[0001]
本发明涉及含钒、钛和氮的包芯线及其应用，属于钢铁冶炼技术领域。
背景技术：
[0002]
微合金化钢主要是指在钢中添加微量或少量的某种或某几种合金元素，达到明显提升强度、韧性、延展性、可焊性及抗疲劳性等综合性能的钢，特别是提高钢的强度指标。现有技术条件下，微合金化钢主要通过添加微量或少量的钒、铌、钛等中的一种或多种元素制备而来。微合金化的作用机理是：作为微量元素的钒、铌或钛加入钢液后，与钢液中的碳或氮结合形成碳或氮的化合物析出质点，即v(c、n)，nb(c、n)或ti(c、n)析出质点。众所周知，这些析出质点的尺寸越细小、数量越多，对钢的综合性能，特别是强度的提升越有利。当析出质点的尺寸在100nm以下时，才具有较强的沉淀强化和细晶强化作用，可明显提高钢的强度。没有析出的微合金元素或当析出质点的尺寸大于100nm时，一般起不到沉淀强化和细晶强化作用，对提高钢的强度基本不起作用，造成贵重微合金化元素资源的浪费。
[0003]
根据上述微合金化原理可知，微合金钢涉及所要控制的化学元素主要有钒、铌、钛、碳和氮，涉及所要控制的析出质点主要有v(c、n)，nb(c、n)和ti(c、n)，关键是涉及所要控制析出质点的尺寸在100nm以下，而且析出质点的尺寸越细小越好、数量越多越好。一般情况下钢液中不存在钒、铌或钛元素，通常需要在钢液中加入相应的合金方式来实现。碳元素可通过加入一定的石墨、无烟煤或碳粉获得。一般情况下转炉钢残氮含量在0.004％-0.006％范围内，电炉钢残氮含量在0.006％-0.008％范围内，很多情况下还需额外添加含氮类合金补充氮元素来促进v(c、n)，nb(c、n)或ti(c、n)质点的析出。
[0004]
现有微合金钢的钒、铌或钛元素合金化方法是在装有钢液的钢包中加入相应合金块或相应含氮合金块，或将相应合金块或相应含氮合金块破碎后制备成包芯线，然后将上述包芯线通过喂线装置喂入钢包内的钢液中，必要时再配以加入或喂入一定量的增氮剂。该种方法可使钒、铌、钛微合金元素在钢中大量析出，对提升钢的强度产生较明显的效果，钒、铌、钛的碳氮化物质点析出率一般在50％～80％，析出质点的尺寸一般在10nm～500nm。但该种方法存在以下不足：钒、铌、钛的碳氮化物质点析出率仍然较低，存在20％以上没有析出的微合金元素，同时存在部分100nm以上的碳氮化物质点析出物，导致贵重微合金元素资源的浪费，也一定程度上影响钢铁产品质量的稳定性。另外，cn201410439695.3公开了一种提高中碳v钢强韧性的方法，cn201410527716.7公开了一种控制细化vn析出相尺寸及数量的方法，上述方法可使钢中80％以上vn析出相颗粒尺寸在20nm～100nm范围，但仍存在部分100nm以上的vn析出相颗粒和没有析出的v微合金元素。
技术实现要素：
[0005]
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供含钒、钛和氮的包芯线。本发明的第二个目的在于提供该包芯线在钢液合金化中的用途。本发明的第三个目的在于提供钢液合金化的方法。
[0006]
本发明提供了含钒、钛和氮的包芯线，所述包芯线的芯层用纳米氮化钒和纳米氮化钛粉末制成，所述纳米氮化钒和纳米氮化钛粉末的尺寸小于100nm。
[0007]
进一步地，纳米氮化钒：纳米氮化钛的重量配比为(2～8)：(2～8)。
[0008]
进一步地，用粘合剂将所述纳米氮化钒和纳米氮化钛粉末粘合成粒径小于3mm的粘合粉料。
[0009]
进一步地，粘合剂占芯层总重量的10％以下。
[0010]
进一步地，所述芯层的成分按重量百分比计为：纳米氮化钒20％～80％，纳米氮化钛20％～80％，粘合剂0％～10％。
[0011]
本发明为了便于包芯线制备，可用少量粘结剂将尺寸小于100nm的纳米氮化钒粉末粘合成粒径小于3mm的粘合粉料，然后将上述粘合粉料包于外皮层中。其中，所述的粘合剂可以为天然高分子化合物、合成高分子化合物或无机化合物等材料。
[0012]
进一步地，所述芯层的外部包裹外皮层，外皮层用钢和/或铁制成。
[0013]
进一步地，所述包芯线的外径为5～18mm。
[0014]
本发明提供了所述的包芯线在钢液合金化中的用途。
[0015]
本发明提供了钢液合金化的方法，包括如下步骤：将所述的包芯线喂入钢包内的钢液中，或连铸浇铸的结晶器内钢液中，或模铸浇铸的模具内钢液中。
[0016]
进一步地，所述的钢液合金化的方法满足以下至少一项：
