相界面上析出和有效地阻碍奥氏体晶界的迁移，并有效阻止铁素体晶粒长大细化晶粒，从而产生强烈的沉淀强化作用。同时改善了钢的韧塑性。

(7)轧制钢材(圆钢)性能检测，屈服强度(Rel)为452Mpa，抗拉强度(Rm)为648Mpa，伸长率(A)为28.1％。

对本实施例冶炼的HRB400型钢种进行焊接性能测试，焊接后，再进行拉伸试验，强度基本不变，试样拉伸断口均在远离焊接头的母材上为延性断口。原工艺情况是韧塑性降低，其断口非完全延性断口，时效性能：自然时效1个月后Rel下降10Mpa，3个月后下降12Mpa，趋势变平。Rm自然时效一周后下降2Mpa，1个月后下降7Mpa，其后基本不变。伸长率自然时效后上升2.5％，时效后屈强比更趋合理。金相组织及夹杂物：金相组织为铁素体+珠光体，其铁素体晶粒度级别达到11级，其夹杂物级别为0.5～1.0级。本实施例的综合使用成本比原工艺成本降低38％。

本实施例中的多元素氮化合金采用下述方法制备得到：

(1)选择原材料，硅铁、钒铁、金属锰、钛铁和硼铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：75％，C：0.75％，Si：2.5％，Al：3.0％，P：0.1％，S：0.08％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：72％，Mn：0.5％，Cr：0.5％，P：0.1％，S：0.1％，余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；钛铁的各组分质量分数为Ti：72％，Al：3.0％，Si：1.0％，P：0.04％，S：0.03％，Mn：1.5％，C≤0.30％，余量为Fe；金属锰的各组分质量分数为：Mn：98.3％，Fe：1.1％，Si：0.3％，C：0.09％，P：0.03％，S：0.02％和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硼铁的各组分质量分数为B：19％，C：1.2％，Si：5.7％，Al：1.3％，S：0.06％，P：0.14％，余量为Fe；以上分数为质量分数。

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷27％、硼砂21％、聚合树脂19％和羧甲基纤维素15％、丁基硬脂酸盐10％和聚乙烯醇8％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N混合气体(Ar气体积分数为95％，N气体积分数5％)，预处理5h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气，控制氮化炉内压力0.15Mpa，炉内第一阶段升温至900～1000℃，保温4h，第二阶段升温至1150～1200℃，保温9h，第三阶段升温至1300～1350℃，保温6h，再加热到1450～1530℃，保温12h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：30％，V：9％，Si：41.2％，Mn：4.7％，Ti：2.6％，B：3.5％，C：0.12％，P：0.07％，S：0.06％，余量为Fe和微量杂质的多元素氮化合金。

实施例2

(1)选择多元素氮化合金，其成分为：N：21％，V：28％，Si：29％，Ti：4.0％，Mn：6.0％，C：0.9％，S：0.10％，P：0.08％，余量为Fe和微量杂质，破碎成0.01～4.5mm小颗粒；以上分数为质量分数。

(2)选择光亮钢带，其成分为：C：0.06％、Si≤0.01％、Mn：0.032％、P：0.02％、S：0.019％、Al：0.062％，余量为Fe，厚度为0.30mm。

