專利名稱：一種在鋼中添加氮化釩合金的微合金鋼的煉鋼方法
技術領域：
本發明屬于鋼鐵冶金技術領域，涉及在鋼中添加氮化釩的微合金鋼的冶煉方法。
背景技術：
在微合金鋼的煉鋼工藝中，可通過在鋼中添加氮化釩(VN)合金，增加微合金鋼中的釩和氮，從而改善鋼的性能。但一直以來，粉體氮化釩合金被認為不適應于煉鋼，在現有的工藝中，一般是在出鋼前后直接在鋼包中加入塊狀VN合金。這些塊狀VN合金通常是這樣制備的將釩氧化物如V2O5，V02，V2O3等與碳質粉混合并磨細至120目、然后與粘結劑的水溶液混合、壓塊造型、烘干后送入制備爐，經向制備爐通入氮氣或氮-氨混合氣體，使物料進行預還原、碳化和氮化反應，由此制得塊狀VN合金，CN1478915A、CN1644510A、CN1562770A 所公開的都是這種工藝。用這種塊狀VN合金產品煉鋼，存在以下缺點1、這種塊狀VN合金的密度一般為3. 0-4. Og/cm3，投入鋼液后將較長時間飄浮在鋼液表層，在鋼液中的熔解速度較慢，容易被氧化而降低釩、氮回收率；2、這種塊狀產品存在大量小氣孔，其吸附的空氣和水氣，在高溫鋼液中與VN作用，也將降低釩、氮回收率；3、這種塊狀產品組成均勻性差， 造成其在鋼中的添加量難以準確控制，并在鋼中的分佈不夠均勻，使得鋼材的力學性能較差且分散性大、質量不夠穩定。為克服上述缺點，CN1818086A公開了一種用于添加入鋼液中的氮化釩合金粉體包芯線的技術方案，這種方案的特點是用鋼質外層包裹含有VN合金粉體的芯層，制作成包芯線，在煉鋼時將包芯線喂入鋼液深處，以期達到使氮化釩較好地熔入鋼液，提高釩和氮元素回收率的目的。但是該方案也存在以下缺點需要專門的包芯線制造工藝和應用大量的鋼帶；煉鋼時需應用喂絲機將包芯線喂入鋼液中；鋼液需先熔化包芯線的鋼質外層后再與VN 合金粉體作用，不但VN合金進入鋼液速度慢，而且熔化包芯線鋼質外層的鋼皮需消耗較多的熱能；包芯線鋼質外層重量比大，運輸成本大。

發明內容
本發明的目的是提出一種在鋼中添加氮化釩合金的微合金鋼的煉鋼的新工藝，以克服上述現有技術所存在不足和弊端。本發明所提出的技術方案的特點是在煉鋼時，當倒入鋼包的鋼液占出鋼量20 40%時，將一種經特定密封包裝的氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼包，再沖入剩余的鋼液； 所述的氮化釩合金添加劑為氮化釩合金粉體與0-10% (推薦比例范圍為1.5-10%)的鋁粉或鋁粒的混合物，用包裝袋密封包裝成包裝塊，所述的包裝袋由有足夠強度的紙質包裝紙外層和單層或雙層不透氣塑料膜襯裡構成，所述的包裝袋的不透氣塑料膜襯裡的材質可為聚丙烯、聚氯乙烯和聚乙烯中的任一至兩種，所述的包裝袋的外層紙質包裝紙可為牛皮紙、牛卡紙、水泥紙袋紙或白牛皮紙，密封包裝而成的氮化釩合金添加劑包裝塊的規格范圍以長38-60cm、寬20-33cm、高7-llcm為宜，可帶有抓手，以方便投入鋼包中；所述的氮化釩合金粉體是將釩化合物粉料與碳質粉料混配而成的混合粉體原料，置于制備爐中，經向制備爐中通入氨氣或氨-氮混合氣體，使物料進行預還原和氮化反應，或者向制備爐中通入氮氣、氮-氨或氮-氫混合氣體，使物料進行預還原、碳化和氮化反應，直接獲得的氮化釩合金粉體。