柳钢铌钒钛微合金钢的开发与应用

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1、2010 年第 4 期1 前 言1970 年代以来，铌 、钛 、钒 、氮等合金元素做为开发低合金钢的有效元素得到了广泛的应用，特别是 1990 年代后期，世界主要钢铁生产国相继制定和实施新一代钢铁材料研究发展计划，超细晶粒 、高洁净度 、高均匀度 、微合金化是钢铁材料重要发展的趋势1。而微合金化钢的生产和应用已经成为钢铁企业的发展水平的重要标志2。微合金化钢是在普通低合金钢添加少量合金元素 ( 如铌 、 钒 、 钛等 ) 形成的， 通过控制微合金元素与钢材控轧 、控冷技术的有机结合，控制微合金元素的析出行为，如控制其沉淀析出量 、沉淀析出相的形貌 、大小及分布，以细化晶粒 、提高钢的强韧性和获

2、得良好的成型性及焊接性，并在保证良好综合性能的同时，进一步降低生产成本 。微合金化钢属于低合金高强度钢的范畴，也称作微合金化低合金高强度钢，是近来发展起来的新型低合金高强度钢 。微合金钢具有以下特性： （ 1） 在低含 C 量和超低 C 量的情况下，具有良好的冷热成型性和焊接性； （ 2） 介于合金钢和非合金钢之间，通过添加少量的 C、N 化合物形成元素 Nb、V、Ti 等，以晶粒细化和析出强化为主对钢进行强韧化处理； （ 3） 钢的屈服强度不低于 325MPa； （ 4） 可以较好地在非热处理状态 （控轧 、控冷等 ) 下使用3。在我国微合金化的应用已十分广泛，已形成多种牌号的微合金化钢，其

3、中低合金高强度结构钢 （ GB/T1591-20084） 钢中，标准中显现了微合金化技术与轧钢的控轧控冷工艺 、细晶粒钢生产等技术相结合，更加体现了低合金高强度结构钢的科技含量 。在全球经济一体化的今天，在世界钢铁生产能力趋于饱和的背景下，大力发展微柳钢铌钒钛微合金钢的开发与应用邓 深（技术中心）摘 要： 综述微合金元素在钢中强韧化机理 。介绍柳钢近年来微合金化钢的开发 、生产以及产品的情况 。关键词： 微合金化钢；开发； Nb； V； TiDevelopment and Application of Niobium Vanadium and TitaniumMicro-alloy Steel

4、 in LiugangDENG Shen(Technique Center)Abstract: Toughening mechanism of the micro-alloying element in steel. micro-alloyed steels development and production and product situation was introduced in Liugang recent years.Key Words: Microalloy Steel； Development； Nb； V； Ti作者：邓 深，在职研究生学历，高级工程师，现在技术中心从事技术

5、开发工作，任科长 。柳 钢 科 技 192010 年第 4 期合金钢，调整产品结构无疑是我国钢铁发展的必由之路 。含钒钢及钒 、钛 、铌微合金钢的开发应用前景非常广阔 。2 铌 、钒 、钛在钢中的微合金化机理微合金元素的主要作用是：在钢中形成细小的碳化物和氮化物或碳氮化合物，其质点钉扎在晶界处，在再加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大，在再结晶控轧过程中阻止形变奥氏体的再结晶，延缓再结晶奥氏体晶粒的长大，在焊接过程中阻止焊接热影响区晶粒的粗化，从而显著地改善微合金化钢的综合性能5。 Nb 、Ti 、V 是最常用的微合金化元素，以上 3 种元素对晶界的钉扎作用是依次降低的 。在低合金高强度钢中，复合微

6、合金化的作用大于单独加入某种元素的总和 。Nb 在钢中可以形成 NbC 或NbN 等间隙中间相 。在再结晶过程中，因 NbC、NbN 对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用，从而大大增加了再结晶的时间 。在高于临界温度时， Nb 元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制，而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制 。Nb 的完全固溶温度较高， Nb在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的 （见图 1）6。一般钢中 Nb 的加入量在 0.05%以下，高于0.05%的 Nb 对强韧化的贡献将不再明显7。钒在铁素体中的溶解度比在奥氏体中的溶解度小很多，随着相变的进行，在一定

7、的热力学和动力学条件下，钒的碳 、氮化物在相界析出，通过在两相区加速冷却，可以细化晶粒，控制其碳 、氮化物的析出，其沉淀物的大小和分布，决定了其沉淀强化的效果 。由于钒和氮有很强的亲和力，在添加一定量的钒的同时，增加一定量的氮，使其强化效果更为有效 。钒能够显著提高热轧珠光体钢的强度，主要是钒为强烈形成碳化物元素 。当钢在加热时，钒和碳 、氮化物固溶于奥氏体中，在轧制和冷却过程中以钒的碳 、氮化物形态析出，起到了强化的作用8。Ti 是强碳化物形成元素，它和 N、O、C 都有极强的亲和力9。另外， Ti 和 S 的亲和力大于 Fe 和 S 的亲和力，因此在含 Ti 钢中优先生成硫化钛，降低了生成

