面向低成本抗震钢筋生产的钛微合金化工艺优化与实践研究——系统分析钛合金品位、加入方式对吸收率的影响，确立硅钙钡脱氧+喂线工艺的最优参数，实现钛含量稳定在0.007%左右的批量化生产

引言

钢筋中因含有活跃的 N 而具有应变时效性，使得钢筋随时间延长而失去韧性并脆化，导致抗震性能变差｡现有技术中向钢筋内加入 V, 可以与活跃的 N 结合，形成沉淀速度快､弥散度小､析出温度低､沉淀颗粒细且不易聚集长大的 VN。但是，V 价格昂贵，为了减少 V 的加入量，部分技术采用轧后控冷 (上冷床温度 880℃±20℃), 以增强钢筋性能､降低生产成本｡但是，轧后控冷屈服强度的提高幅度大于抗拉强度的提高幅度，进而导致强屈比小于 1.25, 不符合抗震钢筋的要求｡据研究，钛可以提高钢的强度､硬度和塑性，钛与钢筋中活跃的 N 结合生成 TiN 并作为结晶核心，可促进细晶粒组织形成，而且原料价格便宜｡钛微合金化机理是经过转炉出钢钛微合金化处理后，加入钢液中的钛和 N 在钢液凝固过程中析出纳米级或亚微米级 TiN, 大量弥散分布于钢中奥氏体晶界，诱发晶内铁素体形核，进而细化晶粒，提高钢材的强度｡因此，钒元素在钢中所起到的作用可使用钛元素进行代替｡随着科学技术的发展，学术界内对于以钛代钒的论证早已完成，行业内对钛合金化钢筋进行性能检测 [1], 含钛高强螺纹钢筋屈服强度大于 470MPa, 抗拉强度大于 630MPa, 强屈比在 1.32 以上，屈屈比小于 1.22, 其他性能､组织等各方面均优于国标水平且性能稳定｡我国钛元素储量较多，相对钒元素价位较低｡钛元素与钢水中氧发生反应，吸收率极低，而且波动较大｡因此，为了解决钛元素能够熔炼进入钢液，并被稳定吸收，展开了探索研究和实践 [2]｡只有解决了钛元素稳定吸收问题，才能够实现炼钢工序降低生产成本｡

1、生产现状与技术可行性分析

生产工艺路线：铁水￫转炉吹炼￫挡渣出钢￫包内脱氧合金化￫吹氩精炼￫连铸￫检验入库｡

钛金属在高温环境中的还原能力极强，在钢液中同时存在碳､硅､锰､钛､氮和氧的条件下，非常容易生成 Ti₂O₃, 还能从部分金属氧化物 (比如氧化铝) 中夺取氧｡同时，在高温下极易与空气中的氧气反应，生成一层极薄､致密的氧化膜｡因此，要使凝固过程中最大限度地形成 TiN, 必须严格控制钢水的初始溶解氧含量，抑制 Ti₂O₃反应｡经计算，要使 TiN 优先 Ti₂O₃析出，必须把钢水中的 w [O] 需控制在 0.004% 以下，也就是处理好 “提前脱氧”, 才能促进 TiN 尽早析出｡控制钢中钛元素的减损量和稳定的利用率，同时，需保护浇铸，防止负面作用的影响｡

氧含量控制：钢包合金化与转炉终点氧化性有密切关系，并受出钢脱氧技术的影响｡统计 HRB400E 常规钒微合金化工艺钢水中的氧含量，对不同碳含量炉次采用硅钙钡进行脱氧，验证硅钙钡的脱氧能力，符合钛合金化条件，如表 1 所示｡

表 1 钢水氧含量控制情况

2、转炉钛元素微合金化技术方案设计与实践

一般认为，容易氧化的合金除考虑均匀熔化要求外，应在脱氧后加入｡

转炉 w [终点 C] 控制在≥0.08%, 力求一次拉碳成功，降低钢水氧化性｡保证红包出钢，出钢时间为 2.0~4.0min｡出钢温度控制在 1650~1680℃(目标值为 1660℃)｡