上述的氮化釩合金添加劑按以下方法制備由釩化合物粉料與碳質粉料混配而成的混合粉體原料，在制備爐中經預還原和氮化反應，或者經預還原、碳化和氮化反應而獲得氮化釩合金粉體后，即與0-10%的鋁粉或鋁粒均勻混配，用內襯塑料膜襯裡的包裝袋密封包裝成包裝塊，使所包裝的氮化釩合金粉體盡量減少被氧化和吸濕的機會。本發明所述的氮化釩合金粉體可通過以下兩種具體工藝方法制備第一種制備工藝的步驟如下(1)將由釩化合物粉料與占釩化合物粉料重量2 15%的碳質粉料混配而成的混合粉料，以薄的料層鋪載于料盤中，料盤迭疊成多層料車，由自動裝置連續推送進出制備爐，進行預還原和氮化反應；(2)通入制備爐的反應氣體為氨氣或含氮氣體積分數不大于5%的氨-氮混合氣體，其流向與粉料進料方向相反； (3)物料在預還原反應階段的溫度控制在300 600°C，在氮化反應階段的溫度控制在600 780 0C ；(4)物料反應結束后，在反應氣體保護下冷卻到50 100°C后以氮化釩合金粉體出爐。(5)制備爐可采用隧道爐，可采用推板爐或用網帶爐，可用傳統加熱方式或用微波加熱方式。第二種制備工藝的步驟如下(1)將由釩化合物粉料與占釩化合物粉料重量20-35%的碳質粉料混合成混合料，或將此混合料研磨成小于120目的粉料，粉料以薄的料層鋪載于料盤中，料盤迭疊成多層料車，由自動裝置連續推送進出制備爐，制備爐為推板隧道爐，可采用傳統加熱方式或微波加熱方式，進行預還原、碳化和氮化反應；(2)通入制備爐的反應氣體為N2氣或含NH3氣體積分數不大于IO^WN2-NH3混合氣體，或者含H2氣體積分數不大于10%的R-H2混合氣體，其流向與粉體進料方向相反；(3)物料在預還原段的溫度控制在400-700°C，在碳化、氮化段的溫度控制在 1000-1600°C。(4)物料反應結束后，在反應氣體保護下冷卻到100-150°C后以氮化釩合金粉體出爐。在上述工藝方法中，所述原料中的釩化合物可為V205、V02、V203、NH4VO3或多聚釩酸銨的一種或它們的混合物。所述原料中的碳質粉料可為木炭、石墨、活性炭或碳黑的粉劑。上述制備工藝能保證反應物料在全部反應過程中始終保持良好的粉體狀態，并使所制備氮化釩合金粉體具有較高的含氮量。本發明與現有技術比較，具有以下優點(1)盡管氮化釩合金粉體的堆積密度較低，但VN的理論密度為6. 15g/cm3，產品中的顆粒的密度接近此理論值，與鋼液的密度相接近，容易進入鋼液，減少被空氣氧化；(2)在實際使用時，氮化釩合金粉體用內襯塑料層的紙質紙包裝成帶抓手的密封包裝塊，使用方便；在出鋼量約20-40%時投入鋼包中，再沖入剩下的鋼液；由于粉體粒度為微米級，一經接觸鋼液即迅速熔解并被吸收，避免暴露于空氣中被氧化；(3)通過在氮化釩合金粉體包裝品中混入少量的活潑性極高的鋁粉或鋁粒，利用煉鋼時的高溫迅速將粉體中殘留的少量氧氣和水氣除去，保護VN不被氧化；因此，煉鋼時用本發明包裝的氮化釩合金粉體產品能大幅度提高釩、氮回收率；(4)以往的VN合金塊體產品表里組成均勻性差，不同塊體間的組成也不盡相同， 本發明的氮化釩合金粉體產品本身的組成均勻性較好，即使不同批次的產品的品位有差別，也容易通過混配使其組成均一，能保證鋼材獲得等量的VN，有效提高鋼材的機械力學性能的穩定性；粉體產品在鋼液中的溶解速度極快，在鋼中的分佈更均勻，能有效提高鋼材機械力學性能。(5)與現有VN合金塊體生產工藝方法比較，粉體VN合金的制備工藝反應溫度降低，反應時間縮短，節能且節省氣體用量，降低生產成本；粉體VN合金生產工藝釩原料適用面廣，不僅適于釩氧化物，尤其適于NH4VO3和多聚釩酸銨，而現有的VN合金塊體工藝須用釩氧化物，因而粉體工藝比塊體工藝簡化掉由NH4VO3或多聚釩酸銨制備釩氧化物的工序，不僅降低原料成本，而且保護環境；粉體工藝免去了塊體工藝原料制備中使用粘結劑水溶液混料、壓塊造型和塊原料干燥等生產環節，節省設備、人力、用地等投入；粉體VN合金的氮含量遠比塊體的高，質量好，能充分利用資源無限的氮。
