新一代钢铁材料

新一代钢铁材料——

微合金化高强度钢

吴长寿

(刊于《新钢管理》2003年第1期)

新余钢铁有限责任公司第一线材厂

一、 前言

当今世界，各种新功能材料层出不穷，人类所创造的辉煌成就无不与材料科学的进步密切相关。钢铁材料作为人类已经研究和使用了三千多年并且作为当今最重要的工程结构材料，在可预见的未来还不太可能找到更好的替代品。我国从1996年钢产量首次突破1亿吨大关，到目前已经连续7年保持钢产量世界第一。但是，我们应该保持清醒的头脑，我国人均产钢量仍然很低，2002年为140公斤，仅仅达到世界人均水平，与工业发达国家的人均产钢量500公斤以上相差甚远；而且我国国民经济建设中所需要的某些关键钢材品种或高质量钢材仍然无法自己生产，每年仍有约千万吨钢材需要依赖进口，这是令人十分尴尬的。

随着我国社会和经济的发展，有关专家预测我国在未来5年左右的时间，钢材的需求将达到2．5亿吨/年左右。然而我国的资金投入、能源、环境和运输等方面的状况很难承担起2．5亿吨/年的钢产量。采用微合金化技术制造新一代钢铁材料——高强度钢，走一吨新型钢材顶数吨钢材使用的发展道路是解决这一矛盾的有效途径，也是打开钢铁强国之门的一把钥匙。2001年，我国微合金化高强度钢总产量为429万吨~520万吨，2005年这一数字将达到830万吨~960万吨。

二、 微合金化高强度钢的概念

所谓的微合金化即是在目前常规的碳素结构钢、低合金结构钢、合金结构钢的冶炼过程中加入微量的合金化元素铌（Nb）、钒（V）、钛（Ti）、铝（Ai）、硼（B）、钼（Mo）、铬（Cr）、镍（Ni）等，或者通过钢的轧制过程中的工艺控制或形变热处理，使得钢的晶粒细化和促进碳、氮化物的析出，钢材的强度获得显著的提高。

微合金化高强度钢的概念是在20世纪70年代中期提出来的；20世纪90

年代末，世界各国相继提出发展先进结构钢材的计划。我国于1998年提出“新一代钢铁材料”的第一期五年项目计划。该项目计划制定的研究目标是：钢材强度提高一倍，服役性能和使用寿命提高，易回收利用。

“新一代钢铁材料”是在充分考虑经济因素和环境友好因素的前提下的，建立在高洁净度、高均匀性、高稳定性的冶炼、凝固技术和超细晶粒、组织控制等生产工艺技术在钢铁材料上的综合反映。日本称该项技术为“超级钢”、“超级金属”或“环境友好型超微细晶粒钢”技术；韩国称其为“21世纪高性能结构钢”技术；欧盟称该技术为“超细晶粒钢”技术；世界钢铁协会称该技术为“超轻钢”技术。

目前，我国在该项目计划的研究处于世界领先地位。

“新一代钢铁材料”一般按其强度级别又可分为高强度钢（400Mpa）级、超强钢（800Mpa级）和超高强钢（1500Mpa级）。 三、 微合金化高强度钢的生产工艺

从目前我国微合金化高强度钢的生产实践来看，其生产工艺主要分为两大类型：利用铁合金进行合金化及直接合金化。

利用铁合金进行合金化是指在钢的冶炼过程中，将铁合金（锰铁、硅铁、铬铁、钼铁、钨铁、铌铁、钛铁、钒铁、钡系合金、稀土合金等）作为合金添加剂和脱氧剂加入钢液中，达到钢的合金化目的，提高钢的机械性能、工艺性能和理化性能。利用铁合金进行合金化存在着以下几方面的缺陷：一是合金的吸收率低；二是成本高；三是资源的利用极其有限。

目前，传统的最常用的合金化铁合金有锰铁、硅铁、铬铁、钨铁、钡系合金及稀土合金。近年来，钛铁、钒铁、铌铁由于其极其优异的强化效果正受到越来越多的关注。特别是铌在钢中细化晶粒和促进碳、氮化物析出的作用及增强钢的强韧化效果是钒的二倍、钛的三倍。即一份铌在钢中取得的强韧化效果与两份钒、三份钛的效果相当。

巴西是最大的铌资源国，其次为加拿大和俄罗斯。我国铌资源位列世界第四，大部分分布在包头白云鄂博矿区。但我国的铌原矿中含五氧化二铌仅为0．068%~0．16%，而巴西和加拿大的烧绿石含五氧化二铌达2．5%~3．0%。

含铌微合金钢在钢铁产品中所占比例，综合反映了一个国家钢铁生产的结构和水平。根据1995年的统计，国外工业发达国家含铌微合金钢生产占钢产量的5%~8%，平均每吨粗钢消耗65%的标准铌铁为40~50克，而我国该年度平均每吨粗钢消耗65%的标准铌铁仅为2．5克，相当于工业发达国家的1/16~1/20。

铌作为最理想的微合金化元素，正受到越来越多的企业界人士的重视。含铌钢炼钢收得率大于95%，而钒只有80%~85%。含铌钢的强韧化效果非常显著，但是铌的加入量是受限制的，一般应控制在不超过0．05%，否则，多加的量不会产生强化作用。

直接合金化就是在钢的冶炼过程中直接用合金元素氧化物作为合金化添加剂，通过配加还原剂，或用钢中脱氧元素，使得合金元素被还原出来，而进入钢液达到合金化的目的。直接合金化与传统的使用铁合金进行合金化方法相比，可以省去专门冶炼铁合金的设备和能源消耗，降低钢的合金化成本；同时还可以使得较低品位的合金元素氧化物资源和废弃矿渣得到充分利用，符合环保及经济的可持续发展战略要求。直接合金化炼钢工艺正日益受到重视并得到广泛应用。我国攀枝花钢铁公司利用当地资源，在120吨氧气顶吹转炉上使用废弃的钒渣直接合金化成功进行了09V、22MnSiV、16MnSiVN等钢种的冶炼，钒合金化费用降低了40%。

目前，我国直接合金化炼钢工艺在生产中获得了成功的应用。锰矿直接合金化炼钢工艺在转炉生产中已比较成熟；铬矿在冶炼不锈钢时代替铬铁可以取得显著的经济效益；钒渣直接合金化冶炼钒钢可使合金化费用大幅度下降；用钼精矿代替钼铁冶炼含钼钢，钼的回收率可达到96%以上，与使用钼铁