钒氮微合金化技术在钢铁生产中的应用
2003-10-10 00:00 来源： 我的钢铁
钢铁研究总院结构材料研究所副所长、教授级高工杨才福博士介绍钒氮微合金化技术在钢铁生产中的应用如下：
从２０世纪６０年代开始发展起来的Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、微合金化技术，以其显著的经济技术优势在世界范围内得到广泛的应用。经过４０多年的研究开发，微合金化技术，包括它的合金设计原理、生产工艺、应用领域等，都得到了巨大的发展和完善。微合金化技术的发展推动了钢铁工业的技术进步，是２０世纪钢铁工业领域最突出的物理治金成就之一。目前，微合金化钢的总产量约占世界钢产量的１０%至１５%，即每年为８千万到１．２亿吨。因此还有很大的发展空间，微合金化钢将会以其经济上的优势获得更广泛的应用。
据杨才福博士介绍，目前我国微合金化钢的发展远低于世界平均水平。在我国钢铁产品结构中，微合金化钢的产量不足钢材总量的５%（２００１年约为５００万吨）。随着我国加入世贸组织，国内外市场竞争的日益加剧，钢铁产品结构调整已成为我国钢铁行业的首要任务。微合金化为我国钢铁产品的升级换代提供了一条经济有效的途径。值得关注的是，近年来我国微合金化钢筋得到了较快的发展。如２０００年，我国的微合金化钢筋产量仅为２０万吨，２００１年为１００万吨，２００２年为１８８万吨，２００３年有望达到约５００万吨。有关专家预测，到２００５年，我国微合金化钢年产量有可能超过千万吨。
杨才福博士结合工作实际和近年来国内外钒氮微合金化技术方面的研究成果，着重介绍了钒氮微合金化的物理冶金原理及其在高强度焊接钢筋、非调质钢、薄板坯连铸连轧产品、高强度厚板及厚壁Ｈ型钢等产品中的应用情况。
钒氮微合金化的物理冶金原理，有如下几个要点：一是钢中增氮后，使原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。二是氮在钢中还具有明显的细化晶粒的作用。三是钒氮微合金化通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，大大改善了钢的强韧性配合，对高强度低合金钢强度的贡献超过了７０%，充分体现了微合金化在技术经济方面的优势。四是采用钒氮微合金化，不需要添加其它贵重的合金元素，热轧条件下可以获得屈服强度为５５０至６００ＭＰａ的高强度钢。
有关钒氮微合金化技术的实际应用，杨才福博士主要介绍了以下几个方面：
一是在高强度钢筋方面的应用。目前，由于建筑结构安全性以及成本要求的压力，迫使建筑行业对高强度焊接钢筋的需求量急剧增加。在欧洲，屈服强度为５００ＭＰａ的ＩＶ级钢筋和６００ＭＰａ的Ｖ级钢筋已取代Ⅲ级钢筋获得广泛应用。我国目前也正在致力于Ⅱ级钢筋（２０ＭｎＳｉ钢）向Ⅲ级钢筋的升级换代。钢筋这类长形材产品生产速度快、轧制温度高，通常在１０００℃以上，其工艺特点决定了钢筋的合金设计适宜采用钒氮微合金化技术。氮在含钒钢中是一种十分有效的合金元素。通过充分利用廉价的氮元素，可显著提高钒钢的强化效果，达到节约合金用量、降低成本的目的。成本的降低对钢筋这种量大面广的产品意义十分重大。以我国首钢采用钒氮微合金化技术开发ＨＲＢ４００钢筋的应用情况为例，与含钒钢筋相比，钒氮钢筋在相同强度水平下钒的添加量减少５０%。钒氮钢筋不仅成本低，而且性能稳定，强度波动小，冷弯、焊接性能优良。据了解，德国开发的屈服强度为５００ＭＰａ级以上的高强度钢筋也采用了钒氮微合金化技术。总之，钒氮微合金化技术为生产低成本高强度焊接钢筋开辟了一条经济有效的途径。氮的加入大大减少了钢筋中的钒的用量，显著降低了微合金化的成本。