具體實施例方式實施例一煉鋼在30噸轉爐中進行，共做了 10爐。將98. 5% (質量百份比)的氮化釩合金粉體與1.5% (質量百份比)的鋁粒混合均勻，用聚丙烯和聚氯乙烯雙層襯裡的牛皮紙密封包裝成包裝塊，制成氮化釩合金添加劑。在出鋼量約20 %時，將氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼液中部，再沖入剩下的鋼液。根據加入氮釩合金的量和鋼中增加的釩量和氮量，計算釩和氮的平均回收率分別為95. 1^^Π86.1%。鋼中釩含量為0. 069 士 0. 002%。將獲得的鋼錠軋成Φ 25mm的鋼筋，其屈服強度為558_567MPa，平均值563. 8MPa ；抗拉強度為711_718MPa， 平均值715. 5MPa ；延伸率為21. 0-22. 5%，平均值21. 7% ；此結果比文獻用塊狀VN合金煉鋼在相近釩含量的鋼筋的結果好，而且鋼性能穩定性非常好。所述氮化釩合金粉體由以下工藝直接制備獲得稱取相當于偏釩酸銨的量的的碳黑粉，與偏釩酸銨充分混合并磨細到120 目。將混合料以薄層鋪載于料盤中并迭疊成料車，推進工業微波加熱推板隧道爐中，同時通入含H2氣體積分數為8%的隊-!12混合氣體，使爐內保持微正壓。物料在預還原段的溫度控制在450-600°C，然后升溫到1480°C進行碳化和氮化反應，并保溫2小時，隨爐冷卻到150°C 出料，獲得78. 3% V、18. 4% N、0. 83% C，余量為反應物雜質的氮化釩合金粉體。實施例二煉鋼在50噸轉爐中進行，共做了 11爐。將92% (質量百分比)的氮化合金粉體與8% (質量百分比)的鋁粉體混合均勻，用聚丙稀和聚乙稀雙層襯裡的牛卡紙密封包裝成包裝塊，制成氮化釩合金添加劑。在出鋼量約25%時，將氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼包中部，再沖下剩下的鋼液。根據加入的釩氮合金的量和鋼中增加的釩量和氮量，計算釩和氮的平均回收率分別為93. 2%和85.4%。鋼中釩含量為0.034士0.002%。將獲得的鋼錠軋成Φ 22mm的鋼筋，其屈服強度為495_505MPa，平均值498. 7MPa ；抗拉強度為640_645MPa， 平均值641. 6MPa ；延伸率為22. 5-24. 5%，平均值23. 8%。此結果比文獻報道的用塊狀VN 合金在相近釩含量的鋼筋的結果好，鋼性能穩定性十分好。所述氮化釩合金粉體由以下工藝直接制備獲得稱取相當于多釩酸銨質量8. 5%的木炭粉，與多釩酸銨充分混合均勻后鋪載于料盤中并迭疊成料車，推進用傳統加熱方式的網帶隧道爐中。通入含NH3氣體積比為5%的 N2氣的NH3-N2混合氣體，爐內保持微正壓，控制還原段爐溫400-600°C，氮化段的溫度為 720-7700C，保溫4小時，然后在冷卻段冷至100°C后自動出爐。得到含71. 2% VU7. 8% N, 5. 57% C，余量為反應物雜質的氮化釩合金粉體。實施例三煉鋼在30噸轉爐中進行，共做了 8爐。