(5)选择公称容量120吨的转炉，冶炼钢种为HRB400，其精炼工艺为：(a)转炉终点出钢(钢水温度控制在1680～1690℃；钢水成分：C：0.06～0.12％，P≤0.025％，S≤0.025％，O≤0.012％；在终点出钢过程中，用耐火材料制成的挡渣塞将钢水和渣子分离，使其熔渣不要随钢水流入钢包中；用硅锰铝合金作为脱氧剂，钢中氧脱至60ppm以下；用硅铁(75Si)、锰铁(65Mn)和硅锰合金(65Mn17Si)进行钢水合金化，用石墨增碳剂(C≥98.5％)对钢水增碳；(b)钢水精炼(钢水基本成分调整，使其C：0.20～0.23％、Si：0.40～0.50％、Mn：1.2～1.3％、P≤0.03％、S≤0.03％、Al：0.001～0.002％，钢水温度调整使其温度控制在1590～1610℃，并对钢水实行脱气、除夹杂等钢水净化精炼工艺，使其钢中(H、O)含量为：H≤5ppm，O≤30ppm，(c)精炼钢水喂入多元素氮化合金包芯线(喂线量0.8kg/ts，喂线速度200m/min)；(d)精炼钢水实行全过程吹氩，并在喂入多元素氮化合金包芯线前后吹入氩-氮混合气体(氩气的体积分数为90％)，吹入时间：7min，流量控制在4.5m³/min；(使其钢水温度和成分均匀化，并进行钢水测温和成分微调：C：0.21％、Si：0.60％、Mn：1.20％、V：0.017％、Ti：0.004％、Al：0.003％、N：0.009％、P：0.027％、S：0.035％，温度：1590℃)；(e)精炼钢水进入连铸工段铸成铸坯(220mm×220mm方坯)。

(6)铸坯轧制

炉温控制在1220～1270℃，加热保温时间为4h，采用控轧控冷工艺，开轧温度1010～1050℃，二次轧制温度890～910℃，终轧温度800～820℃。本实施例的轧制工艺主要体现在特定地加热温度和控轧控冷工艺，使其每次轧制变性后，奥氏体发生重复再结晶而得到充分细化，多元素氮化合金非常弥散地、均匀地分布在奥氏体铁素体中和铁素体区，产生强烈的沉淀强化作用，同时改善了钢的韧塑性。

(7)轧制钢材(圆钢)性能检测(离散度小)，屈服强度(Rel)为458Mpa，抗拉强度(Rm)为627Mpa，伸长率(A)为27.3％。

对本实施例冶炼的HRB400型钢种进行焊接性能测试，焊接后，再进行拉伸试验，强度基本不变，试样拉伸断口均在远离焊接头的母材上为延性断口。原工艺情况是韧塑性降低，其断口非完全延性断口，时效性能：HRB400钢材，自然时效1个月后Rel下降9Mpa，3个月后下降11Mpa，趋势变平。Rm自然时效一周后下降1Mpa，1个月后下降8Mpa，其后基本不变。伸长率自然时效后上升1.7％，时效后屈强比更趋合理。金相组织及夹杂物：金相组织为铁素体+珠光体，其铁素体晶粒度级别达到11级，其夹杂物级别为0.5～1.0级。本实施例的综合使用成本原工艺成本降低33％。

本实施例中的多元素氮化合金采用下述方法制备得到：

(1)选择原材料，钒铁、硅铁、锰铁、钛铁并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：75％，C：0.75％，Si：2.5％，Al：3.0％，P：0.1％，S：0.08％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：72％，Mn：0.5％，Cr：0.5％，P：0.1％，S：0.1％，余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；锰铁的各组分质量分数为：Mn：75％，C：5.1％，Si：2.6％，P：0.13％，S：0.22％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；钛铁的各组分质量分数为Ti：72％，Al：3.0％，Si：1.0％，P：0.04％，S：0.03％，Mn：1.5％，C≤0.30％，余量为Fe；以上分数为质量分数。

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2.5％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷33％、硼砂16％、聚合树脂24％、羧甲基纤维素11％、丁基硬脂酸盐7％和聚乙烯醇9％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N混合气体(Ar气体积分数为85％，N气体积分数15％)，预处理3h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气，控制氮化炉内压力0.15Mpa，炉内第一阶段升温至900～1000℃，保温4h，第二阶段升温至1150～1200℃，保温9h，第三阶段升温至1300～1350℃，保温6h，再加热到1450～1530℃，保温12h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：21％，V：28％，Si：29％，Mn：6.0％，Ti：4.0％，C：0.9％，P：0.08％，S：0.10％，余量为Fe和微量杂质的多元素氮化合金。

