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试论我国钢的微合金化技术发展方向

时间: 2011-07-08 06:12 来源: 作者: 中信微合金化技术中心 东涛 付俊岩点击:
近年我国钢铁行业的技术改造,在社会对钢材需求发展的拉动之下,呈现意料之外的加速趋势,强烈冀求缩小与国际冶金技术发展的差距。尤为可喜的是,国内对钢的微合金化技术和微合金化钢的发展方向、目标和对策已取得了广泛共识。本文试图就其论题的几个基本方面阐明自己的看法。

1、微合金化钢的概念和定位

化学元素周期表3~4周期的Ⅲ~Ⅴ副族元素具有极强的化合能力,通常称之为微合金化元素的多数指的是铌(Nb)、钒(V)、钛(Ti),有时还包括钼(Mo)、硼(B)及稀土(RE)。应当说,除了其中的铌以外,都是我国储量丰富、其产量在世界上占有重要地位的元素,尤其是钒、钛和稀土。

微合金化元素在钢中的应用的基本原理(见表1)在于其在钢中的固溶、偏聚和沉淀作用,尤其是微合金化元素与碳、氮交互作用,产生了诸如晶粒细化、析出强化、再结晶控制、夹杂物改性等一系列的次生作用,这些因素对钢的强韧化所起的作用被广泛地应用于各类钢铁产品。

钢的微合金化最为突出的技术进展是在称为微合金化钢的开拓,其原因不仅在于改进工艺、降低成本的需要,主要是大大改善了钢的力学性能和使用工艺特性。微合金化钢定义为低合金高强度钢范畴,或者说是新一代低合金钢;钢中假如Nb、V、Ti元素的总和不超过0.15%;在钢加热-冷却和形变过程中其碳氮化物具有溶解-析出行为,对钢的物理、化学性质和力学性能有明显的影响;通常在热机械处理(包括控轧控冷)状态下作为工程和机械结构用材或冷冲压用材;典型的应用领域为油气输送管线、桥梁、船舶、工程机械、输电线塔、高层建筑、汽车、铁道以及电站、码头;全世界微合金化钢的产量在1.0~1.2亿吨。

2、我国微合金化技术的进步与差距

从1975年第1届国际微合金化会议至1995年的第2届会议,国际冶金界对钢的微合金化的理论价值取得了共识,对在传统的低合金高强度钢基础上研发微合金化钢有了广泛的兴趣。近1/4世纪以来的冶金工艺技术有了突飞猛进的进展,如高质量铁源、铁水预处理、转炉顶底复吹强化冶炼、炉外二次冶金及真空处理、高效连铸、薄板坯连铸连轧、热机械处理等一系列技术开发,使微合金化钢的发展如虎添翼,尤其是钢的微合金化与控制轧制技术相结合,成为20世纪世界钢铁业的重大技术进展之一,对产业技术革命和社会发展产生了不可估量的推助作用。

我国自1979年引入钢的微合金化技术的20余年来,经历了三个不同的进展阶段,这是一个由启蒙、低级至高级的发展过程:

(1) 用微合金化技术改造我国原有的低合金高强度钢体系;
(2) 微合金化技术与控轧控冷技术的结合,开发市场急需的微合金化钢新品种;
(3) 微合金化技术在新一代钢铁材料研发中的应用。

据调查,我国在微合金化技术领域的进步是十分显著的,目前国内微合金化钢的生产者和使用者对微合金化效果认知状况大致如表2所示。2001年我国Nb、V、Ti微合金化钢产量已达470万吨,占同期粗钢总产量的5.5%,占低合金高强度钢产量的59%,可见微合金化钢在低合金高强度钢类中所处地位和发展趋势。其中铌钢近三年的年增长率达50%,产量已超过V、Ti的微合金化钢,成为了微合金化钢新品种研发的最佳选择。

我国微合金化技术的综合应用,按国外“成熟度模型”衡量已脱离初始级,达到了可重复级和已定义级的水平的企业约占生产微合金化钢企业48%;钢铁企业的工艺和装置的改造已基本上提升到国际九十年代中、末期的发展水平;“九五”期内,具有自主知识产权的微合金化钢材料新品种达82个;微合金化钢开发已广泛采用宏观合金设计方法,介观和微观合金设计研究及成果已成功指导国内新一代钢铁材料的研发;微合金化技术的基础研究已突破模仿而进入自主创新阶段,形变诱导析出、形变诱导相变以及弛豫-析出-相变的工艺原理等属于学科前沿的课题,其理论深度已超越日本、韩国、欧盟的研究范畴,2002年于日本举行的第1界国际超级结构钢会议(ICASS 2002)上我国专家发表了31篇论文。