將98% (質量百分比)的氮化釩合金粉體與2% (質量百分比)的鋁粉混合均勻，用聚丙稀單層襯裡的水泥袋紙密封包裝成包裝塊。在出鋼量約30%時，將氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼包中部，再沖下剩下的鋼液。 根據加入釩氮合金的量和鋼中增加的釩量和氮量，計算釩和氮的平均回收率分別為95. 2% 和85.6%。鋼中釩含量為0.048士0.002%。將獲得的鋼錠軋成Φ 22mm的鋼筋，其屈服強度為532-540MPa，平均值538. 2MPa ；抗拉強度為675_683MPa，平均值681. 9MPa ；延伸率為 22. 0-24. 0%，平均值22. 9%。此結果比文獻報道的用塊狀VN合金在相近釩含量的鋼筋的結果好，鋼性能穩定性很好。所述氮化釩合金粉體由以下工藝直接制備獲得稱取含釩66. 4%的釩氧化物與25 %的活性碳粉體混合研磨到120目，將混合料以薄層鋪載于料盤中并迭疊成料車，推進傳統加熱推板隧道爐中，同時通入N2氣使爐內保持微正壓，物料在400-700°C進行預還原，在1000-1550°C碳化和氮化并保溫5小時，隨爐冷卻到150°C出料，得到含78. 6% VU8.0% NU. 72% C，余量為反應物雜質的氮化釩合金粉體。實施例四煉鋼在30噸轉爐中進行，共做了 7爐。將95% (質量百分比)的氮化釩合金粉體與5% (質量百分比)的鋁粒混合均勻，用聚乙烯單層襯裡的白牛皮紙密封包裝成包裝塊，制成氮化釩合金添加劑。在出鋼量約為35 %時，將氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼包中部，再沖下剩下的鋼液。根據加入的釩氮合金的量和鋼中增加的釩量和氮量，計算釩和氮的平均回收率分別為93. 9%和84.9%。鋼中釩含量為0.056士0.002%。將獲得的鋼錠軋成 Φ 25mm的鋼筋，其屈服強度為535445MPa，平均值539. 4MPa ；抗拉強度為673_687MPa，平均值681. 7MPa ；延伸率為22. 2-23. 5%，平均值22. 9%。此結果比文獻報道的用塊狀VN合金在相近釩含量的鋼筋的結果好得多，鋼性能穩定性很好。所述氮化釩合金粉體由以下工藝直接制備獲得稱取相當于V2O5粉體量的12% (質量百分比)的碳黑粉，與V2O5粉體充分混合均勻。將混合料以薄層鋪載于料盤中并迭疊成料車，推進工業微波推板隧道爐中，同時通入干燥的NH3氣并保持爐內微正壓，控制還原段爐溫350-580°C，氮化段的溫度為700_750°C，并保溫4小時，隨爐冷卻到100°C出料，得到含72. 4% V、18. 3% N、4. 54% C，余量為反應物雜質的氮化釩合金粉體。
實施例五煉鋼在30噸轉爐中進行，共做了 10爐，將95% (質量百分比)的氮化釩合金粉與 5% (質量百分比)的鋁粒混合均勻，用聚丙烯和聚氯乙烯雙層襯裡的牛皮紙密封包裝成包裝塊，制成氮化釩合金添加劑。在出鋼量約25 %時，將氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼包中部，再沖下剩下的鋼液。根據加入的釩氮合金的量和鋼中增加的釩量和氮量，計算釩和氮的平均回收率分別為93. 8%和84. 3%。鋼中釩含量為0.033士0.002%。