实施例3

(1)选择多元素氮化合金，其成分为：N：26.1％，V：19.3％，Si：45％，Mn：0.05％，B：1.4％，C：1.3％，P：0.1％，S：0.06％，余量为Fe和微量杂质，破碎成0.01～4.5mm小颗粒。

(2)选择光亮钢带，其成分为：C：0.07％、Si≤0.01％、Mn：0.03％、P：0.02％、S：0.023％、Al：1.3％，厚度为0.56mm。

(3)将步骤(1)中的加工料和步骤(2)中的带钢用包芯线机组包覆成包芯线。

(4)将步骤(3)中加工形成的多元素氮化合金包芯线用于转炉炼钢钢水精炼过程中。

(5)选择公称容量220吨的转炉，冶炼钢种为HRB400，其精炼工艺为：(a)转炉终点出钢(钢水温度控制在1680～1690℃；钢水成分：C：0.06～0.12％，P≤0.025％，S≤0.025％，O≤0.012％；在终点出钢过程中，用耐火材料制成的挡渣塞将钢水和渣子分离，使其熔渣不要随钢水流入钢包中；用硅钙合金作为脱氧剂，钢中氧脱至60ppm以下；用硅铁(75Si)、锰铁(65Mn)和硅锰合金(65Mn17Si)进行钢水合金化，用煅烧煤增碳剂(C≥93％)对钢水增碳；(b)钢水精炼(钢水基本成分调整，使其C：0.21～0.24％、Si：0.45～0.60％、Mn：1.3～1.5、P≤0.03％、S≤0.03％、Al≤0.012％，钢水温度调整使其温度：1590～1620℃，并对钢水实行脱气、除夹杂等钢水净化精炼工艺，使其钢中(H、O)含量为：H≤5ppm，O≤30ppm；(c)精炼钢水中喂入多元素氮化合金包芯线(喂线量1.1kg/ts，喂线速度280m/min)；(d)精炼钢水实行全过程吹氩，并在喂入多元素氮化合金包芯线前后吹入氩-氮混合气体(氩气的体积分数为95％)，吹入时间：9min，流量控制在5m³/min；(使其钢水温度和成分均匀化，并进行钢水测温和成分微调：C：0.24％、Si：0.55％、Mn：1.37％、V：0.013％、Ti：0.001％、B：0.0005％、Al：0.001％、N：0.014％、P：0.019％、S：0.012％，温度：1590℃)；(e)精炼钢水进入连铸工段铸成铸坯(240mm×240mm方坯)。

(6)铸坯轧制

炉温控制在1210～1270℃，加热保温时间为3.5h，采用控轧控冷工艺，开轧温度1010～1040℃，二次轧制温度890～920℃，终轧温度790～810℃。本实施例的轧制工艺主要体现在特定地加热温度和控轧控冷工艺，使其每次轧制变性后，奥氏体发生重复再结晶而得到充分细化，多元素氮化合金非常弥散地、均匀地分布在奥氏体铁素体中和铁素体区，产生强烈的沉淀强化作用，同时改善了钢的韧塑性。

(7)轧制钢材(圆钢)性能检测(离散度小)，屈服强度(Rel)为478Mpa，抗拉强度(Rm)为652Mpa，伸长率(A)为25.3％。

对本实施例冶炼的HRB400型钢种进行焊接性能测试，焊接后，再进行拉伸试验，强度基本不变，试样拉伸断口均在远离焊接头的母材上为延性断口。原工艺情况是韧塑性降低，其断口非完全延性断口，时效性能：HRB400钢材，自然时效1个月后Rel下降8Mpa，3个月后下降11Mpa，趋势变平。Rm自然时效一周后下降2Mpa，1个月后下降9Mpa，其后基本不变，伸长率自然时效后上升1.3％，时效后屈强比更趋合理，有利于抗震性能的改善。金相组织及夹杂物：金相组织为铁素体+珠光体，其铁素体晶粒度级别达到11级，其夹杂物级别为0.5～1.0级。本实施例的综合使用成本比原工艺成本降低41％。