[0017]
喂线速度为1.0～4.0m/s；
[0018]
喂包芯线的过程中对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体；
[0019]
一边将包芯线喂入钢包内的钢液中，一边对钢包进行摇晃；
[0020]
一边将包芯线喂入连铸浇铸的结晶器内钢液中，一边对结晶器进行电磁搅拌或震动；
[0021]
一边将包芯线喂入模铸浇铸的模具内钢液中，一边对模具电磁搅拌或摇晃。
[0022]
其中，为了进一步便于将包芯线喂入钢液内，一边将包芯线喂入钢包内的钢液中，或连铸浇铸的结晶器内钢液中，或模铸浇铸的模具内钢液中，一边对包芯线与钢液接触区域喷吹惰性气体。通过向包芯线与钢液接触区域喷吹惰性气体，一方面可提高该区域内的钢渣或保护渣的流动性，另一方面可防止该区域以外的钢渣或保护渣朝该区域流动汇集，通过向包芯线附近喷吹惰性气体，可有效保证包芯线的快速喂入，并可防止包芯线发生卡线或断线，还可提高细小钒和钛的碳氮化物析出质点的弥散程度。
[0023]
为了进一步提高钢渣的流动性，有利于包芯线快速喂入钢液内，减少包芯线在钢渣层的损耗，一边将包芯线喂入钢包内的钢液中，一边对钢包进行摇晃。通过对钢包进行摇晃，可提高钢渣的流动性，便于喂入包芯线，有利于防止包芯线发生卡线或断线，也可提高细小钒和钛的碳氮化物析出质点的弥散程度。
[0024]
为了进一步提高结晶器保护渣的流动性，有利于包芯线快速喂入钢液内，减少包芯线在保护渣层的损耗，一边将包芯线喂入连铸浇铸的结晶器内钢液中，一边对结晶器进行电磁搅拌或震动。通过对结晶器进行电磁搅拌或震动，可提高保护渣的流动性，便于喂入包芯线，有利于防止包芯线发生卡线或断线，也可提高细小钒和钛的碳氮化物析出质点的弥散程度。
[0025]
为了进一步提高模铸保护渣的流动性，有利于包芯线快速喂入钢液内，减少包芯
线在保护渣层的损耗，一边将包芯线喂入模铸浇铸的模具内钢液中，一边对模具电磁搅拌或摇晃。通过对模具电磁搅拌或摇晃，可提高保护渣的流动性，便于喂入包芯线，有利于防止包芯线发生卡线或断线，也可提高细小钒和钛的碳氮化物析出质点的弥散程度。
[0026]
本发明提供的含钒、钛和氮的包芯线，喂入钢液中直接参与合金化，能够在钢液中析出大量细小弥散且尺寸小于100nm的钒和钛的碳氮化物析出质点，钢中的钒和钛元素几乎全部以析出质点的形式存在，且析出质点的尺寸几乎全部小于100nm。钒和钛元素析出质点析出率≥98％，析出质点尺寸小于100nm的比例≥99％，充分发挥了沉淀强化和细晶强化作用，钒和钛资源获得有效利用，预计可节约10％以上的钒和钛资源。本发明包芯线以及应用该包芯线的钢液合金化方法，具有较普遍的适应性，可应用于高强钢筋、型钢、板材、特殊钢、铸钢等微合金化钢品种中，具有良好的推广应用前景。
具体实施方式
[0027]
下面将结合实施例对本发明的方案进行解释。本领域技术人员将会理解，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
[0028]
实施例1本发明包芯线的应用
[0029]
用于钢液合金化的含钒、钛、氮包芯线，包括芯层和外皮层，所述芯层由尺寸小于100nm的纳米氮化钒和氮化钛混合物粉料构成，其中所述纳米氮化钒含量按重量百分比为80％，其中所述纳米氮化钛含量按重量百分比为20％，芯层外部包裹有冷轧带钢制成的外皮层，整个包芯线的外径为16mm。通过喂线装置喂入钢包内的钢液中，喂线速度为3.5m/s。一边喂线一边对钢包进行摇晃，同时对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体。经检测，钒元素析出质点析出率98.4％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.8％，钛元素析出质点析出率98.5％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.5％。
[0030]
实施例2本发明包芯线的应用
[0031]