若与当前国际微合金化技术发展水平相对照,主要差距在如下5个方面:

(1)基础研究的领先层还局限于少数钢铁研究总院、金属研究所、东北大学、北京科技大学等少数研究单位和高等学府,有效的钢材品种开发局限于宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、舞钢及本钢等少数大型钢铁企业;

(2)现行的生产工艺和装备不适应微合金化技术的应用和开拓,尤其在轧制道次间和终轧后的加速控制冷却方面。国内轧后冷却装置的统计见表3;

(3) 物理冶金的研究主要在指导板带材生产方面取得了长足的进步,但在微合金化钢的在线组织-性能控制方面还处于基础探讨阶段;

(4)Nb在钢铁中应用刚刚由微合金化钢扩大到合金钢、工具钢和等其他钢类,Nb在冶金方面的应用占95%在微合金化钢生产;

(5)通常以Nb为代表,其在钢铁业的消费强度表征微合金化技术的发展水平,如表4所示,2001年我国板带材的铌铁消耗强度为21.78克/吨粗钢,而长条材仅0.77克/吨粗钢。2001年铌铁总消费量为1261吨,平均消费强度为8.3克/吨粗钢,为工业发达国家的1/8-1/10。

3、国外微合金话技术应用的现代进展及趋势

国内对钢的微合金化技术的10年悉心研究,又10年的开拓发展,认识到了近代冶金工艺技术的最重要进展,莫过于微合金化技术的成就,最富有物理冶金内容的部分又莫过于铌钢的开发,从国外同行的发展中看到了中国钢铁业的未来,微合金化技术是钢铁强国的必由之路。

国外进展及其发展趋势大致可归纳为:

(1) 微合金化技术的应用,以晶粒细化强化最为重要。晶粒细化和碳氮化物析出是微合金化钢强韧化的基础。钢的组织和性能的关系以及以晶粒尺寸为主导的强度表达式,仅适于常规轧制的铁素体-珠光体类型组织。正试图探讨涵盖微珠光体、针状铁素体、超低碳贝氏体等组织类型、以碳氮化物析出诸参数为主导的强度表达式。

(2) 热机械处理(TMCP)的出发点在奥氏体调节,归宿于γ→α的富化生核。由此把控制轧制归纳为高温再结晶控轧和正常化控轧两类,由再结晶的延缓力和再结晶的驱动力的影响因素的考察,指导第一类控轧钢的微合金化设计;主要由形变诱导机制进行的第二类控轧钢的合金设计,构成TMCP工艺物理冶金的核心。

(3) 生产装备和生产工艺现代化对钢的性能的影响集中体现在钢的精炼、连铸及轧后的控制冷却,亦即钢的洁净化、铸坯结构及精细组织、最终的相变动力学三者建立起了微合金化钢强韧化新理论。。

(4) 复合微合金化得到了广泛的应用,近10年来开发了高温塑性连铸钢、大线能量焊接无裂纹钢、深冲冷成型钢、烘烤硬化钢、抗硫化氢应力腐蚀钢、无时效倾向桥梁钢、低屈强比抗震钢等一系列钢材新品种,在钢的性能高级化方面跨出了一大步。

(5) 已成功开拓了铌在低碳建筑材中的应用、在中碳锻钢和高碳线材中的应用、以及在合金钢和高合金钢中的应用。

目前,微合金化钢进一步的开拓致力于如下领域:

(1) 薄板坯连铸连轧过程获得特优性能的物理冶金;
(2) 薄带连铸钢中的微合金化元素的溶解-析出行为;
(3) 微米级夹杂物钢及氧化物诱导超细晶粒钢的生产原理;
(4) 超低碳(≦0.01%C)高强高韧钢的合金设计理论及TMCP工艺;
(5) 微合金化涂镀钢板的控制扩散机制。

因此,有必要借鉴世界先进经验,加速钢的微合金化技术在我国的发展,大力推广微合金化钢中的应用。

4、我国微合金化技术在钢铁中应用的方向和目标
我国微合金化技术在钢铁中的应用与西方工业发达国家相比,还有不少差距,对此我们不妨作出这样的估计:如果及时跟上发展,就可能融入世界冶金技术发展的主流,跟不上形势,将只能被迫在较低的技术层面上寻找自己的位置,并可能较长时间地充当世界最大钢材进口国的角色。中国的入世,使这一形势变得更加严峻。