二是在非调质钢方面的应用。在中碳钢中添加少量的微合金化元素钒，依靠细小的碳氮化钒的析出强化铁素体--珠光体组织，从而达到传统的调质钢所要求的强度水平，是非调质钢设计的一个基本原则。有关国家开发的非调质钢均采用了钒微合金化技术。为有效发挥钒的沉淀强化作用，非调质钢中增氮是必要的。氮在非调质钢中主要起三方面的作用：促进钒的析出，提高沉淀强化效果;细化晶粒;提高ＴｉＮ的稳定性。可以说，氮在非调质钢中是一种经济有效的合金元素。氮在钢中改变了钒的分布，使析出项的颗粒尺寸明显减小，从而充分发挥了钒的沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度;通过促进晶内铁素体的形成、提高奥氏体----铁素体相变比率、细化铁素体晶粒，改善非调质钢的强韧性能。此外，非调质钢中增氮还提高了ＴｉＮ颗粒的稳定性，使ＴｉＮ阻止奥氏体晶粒长大的作用更有效。
三是在薄板坯连铸连轧高强度带钢方面的应用。薄板坯连铸连轧技术被称为钢铁工业的第三次技术革命，它在钢铁工业中的地位与前两次技术革命的转炉炼钢和连铸技术相提并论。由于技术和经济上的突出优势，ＣＳＰ技术带动了世界性的发展热潮。面对国内外激烈的竞争，为了充分发挥ＣＳＰ的技术优势，就必须开发采用该技术工艺生产高附加值的高强度低合金钢产品。近年来，在这方面已经取得了重大的进展;现在，采用ＣＳＰ工艺已经能够成熟地生产出屈服强度３５０至５５０ＭＰａ级的高强度低合金钢产品。
目前，为了适应工艺条件的要求，ＣＳＰ技术生产的高强度钢均采用了低碳含量设计。钢中碳含量的降低对改善焊接性、成型性和韧性都十分有利，它符合高强度低合金钢的发展方向。钒氮微合金化技术的发展为高强度ＣＳＰ产品的开发开辟了一条有效的途径。现在，国际上针对ＣＳＰ工艺开发的系列高强度低合金钢均是采用钒氮微合金化的技术路线。
四是钒氮微台金化技术与第三代ＴＭＣＰ工艺的应用。细化晶粒是同时提高钢的强度和韧性的唯一方法。微合金化与ＴＭＣＰ工艺的主要目的也是通过细化晶粒的途径来提高钢的强度和改善钢的韧性。针对厚板及厚截面Ｈ型钢的生产工艺特点，为了获得细晶粒的组织，人们研究了利用ｖＮ形成昆内铁素体的技术来细化组织的方法，并与再结晶控轧工艺相结合。该技术在高强度厚截面型钢和厚板产品的开发中得到了应用，有入将其称为第三代ＴＭＣＰ工艺。与传统的ＴＭＣＰ工艺相比，采用第三代ＴＭＣＰ工艺生产的钢，依靠铁素体晶粒细化，在提高强度的同时，韧性也得到了明显改善。第三代ＴＭＣＰ工艺在我国高强度Ｈ型钢的开发中已得到应用。马钢采用该技术成功地开发出了高强度Ｈ型钢新产品。
氮是含钒钢中一种经济有效的合金化元素。钒氮微合金化技术通过充分利用廉价的氮元素，优化了钒的析出，从而更好地发挥了细晶强化和沉淀强化的作用，显著提高了钢的强度。采用钒氮微合金化技术，在低钒含量下获得了高强度，明显节约了钒的用量，降低了钢的成本。目前，钒氮微合金化技术在高强度焊接钢筋、非调质钢等长形树的开发中已得到了成熟的应用。钒氮微合金化在技术经济方面具有明显的优势，它为开发高附加值的高强度低合金钢产品开辟了一条经济有效的途径