將獲得的鋼錠軋成 Φ 25mm的鋼筋，其屈服強度為475_490MPa，平均值485. IMPa ；抗拉強度為610_620MPa，平均值617. 2MPa ；延伸率為22. 8-25. 0%，平均值3%。此結果比文獻報道的用塊狀VN合金在相近釩含量的鋼筋的結果好，鋼性能穩定性很好。所述氮化釩合金粉體由以下工藝直接制備獲得稱取相當于偏釩酸銨質量2. 5%的木碳粉，與偏釩酸銨充分混合后鋪載于料盤中并迭疊成料車，推進用傳統加熱方式的推板隧道爐中。通入含NH3氣體積比為3%的 N2的NH3A2混合氣體，爐內保持微正壓，控制還原段爐溫為350-580°C，氮化段的溫度為 750-780°C，保溫4. 5小時，然后在冷卻段冷至80°C后自動出爐。得到含76. 7% VU8. 7% N、0. 93% C，余量為反應物雜質的氮化釩合金粉體。實施例六煉鋼在30噸轉爐中進行，共做了 6爐。將97.5% (質量百分比)的氮化釩合金粉體與2. 5% (質量百分比)的鋁粉混合均勻，用聚乙烯單層襯裡的牛皮紙密封包裝成包裝塊，制成氮化釩合金添加劑。在出鋼量約30%時，將氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼液中部，再沖入剩下的鋼液。根據加入氮化釩合金的量和鋼中增加的釩量和氮量，計得釩和氮的平均回收率分別為95. 8%和84. 1%。鋼中釩含量為0. 045士0. 002%。將獲是的鋼錠軋成 Φ 25mm的鋼筋，其屈服強度為517_528MPa，平均值520. 5MPa ；抗拉強度為663_672MPa，平均值665. 4MPa ；延伸率為22. 2-24. 3%，平均值23. 1%。此結果比文獻報道的用塊狀VN合金在相近釩含量的鋼筋的結果好，鋼性能穩定性十分好。所述氮化釩合金粉體由以下工藝直接制備獲得稱取相當于V2O5的量的33%的活性碳粉，與V2O5粉體充分混合均勻。將混合料以薄層鋪載于料盤中并迭疊成料車，推進工業微波推板隧道爐中，同時通入含NH3氣體積分數為10%的K-NH3混合氣體，使爐內保持微正壓。物料在預還原段的溫度控制在420-650°C， 然后升溫到1400°C進行碳化和氮化反應，并保溫2. 5小時，隨爐冷卻到100°C出料，獲得得 77. 8% V、18. 5% N、2. 52% C，余量為反應物雜質氮化釩合金粉體。
權利要求
1.一種在鋼中添加氮化釩合金的微合金鋼的煉鋼方法，在倒入鋼包的鋼液占出鋼量 20 40%時，將氮化釩合金添加劑投入鋼包，再沖入剩余的鋼液，其特征在于所述的氮化釩合金添加劑為氮化釩合金粉體與0-10%的鋁粉或鋁粒的混合物，用包裝袋密封包裝成包裝塊，所述的包裝袋由有足夠強度的紙質包裝紙外層和單層或雙層不透氣塑料膜襯裡構成，所述的氮化釩合金粉體是將釩化合物粉料與碳質粉料混配而成的混合粉體原料，置于制備爐中，經向制備爐中通入氨氣或氨-氮混合氣體，使物料進行預還原和氮化反應，或者向制備爐中通入氮氣、氮-氨或氮-氫混合氣體，使物料進行預還原、碳化和氮化反應，直接獲得的氮化釩合金粉體。
2.根據權利要求1所述的煉鋼方法，其特征在于所述的氮化釩合金添加劑為氮化釩合金粉體與1. 5-10%的鋁粉或鋁粒的混合物，用包裝袋密封包裝成包裝塊。
3.根據權利要求1所述的煉鋼方法，其特征在于所述的氮化釩合金添加劑的制備方法如下由釩化合物粉料與碳質粉料混配而成的混合粉體原料，在制備爐中經預還原和氮化反應，或者經預還原、碳化和氮化反應而獲得氮化釩合金粉體后，即與0-10%的鋁粉或鋁粒均勻混配，用內襯塑料膜襯裡的包裝袋密封包裝成包裝塊。