合金随钢流加入，合金加入顺序为：脱氧剂 (出钢 1/4 时加，加入量为 1.0~2.0kg/t 钢)￫硅锰合金￫硅铁 (各合金在出钢 2/3 前加完)￫出钢 5/6~6/7 时加挡渣锥 (控制钢包渣层≤50mm)｡

吹氩站加入钛铁 (定氧), 中吹 2min￫弱吹､调温￫镇静 (5~10min)｡

连铸保护浇铸｡

经查阅､测算，w (Ti) 为 0.005%~0.008% 时，通过控制钢液中的氮含量，配合低温浇铸和轧钢工艺技术，可使 TiN 起到细化晶粒的作用｡对 HRB400E 牌号成分进行设计，如表 2 所示｡

表 2 HRB400E 钢种主要成分控制设计

2.2 生产实践

在某厂吹氩站加钛合金，对不同钛合金含量分别进行试验，并统计了不同炉次的生产数据，如表 3 所示｡

表 3 不同含钛量合金块生产控制情况

由表 3 可看出，吸收率较低且极不稳定，低品位钛合金波动范围为 14.74%~39.14%, 高品位钛合金波动范围为 22.70%~26.35%, 未达到预期效果｡

另外，由于钢包渣中 w (TiO₂) 较常规合金化渣中 w (TiO₂) 明显升高，如 725835 炉次钢包渣中 w (TiO₂) 为 1.30%, 可能会加剧钢包渣线部位侵蚀｡

吹氩站采用喂入含钛合金包芯线 (采用还原性强于钛元素的合金混合配制，芯粉为 380g/m､w (Ti) 为 23.30%) 方式，并充分考虑喂线穿透能力等，改善钛合金吸收效果｡铸坯中钛元素得到稳定控制，轧钢工序完成了轧制 (如 HRB400EФ12mm､Ф25mm 等), 材料性能符合检验要求｡统计了不同炉次的生产数据，如表 4 所示｡

表 4 喂线工艺钛合金化炼钢生产数据统计

通过使用硅钙钡脱氧和精炼站喂线工艺，钛微合金化钛元素吸收率稳定控制在 50% 左右，在连铸全保护浇铸条件下，浇铸过程中的 w (Ti) 平均损失约 0.0025%, 保证了钢中 w (Ti) 稳定在 0.007% 左右，能够满足炼钢预期控制目标，具备批量化生产条件｡

抽取部分代表性钢筋 (Φ25mm 规格) 进行检验，材料性能符合要求，如表 5 所示｡

表 5 喂线工艺钛合金化炼钢检验数据统计

检测钛微合金化生产的热轧带肋钢筋，其铁素体晶粒度均达到了 10 级，以珠光体和铁素体为主，未见异常组织，如图 1 所示｡

3、结论

Ti 微合金化钢筋符合国标要求，能够替代价格较贵的钒元素合金｡但由于钛元素还原性极为活泼，对炼钢生产工艺控制要求较高，通过科学优化脱氧工艺，可以稳定控制钢中钛含量｡

在连铸过程中，钛元素极易被氧化，造成钢中钛流失｡而且，钛的氧化物达到一定数量级时，会产生水口 “絮流”｡

根据钛与钒在钢中作用机理的差异性，钛微合金化钢筋需要优化轧制温度，方能较好地改善钢材的性能效果｡

参考文献

[1] 张彦辉，战东平，杨永坤，等. Ti 微合金化技术在热轧带肋钢筋中的应用 [J]. 材料与冶金学报，2020 (1):51-56.

[2] 傅杰，朱剑，迪林，等。微合金钢中 TiN 的析出规律研究 [J]. 金属学报，2020 (8):801-804.

（注，原文标题：钛合金吸收稳定性研究与探索）

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