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(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益，降低鋼的生產(chǎn)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(jīng)濟效益。
根據(jù)中國的國家標(biāo)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(chǎn)量達2.5億噸，其中Ⅲ級及以上高強度鋼筋產(chǎn)量占鋼筋總量的85%以上，是我國鋼材品種中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最多的一個鋼類。
表1給出了試驗用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和釩節(jié)約的試驗結(jié)果。由表1可以看出，當(dāng)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(jié)約量也可達到33.3%，經(jīng)濟效益明顯。按中國年產(chǎn)Ⅲ級及以上高強度鋼筋2.1億噸計算，則每年可節(jié)約釩達6.萬噸，經(jīng)濟效益是相當(dāng)可觀的，同時還可減少生產(chǎn)鐵合金時環(huán)境的負擔(dān)，減少有害氣體和廢物的排放，因此也具有相當(dāng)可觀的社會效益。
表1 試驗用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和釩節(jié)約比例的試驗結(jié)果 H型鋼又名寬緣工字鋼，廣泛用于鋼結(jié)構(gòu)建筑。與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，它具有抗震性能好、構(gòu)件強度高、自重輕、基礎(chǔ)工程量減少、造價降低等優(yōu)點；同時鋼結(jié)構(gòu)建筑跨距大，結(jié)構(gòu)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(huán)保等。H型鋼主要用于民用建筑鋼結(jié)構(gòu)中的梁和柱，工業(yè)建筑鋼結(jié)構(gòu)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(yè)樓蓋梁；地下工程的鋼樁及支護結(jié)構(gòu)；石油、化工、電力等工業(yè)設(shè)備支架，大跨度鋼橋構(gòu)件及海上采油平臺等，應(yīng)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(jié)構(gòu)的占有率高達52%。在中國，H型鋼的應(yīng)用也越來越多，其年產(chǎn)量達千萬噸。隨著建筑物向高層和大空間方向發(fā)展，對H型鋼也相應(yīng)地提出了高強度和厚截面特性的更高要求。 在生產(chǎn)高強度和厚截面H型鋼時，根據(jù)H型鋼的生產(chǎn)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(jié)約合金元素，降低制造成本。 表2給出了試驗用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和釩節(jié)約比例的試驗結(jié)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(jié)約的釩含量高于39.2%，經(jīng)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(jié)省了資源，有利于環(huán)境保護，減輕環(huán)境負擔(dān)。由于H型鋼的產(chǎn)量比較多，節(jié)省的釩的數(shù)量也就比較多，因此它所帶來的經(jīng)濟效益和社會效益是相當(dāng)可觀的。 表2 氮含量對含釩的H型鋼節(jié)約合金元素影響的試驗結(jié)果 非調(diào)質(zhì)鋼是采用微合金化技術(shù)研制的取代需淬火＋回火處理的傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)鋼的一種新型結(jié)構(gòu)鋼，國外稱為微合金化鍛鋼(microalloyed forging steels)。由于非調(diào)質(zhì)鋼不需要熱處理、矯直、消除應(yīng)力和改善切削性能，所以制造成本低，這是非調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)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(wěn)定性好，在鋼中能高度彌散分布，可獲得顯著的強化效應(yīng)，如圖1所示，氮能顯著提高非調(diào)質(zhì)鋼的強度。釩和氮的復(fù)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(diào)質(zhì)鋼不可缺少的廉價合金元素了，從而為非調(diào)質(zhì)鋼節(jié)約合金元素釩、降低鋼的制造成本奠定了基礎(chǔ)。 圖1 釩氮對中碳非調(diào)質(zhì)鋼析出強化的復(fù)合作用 表3給出了非調(diào)質(zhì)試驗用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和釩的節(jié)約比例的試驗結(jié)果。由表3可以看出，在中碳非調(diào)質(zhì)35MnV鋼的情況下，當(dāng)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(xué)性能基本相同的前提下，則釩的添加量至少可減少25%以上。 表3 非調(diào)質(zhì)試驗用鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能和釩的節(jié)約比列的試驗結(jié)果 以上結(jié)果表明，氮是含釩非調(diào)質(zhì)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(jié)約釩的加入量，降低鋼的制造成本。圖2給出了釩鋼中適當(dāng)增加氮含量對釩含量節(jié)約的綜合評價結(jié)果，由此可以看出，增氮后釩的節(jié)約量波動在20%~40%范圍內(nèi)。 圖2 鋼中增氮對釩含量節(jié)約的影響
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