从２０世纪６０年代开始发展起来的Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、微合金化技术，以其显著的经济技术优势在世界范围内得到广泛的应用。经过４０多年的研究开发，微合金化技术，包括它的合金设计原理、生产工艺、应用领域等，都得到了巨大的发展和完善。微合金化技术的发展推动了钢铁工业的技术进步，是２０世纪钢铁工业领域最突出的物理治金成就之一。目前，微合金化钢的总产量约占世界钢产量的１０%至１５%，即每年为８千万到１．２亿吨。因此还有很大的发展空间，微合金化钢将会以其经济上的优势获得更广泛的应用。
据杨才福博士介绍，目前我国微合金化钢的发展远低于世界平均水平。在我国钢铁产品结构中，微合金化钢的产量不足钢材总量的５%（２００１年约为５００万吨）。随着我国加入世贸组织，国内外市场竞争的日益加剧，钢铁产品结构调整已成为我国钢铁行业的首要任务。微合金化为我国钢铁产品的升级换代提供了一条经济有效的途径。值得关注的是，近年来我国微合金化钢筋得到了较快的发展。如２０００年，我国的微合金化钢筋产量仅为２０万吨，２００１年为１００万吨，２００２年为１８８万吨，２００３年有望达到约５００万吨。有关专家预测，到２００５年，我国微合金化钢年产量有可能超过千万吨。
杨才福博士结合工作实际和近年来国内外钒氮微合金化技术方面的研究成果，着重介绍了钒氮微合金化的物理冶金原理及其在高强度焊接钢筋、非调质钢、薄板坯连铸连轧产品、高强度厚板及厚壁Ｈ型钢等产品中的应用情况。
钒氮微合金化的物理冶金原理，有如下几个要点：一是钢中增氮后，使原来处于固溶状态的钒转变成析出状态的钒，充分发挥了钒的沉淀强化作用。二是氮在钢中还具有明显的细化晶粒的作用。三是钒氮微合金化通过优化钒的析出和细化铁素体晶粒，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化两种强化方式的作用，大大改善了钢的强韧性配合，对高强度低合金钢强度的贡献超过了７０%，充分体现了微合金化在技术经济方面的优势。四是采用钒氮微合金化，不需要添加其它贵重的合金元素，热轧条件下可以获得屈服强度为５５０至６００ＭＰａ的高强度钢。
有关钒氮微合金化技术的实际应用，杨才福博士主要介绍了以下几个方面：
一是在高强度钢筋方面的应用。目前，由于建筑结构安全性以及成本要求的压力，迫使建筑行业对高强度焊接钢筋的需求量急剧增加。在欧洲，屈服强度为５００ＭＰａ的ＩＶ级钢筋和６００ＭＰａ的Ｖ级钢筋已取代Ⅲ级钢筋获得广泛应用。我国目前也正在致力于Ⅱ级钢筋（２０ＭｎＳｉ钢）向Ⅲ级钢筋的升级换代。钢筋这类长形材产品生产速度快、轧制温度高，通常在１０００℃以上，其工艺特点决定了钢筋的合金设计适宜采用钒氮微合金化技术。氮在含钒钢中是一种十分有效的合金元素。通过充分利用廉价的氮元素，可显著提高钒钢的强化效果，达到节约合金用量、降低成本的目的。成本的降低对钢筋这种量大面广的产品意义十分重大。以我国首钢采用钒氮微合金化技术开发ＨＲＢ４００钢筋的应用情况为例，与含钒钢筋相比，钒氮钢筋在相同强度水平下钒的添加量减少５０%。钒氮钢筋不仅成本低，而且性能稳定，强度波动小，冷弯、焊接性能优良。据了解，德国开发的屈服强度为５００ＭＰａ级以上的高强度钢筋也采用了钒氮微合金化技术。总之，钒氮微合金化技术为生产低成本高强度焊接钢筋开辟了一条经济有效的途径。氮的加入大大减少了钢筋中的钒的用量，显著降低了微合金化的成本。