近期发展的方向,包括三个方面的要求:

(1) 推动微合金化技术的基础研究工作,以理论指导实践,充实各项研究开发,坚持大力发展微合金化钢的生产;
(2) 加大长条材钢材品种的开发力度;
(3) 指导钢的微合金化技术的应用由低合金高强度钢向合金结构钢、工模具钢、不锈耐蚀钢及高合金领域拓宽。

根据“十五”期内各行业对钢铁材料需求(见表5),我国近中期微合金化技术开发的目标可以定位在几个指标上:

(1) 微合金化钢产量由2001年的520万吨增至2005年960万吨,为同期低合金高强度钢产量的62.5%。由于钢材内需继续扩大,我国粗钢产量将超计划增长,新的估计2005年钢产量为2亿吨,则微合金化钢占总钢产量比例为4.8%。

(2) 优化发展铌微合金化钢开发和大力提倡铌微处理钢的生产。在此期间Nb、V、Ti微合金化钢平均年增长率分别为20%,16%和10%。估算63%Nb的铌铁消费将由2001年的1261亿吨增长至2005年的2500吨,消费强度为12.5克/吨粗钢。同期内75%V的钒铁消费量为13克/吨粗钢。45%Ti的钛铁消费量由2001年1500吨增至2005年2200吨,消费强度约为11克/吨粗钢。

(3) 以新一代钢铁材料的研发为龙头,微合金化基础研究进入学科的前沿。微合金化钢生产进入先进行列,具有性能超级化、材质复合化、结构功能化和环境协调化的特征。

5、关键研发领域和项目
依据2002年度国家自然科学基金项目指南中金属材料学科和冶金与矿业学科的相关部分、2002-2005年冶金科技发展指南中关键冶金新材料和新技术部分、CBMM-英国材料研究院“查理斯优秀论文奖”历年核心研究内容,美国、日本和欧盟的钢铁工业指南以及我国微合金化技术研究、开发、生产中的实际状况和需求,建议在如下领域选择研发项目,以期我国微合金化技术达到上述的具体目标。

(1)Nb、V、Ti微合金化的基础研究

- 对材料性能影响机理
- 对相变及组织影响因素及机制
- 与奥氏体调节相关的微合金化钢合金设计
- 超细晶粒钢的制备新技术
- 降低Nb、V加入量的高效析出强化机制
- 在表面和界面的作用机制
- 微合金化与杂质控制的相关性
- 微合金化钢的失效与功能退化机制
- 热卷取过程中发挥NbN和VN的作用
- 钢的微合金化与环境交互作用
- 国内微合金化资源的开发和利用
- 微合金化与材料寿命
- 钢的合金复合和功能复合

(2)微合金化钢开发及应用性能研究

- X70级管线钢AF相形成条件及在线组织控制
- X70管线钢应力腐蚀及止裂性能的要求
- 含Nb、Ti汽车板的冲压性及在线测量
- 微合金化高深冲TRIP钢开发
- 微合金化呀与桥梁钢抗时效性能
- 微合金化轻型钢结构用钢和薄壳空间结构用钢
- 600℃和800℃耐火高层钢结构用厚钢板开发
- 低屈强比抗震钢开发
- 1250MPa级工程机械用高强度钢板
- X80级大线能焊接用管线钢开发
- 重轨钢的物理冶金及低温韧性
- 500-800MPa级热轧螺纹钢筋
- 经济抗层状撕裂钢板

(3)钢的微铌处理(加入量≦0.01.%Nb、V、Ti)

- 微处理钢的高温γ再结晶行为
- 微处理钢的形变诱导析出和相变特性
- 微处理对钢的组织与性能影响的界定
- 微处理锅炉钢的高温性能

(4)合金钢和高合金的微合金化研究

- 微合金化元素在低碳贝氏体非调质钢、低碳马氏体非调质钢中的作用
- 微合金化汽车悬挂弹簧钢的疲劳和断裂特性
- 精锻齿轮模具钢中Nb-V复合的最佳化
- 模具钢微合金化的经济性(与H13比较)
- 粉末和离心铸造高速钢轧辊以Nb代W机理研究
- 不锈钢中Nb含量对蠕变性能的影响
- Nb/C比对不锈钢晶间腐蚀的影响
- 高压锅炉管和超高临界锅炉管的微合金化
- 汽车排气系统用含铌铁素体不锈钢的应用性能
- 气阀钢中铌的应用
- 含铌垃圾焚烧炉用高温合金生产(end)

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