4.根據權利要求1所述的煉鋼方法，其特征在于所述的包裝袋的不透氣塑料膜襯裡的材質為聚丙烯、聚氯乙烯和聚乙烯中的任一至兩種。
5.根據權利要求1所述的煉鋼方法，其特征在于所述的包裝袋的外層紙質包裝紙為牛皮紙、牛卡紙、水泥紙袋紙或白牛皮紙。
6.根據權利要求1所述的煉鋼方法，其特征在于所述的氮化釩合金添加劑包裝塊的尺寸范圍為長 38-60cm,寬 20-33cm，高 7-llcm。
7.根據權利要求1或2所述的煉鋼方法，其特征在于所述的氮化釩合金粉體是按以下工藝制備的(1)將由釩化合物粉料與占釩化合物粉料重量2 15%的碳質粉料混配而成的混合粉料，以薄的料層鋪載于料盤中，料盤迭疊成多層料車，由自動裝置連續推送進出制備爐，制備爐為隧道爐，用傳統加熱方式或微波加熱方式，進行預還原和氮化反應；(2)通入制備爐的反應氣體為氨氣或含氮氣體積分數不大于5%的氨-氮混合氣體；(3)物料在預還原反應階段的溫度控制在300 600°C，在氮化反應階段的溫度控制在 600 780 °C ；(4)物料反應結束后，在反應氣體保護下冷卻到50 100°C后以氮化釩合金粉體出爐。
8.根據權利要求1或2所述的煉鋼方法，其特征在于所述的氮化釩合金粉體是按以下工藝制備的(1)將由釩化合物粉料與占釩化合物粉料重量20-35%的碳質粉料混合成混合料，或將此混合料研磨成小于120目的粉料，粉料以薄的料層鋪載于料盤中，料盤迭疊成多層料車，由自動裝置連續推送進出制備爐，制備爐為推板隧道爐，用傳統加熱方式或微波加熱方式，進行預還原、碳化和氮化反應；(2)通入制備爐的反應氣體為氮氣或含氨氣體積分數不大于10%的氮-氨混合氣體， 或者含氫氣體積分數不大于10%的氮-氫混合氣體；(3)物料在預還原段的溫度控制在400-700°C，在碳化、氮化段的溫度控制在 1000-1600°C。(4)物料反應結束后，在反應氣體保護下冷卻到100-150°C后以氮化釩合金粉體出爐。
9.根據權利要求1或3所述的煉鋼方法，其特征在于所述的釩化合物為V205、V02、V203、 NH4VO3或多聚釩酸銨的一種或它們的混合物。
10.根據權利要求1或3所述的煉鋼方法，其特征在于所述的碳質粉料為木炭、石墨、活性炭或碳黑的粉劑。
全文摘要
本發明提出一種在鋼中添加氮化釩合金的微合金鋼的煉鋼方法，該方法的特點是在煉鋼時，當倒入鋼包的鋼液占出鋼量20～40％時，將一種經特定密封包裝的氮化釩合金添加劑包裝塊投入鋼包，再沖入剩余的鋼液；所述的氮化釩合金添加劑為氮化釩合金粉體與0～10％的鋁粉或鋁粒的混合物，用包裝袋密封包裝成包裝塊；所述的包裝袋由有足夠強度的紙質包裝紙外層和單層或雙層不透氣塑料膜襯裡構成；所述的氮化釩合金粉體是將釩化合物粉料與碳質粉料混配而成的混合粉體原料，置于制備爐中，經向制備爐通入氨氣或氮氣，使物料進行預還原、碳化、氮化反應而直接獲得的氮化釩合金粉體。與現有的微合金鋼的煉鋼方法比較，本發明能有效提高釩、氮回收率和鋼材的質量。
文檔編號C21C7/072GK102220454SQ20101015600
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月19日 優先權日2010年4月19日
發明者吳建鋒, 蔡惜輝, 鄭臣謀 申請人:廣東延能新材料科技有限公司