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氮在含釩鋼中的作用→釩的節約



在釩鋼中加入適量的氮,一方面,顯著促進V(C,N)的析出,細化鋼的鐵素體晶粒,提高鋼的強度,改善鋼的塑韌性,使鋼獲得了良好的綜合性能;另一方面,在保證原鋼種強度水平的前提下,在釩鋼中增加適量的氮可減少釩的加入量,對鋼的制造者來說可以產生明顯的經濟效益,降低鋼的生產成本。為了說明這個問題,以下舉幾個鋼材品種的實例深入說明增氮帶來的經濟效益。



建筑用鋼筋


根據中國的國家標準GB 1499.2-2018,建筑用鋼筋普遍采用HRB系列2019年建筑用鋼筋總產量達2.5億噸,其中級及以上高強度鋼筋產量占鋼筋總量的85%以上,是我國鋼材品種中產量最大、應用最多的一個鋼類

1給出了試驗用鋼的化學成分、力學性能和釩節約的試驗結果。由表1可以看出,當鋼筋中的氮含量從0.0046%增加到0.0130%、釩含量從0.09%減少到0.06%時,低釩鋼的屈服強度仍比高釩鋼高出37MPa,即使認為兩者強度相同,此時釩的節約量也可達到33.3%,經濟效益明顯。按中國年產級及以上高強度鋼筋2.1億噸計算,則每年可節約釩達6.萬噸,經濟效益是相當可觀的,同時還可減少生產鐵合金時環境的負擔,減少有害氣體和廢物的排放,因此也具有相當可觀的社會效益。

1  試驗用鋼的化學成分、力學性能和釩節約比例的試驗結果


H型鋼


H型鋼又名寬緣工字鋼,廣泛用于鋼結構建筑。與鋼筋混凝土結構相比,它具有抗震性能好、構件強度高、自重輕、基礎工程量減少、造價降低等優點;同時鋼結構建筑跨距大,結構占用面積小,可使用面積大,易于進行干法施工,降低噪聲,利于環保等。H型鋼主要用于民用建筑鋼結構中的梁和柱,工業建筑鋼結構的承重支架、管道支架、運輸橋支架、礦井支架;高爐爐體框、工業樓蓋梁;地下工程的鋼樁及支護結構;石油、化工、電力等工業設備支架,大跨度鋼橋構件及海上采油平臺等,應用范圍非常廣泛。以美國為例,在房屋建筑中使用H型鋼的鋼結構的占有率高達52%。在中國,H型鋼的應用也越來越多,其年產量達千萬噸。隨著建筑物向高層和大空間方向發展,對H型鋼也相應地提出了高強度和厚截面特性的更高要求。

在生產高強度和厚截面H型鋼時,根據H型鋼的生產工藝特點,與采用鈮、鈦微合金化方法相比,采用V-N微合金化是最好的選擇,可充分利用V(C,N)的析出強化和細化晶粒作用,獲得高強度,保證厚截面H型鋼的均勻性和良好的綜合性能,顯著節約合金元素,降低制造成本。

2給出了試驗用鋼的化學成分、力學性能和釩節約比例的試驗結果。由表2可以看出,在高強度H型鋼的情況下,把釩鋼中的氮含量從0.008%增加到V-N鋼的0.0136%,其他成分基本保持不變,兩者的強度和塑性基本相同或V-N鋼略高,則此時節約的釩含量高于39.2%,經濟效益十分明顯,它不僅大大降低了H型鋼的制造成本,而且節省了資源,有利于環境保護,減輕環境負擔。由于H型鋼的產量比較多,節省的釩的數量也就比較多,因此它所帶來的經濟效益和社會效益是相當可觀的。

2  氮含量對含釩的H型鋼節約合金元素影響的試驗結果


非調質鋼


非調質鋼是采用微合金化技術研制的取代需淬火+回火處理的傳統調質鋼的一種新型結構鋼,國外稱為微合金化鍛鋼(microalloyed forging steels)。由于非調質鋼不需要熱處理、矯直、消除應力和改善切削性能,所以制造成本低,這是非調質鋼的突出特點。

在鈮、釩、鈦三種主要微合金化元素中,釩的溶解度最高,在1150℃較低的加熱溫度下,只有釩能全部固溶在奧氏體中。特別是在碳含量較高的非調質鋼的情況下,鈮和鈦的溶解度都明顯下降,只有釩仍具有較高的溶解度,所以釩是非調質鋼用得最多的沉淀強化元素。由于釩與氮的親和力比碳大得多,加入鋼中的釩很容易以富氮的碳氮化物的形式析出。其中氮化釩(或碳氮化釩)比碳化釩的溶解度低得多,因而穩定性好,在鋼中能高度彌散分布,可獲得顯著的強化效應,如圖1所示,氮能顯著提高非調質鋼的強度。釩和氮的復合作用,既可提高強度,又能保持較好的韌性,因此氮就成為了非調質鋼不可缺少的廉價合金元素了,從而為非調質鋼節約合金元素釩、降低鋼的制造成本奠定了基礎。

1  釩氮對中碳非調質鋼析出強化的復合作用

3給出了非調質試驗用鋼的化學成分、力學性能和釩的節約比例的試驗結果。由表3可以看出,在中碳非調質35MnV鋼的情況下,當碳和錳含量基本相同或接近、氮含量從0.006%增加到0.014%時,在保證力學性能基本相同的前提下,則釩的添加量至少可減少25%以上。

3  非調質試驗用鋼的化學成分、力學性能和釩的節約比列的試驗結果

以上結果表明,氮是含釩非調質鋼中一個很有效的合金元素,在保證相同強度水平的情況下,可大大節約釩的加入量,降低鋼的制造成本。2給出了釩鋼中適當增加氮含量對釩含量節約的綜合評價結果,由此可以看出,增氮后釩的節約量波動在20%~40%范圍內。

2  鋼中增氮對釩含量節約的影響

                                                                                                                                                               來源: 釩技術中心 技術中心 

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