本实施例中的多元素氮化合金采用下述方法制备得到：

(1)选择原材料，硅铁、钒铁、锰铁和硼铁，并分别破碎成粒度≤10mm；然后磨粉，其细粉细度≤0.15mm；选用的钒铁的各组分质量分数为V：75％，C：0.75％，Si：2.5％，Al：3.0％，P：0.1％，S：0.08％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硅铁的各组分质量分数为Si：72％，Mn：0.5％，Cr：0.5％，P：0.1％，S：0.1％，余量为Fe和微量C、Al、Ca、Mg等不可避免的杂质；锰铁的各组分质量分数为：Mn：65％，C：4.7％，Si：3.2％，P：0.01％，S：0.19％，余量为Fe和微量Ca、Mg等不可避免的杂质；硼铁的各组分质量分数为B：14％，C：2.1％，Si：6.2％，Al：1.1％，S：0.07％，P：0.12％，余量为Fe；以上分数为质量分数。

(2)将(1)加工得到的原料细粉进行配比，然后加2％(质量分数)结合剂充分混匀并用强力压球机在压力大于100Mpa的压力下压块；结合剂由聚硼硅氧烷29％、硼砂18％、聚合树脂22％、羧甲基纤维素17％、丁基硬脂酸盐8％和聚乙烯醇6％组成，以上分数为质量分数；

(3)将(2)制成的球块料放入真空炉内加热，控制温度在680～750℃范围内，同时炉膛内充入Ar-N混合气体(Ar气体积分数为90％，N气体积分数为10％)，预处理4h。

(4)将预处理好的块料放入氮化炉内进行氮化处理，氮化处理过程中通入氮气，控制氮化炉内压力0.15Mpa，炉内第一阶段升温至900～1000℃，保温4h，第二阶段升温至1150～1200℃，保温9h，第三阶段升温至1300～1350℃，保温6h，再加热到1450～1530℃，保温12h，最后随炉缓冷至300℃以下，获得成分：N：26.1％，V：19.3％，Si：45％，Mn：0.05％，B：1.4％，C：1.3％，P：0.10％，S：0.06％，余量为Fe和微量杂质的多元素氮化合金。

Claims

1.一种多元素氮化合金包芯线，包括线芯和包覆层，其特征在于：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％，Ti：0～4.0％，B：0～3.5％，C：0.12～1.3％，P≤0.10％，S≤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，多元素氮化合金中V/N比为0.62～0.88。

2.根据权利要求1所述的一种多元素氮化合金包芯线，其特征在于：所述的线芯由粒径为0.01～4.5mm的多元素氮化合金制成。

3.权利要求1所述的多元素氮化合金包芯线在HRB400钢种强化处理工艺中的应用。

4.权利要求3所述的多元素氮化合金包芯线在HRB400钢种强化处理工艺中的应用方法，其步骤为：

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，然后往钢水中喂入权利要求1中所述的多元素氮化合金包芯线；

3)连铸：将精炼钢水铸成铸坯；

5.根据权利要求4所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，其特征在于：钢水精炼过程中，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％。

6.根据权利要求4所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，其特征在于：钢水精炼过程中温度控制在1580～1620℃。

7.根据权利要求4所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，其特征在于：钢水精炼过程中氮化合金包芯线的喂线量为0.8～1.6kg/ts；喂线速度为200～280m/min。

8.根据权利要求4所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，其特征在于：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：1.2～1.5％，Al：0.001～0.006％，V：0.008～0.017％，Ti：0.001～0.004％，B：0.0005～0.0012％，N：0.009～0.016％，P≤0.035％，S≤0.035％。

9.根据权利要求8所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，其特征在于：HRB400钢中H、O含量控制为：H≤5ppm，O≤30ppm。