二是在非调质钢方面的应用。在中碳钢中添加少量的微合金化元素钒，依靠细小的碳氮化钒的析出强化铁素体--珠光体组织，从而达到传统的调质钢所要求的强度水平，是非调质钢设计的一个基本原则。有关国家开发的非调质钢均采用了钒微合金化技术。为有效发挥钒的沉淀强化作用，非调质钢中增氮是必要的。氮在非调质钢中主要起三方面的作用：促进钒的析出，提高沉淀强化效果;细化晶粒;提高ＴｉＮ的稳定性。可以说，氮在非调质钢中是一种经济有效的合金元素。氮在钢中改变了钒的分布，使析出项的颗粒尺寸明显减小，从而充分发挥了钒的沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度;通过促进晶内铁素体的形成、提高奥氏体----铁素体相变比率、细化铁素体晶粒，改善非调质钢的强韧性能。此外，非调质钢中增氮还提高了ＴｉＮ颗粒的稳定性，使ＴｉＮ阻止奥氏体晶粒长大的作用更有效。
三是在薄板坯连铸连轧高强度带钢方面的应用。薄板坯连铸连轧技术被称为钢铁工业的第三次技术革命，它在钢铁工业中的地位与前两次技术革命的转炉炼钢和连铸技术相提并论。由于技术和经济上的突出优势，ＣＳＰ技术带动了世界性的发展热潮。面对国内外激烈的竞争，为了充分发挥ＣＳＰ的技术优势，就必须开发采用该技术工艺生产高附加值的高强度低合金钢产品。近年来，在这方面已经取得了重大的进展;现在，采用ＣＳＰ工艺已经能够成熟地生产出屈服强度３５０至５５０ＭＰａ级的高强度低合金钢产品。
目前，为了适应工艺条件的要求，ＣＳＰ技术生产的高强度钢均采用了低碳含量设计。钢中碳含量的降低对改善焊接性、成型性和韧性都十分有利，它符合高强度低合金钢的发展方向。钒氮微合金化技术的发展为高强度ＣＳＰ产品的开发开辟了一条有效的途径。现在，国际上针对ＣＳＰ工艺开发的系列高强度低合金钢均是采用钒氮微合金化的技术路线。
四是钒氮微台金化技术与第三代ＴＭＣＰ工艺的应用。细化晶粒是同时提高钢的强度和韧性的唯一方法。微合金化与ＴＭＣＰ工艺的主要目的也是通过细化晶粒的途径来提高钢的强度和改善钢的韧性。针对厚板及厚截面Ｈ型钢的生产工艺特点，为了获得细晶粒的组织，人们研究了利用ｖＮ形成昆内铁素体的技术来细化组织的方法，并与再结晶控轧工艺相结合。该技术在高强度厚截面型钢和厚板产品的开发中得到了应用，有入将其称为第三代ＴＭＣＰ工艺。与传统的ＴＭＣＰ工艺相比，采用第三代ＴＭＣＰ工艺生产的钢，依靠铁素体晶粒细化，在提高强度的同时，韧性也得到了明显改善。第三代ＴＭＣＰ工艺在我国高强度Ｈ型钢的开发中已得到应用。马钢采用该技术成功地开发出了高强度Ｈ型钢新产品。
氮是含钒钢中一种经济有效的合金化元素。钒氮微合金化技术通过充分利用廉价的氮元素，优化了钒的析出，从而更好地发挥了细晶强化和沉淀强化的作用，显著提高了钢的强度。采用钒氮微合金化技术，在低钒含量下获得了高强度，明显节约了钒的用量，降低了钢的成本。目前，钒氮微合金化技术在高强度焊接钢筋、非调质钢等长形树的开发中已得到了成熟的应用。钒氮微合金化在技术经济方面具有明显的优势，它为开发高附加值的高强度低合金钢产品开辟了一条经济有效的途径