用于钢液合金化的含钒、钛、氮包芯线，包括芯层和外皮层，所述芯层由尺寸小于100nm的纳米氮化钒和氮化钛混合物粉料构成，其中所述纳米氮化钒含量按重量百分比为20％，其中所述纳米氮化钛含量按重量百分比为80％，芯层外部包裹有冷轧带钢制成的外皮层，整个包芯线的外径为5mm。通过喂线装置喂入连铸浇铸的结晶器内钢液中，喂线速度为1.0m/s。一边喂线一边对结晶器进行电磁搅拌或震动，同时对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体。经检测，钒元素析出质点析出率98.9％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.7％，钛元素析出质点析出率98.5％，析出质点尺寸小于100nm的比例100％。
[0032]
实施例3本发明包芯线的应用
[0033]
用于钢液合金化的含钒、钛、氮包芯线，包括芯层和外皮层，所述芯层由尺寸小于100nm的纳米氮化钒和氮化钛混合物粉料构成，其中所述纳米氮化钒含量按重量百分比为50％，其中所述纳米氮化钛含量按重量百分比为50％，芯层外部包裹有冷轧带钢制成的外皮层，整个包芯线的外径为13mm。通过喂线装置喂入模铸浇铸的模具内钢液中，喂线速度为3.0m/s。一边喂线一边对模具电磁搅拌或摇晃，同时对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体。经检测，钒元素析出质点析出率98.8％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.4％，钛元
素析出质点析出率98.7％，析出质点尺寸小于100nm的比例100％。
[0034]
实施例4本发明包芯线的应用
[0035]
用于钢液合金化的含钒、钛、氮包芯线，包括芯层和外皮层，所述芯层由用少量粘合剂将尺寸小于100nm的纳米氮化钒和氮化钛混合物粘合成粒径小于3mm的粘合粉料构成，其中所述纳米氮化钒含量按重量百分比为20％，其中所述纳米氮化钛含量按重量百分比为70％，所述粘合剂重量配比为10％，芯层外部包裹有冷轧带钢制成的外皮层，整个包芯线的外径为12mm。通过喂线装置喂入钢包内的钢液中，喂线速度为4.0m/s。一边喂线一边对钢包进行摇晃，同时对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体。经检测，钒元素析出质点析出率98.1％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.3％，钛元素析出质点析出率98.4％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.6％。
[0036]
实施例5本发明包芯线的应用
[0037]
用于钢液合金化的含钒、钛、氮包芯线，包括芯层和外皮层，所述芯层由用少量粘合剂将尺寸小于100nm的纳米氮化钒和氮化钛混合物粘合成粒径小于3mm的粘合粉料构成，其中所述纳米氮化钒含量按重量百分比为72％，其中所述纳米氮化钛含量按重量百分比为23％，所述粘合剂重量配比为5％，芯层外部包裹有冷轧带钢制成的外皮层，整个包芯线的外径为6mm。通过喂线装置喂入连铸浇铸的结晶器内钢液中，喂线速度为1.3m/s。一边喂线一边对结晶器进行电磁搅拌或震动，同时对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体。经检测，钒元素析出质点析出率98.6％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.5％，钛元素析出质点析出率98.8％，析出质点尺寸小于100nm的比例100％。
[0038]
实施例6本发明包芯线的应用
[0039]
用于钢液合金化的含钒、钛、氮包芯线，包括芯层和外皮层，所述芯层由用少量粘合剂将尺寸小于100nm的纳米氮化钒和氮化钛混合物粘合成粒径小于3mm的粘合粉料构成，其中所述纳米氮化钒含量按重量百分比为50％，其中所述纳米氮化钛含量按重量百分比为48％，所述粘合剂重量配比为2％，芯层外部包裹有冷轧带钢制成的外皮层，整个包芯线的外径为18mm。通过喂线装置喂入模铸浇铸的模具内钢液中，喂线速度为3.3m/s。一边喂线一边对模具电磁搅拌或摇晃，同时对包芯线与钢液的接触区域喷吹惰性气体。经检测，钒元素析出质点析出率98.9％，析出质点尺寸小于100nm的比例99.9％，钛元素析出质点析出率98.6％，析出质点尺寸小于100nm的比例100％。
[0040]
需要说明的是，本说明书中描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例以及不同实施例的特征进行结合和组合。