8、硫化铁的几率，可以减少钢的热脆性 。Ti 与 C 形成的碳化物结合力极强 、极稳定 、不易分解，只有当加热温度达 1 000以上时，才开始溶解， TiC 微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用 （见图 2） 。由于钛的析出可固定焊接件粗晶区的自由氮，其化合物析出抑制焊缝区的晶粒长大，对钢的焊接性能有很大改善，近年来研究较多的氧化物冶金正是基于此10。Ti 是极活泼的金属元素， Ti 还能与 Fe 和 C 生成难溶的碳化物质点，富集于钢的晶界处，阻止钢的晶粒粗化， Ti 也能溶入 和 相中，形成固溶体，使钢产生强化，一般钢中 Ti 的加入量应大于 0.025% 。11微合金化元素 Nb、V、Ti 在钢中

9、的作用，主要表现在两个方面：一是在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒的长大；二是通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，发挥 N、V、Ti 的沉淀强化作用 。Nb 在钢中具有最强的晶粒细化强化效果， V 在钢中具有最强的沉淀强化效果， Ti 则介于 Nb 和 V 两者之间 。单个元素在钢中的作用有其局限性，目前国内外都在积极进行钒铌复合强化和钛铌复合强化等研究，并已开发出多种复合强化的新钢种，复合微合金化充分利用了 Nb、V、Ti 相互间的交互作用，有效地节省了资源，大大降低了高强钢的生产成本 。钢中加入 Nb、V、Ti微合金化元素时，必须配合采用控轧控冷工艺，才能充分发挥其细化晶粒和

10、沉淀强化作用，获得良好的综合机械性能 。3 柳钢钒 、铌 、钛钢的开发与应用柳钢早在 1990 年代开始开发 、应用微合金钢 。由于当时铌铁价格昂贵，含铌的低合金钢研究难以深入 。近年来 V、Ti、Nb 复合微合金柳 钢 科 技202010 年第 4 期化的研究成为人们关注的焦点，尤其是钛铁的廉价优势， Ti 微合金化的应用更为迅猛 。在微合金钢中采用复合微合金化结合控轧 、控冷工艺，通过控制复合加入的微合金元素在钢中的存在形式以及在加热 、轧制和冷却过程中的溶解析出行为来影响钢的强韧性效果 。近年来柳钢为中国造船工业 、建筑业 、压力容器 、汽车制造 、桥梁 、工程机械制造等行业提供了近 4

11、0个钢种，基本满足市场需求，部分产品已走向国际市场 。近年来，柳钢工艺技术装备得到了根本的改造，开发生产的低微合金钢种也逐步向低碳高纯净度 、工艺优化方向发展 。1 0501 000950900850800750温度300200100粒径m0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 800 1 000 1 200NbTiAlVV Al NbTiC-Mn质量分数 /%温度 /图 1 微合金化对奥氏体再结晶的影响 图 2 微合金元素对加热过程钢中奥氏体晶粒影响3.1 建筑用钢柳钢开发建筑用长条钢类产品含铌 、钒微合金化钢，主要有预应力混凝土用高强度精轧螺纹钢筋 、抗震钢筋 。这是利用 S

12、i、Mn、Nb、V 多元素合金化及轧后控冷工艺开发出的400MPa、500MPa 级钢筋 。该产品最大规格直径为 40mm，最小直径为 8mm，其中 500MPa 级别钢筋，牌号为 HRB500E，当前性能已达到屈服560MPa、抗拉 720MPa、强屈比 1.30、晶粒度 11 级的水平 。钢筋分别用于防城港核电站建设项目 、广州地铁工程 、广西红花水电站，广西区内公路以及高速公路等重点建设项目 。另外，利用 N 的化合物作为第二相析出强化钢筋，目前正在研制和试产中，主要是利用Si4N 合金在钢中的析出强化，起到钉扎位错而细化晶粒，进而在生产 HRB335 建材用钢中进一步降低含 Si 合金

13、用量达到降低成本目的 。该项目的研发已经试产出近 4 000t 合格的螺纹钢 。在建筑用板材方面，柳钢开发出屈服值 350MPa 的抗层撕裂性能用钢 Z15，目前钢板厚度已达 80mm，钢板厚度方向断面收缩率以达到35%以上，甚至达到 50%，应用于广州白云机场候机楼等多座高层建筑上 。3.2 结构用钢及工程机械用钢柳钢四辊单机架 2 800mm 中厚板生产线改造后于 1998 年投入生产，使得微合金化钢生产得到迅猛发展 。早期研发的低合金结构钢为含Nb 的 ReL345MPa 级 0冲击高强钢板，随着对微合金元素强韧化机理的认识，柳钢在结构钢的开发上得到不断地扩展 。2003 年炼钢系统建成

14、LF 精炼炉， 2005 年建成 2 032mm 热轧宽带钢生产线，可生产厚度为 225mm、宽度为 6001 840mm 的带钢卷，更为微合金化钢的生产增加硬件 。几年来，柳钢研发生产出含 Nb、V、Ti微合金的 ReL390MPa、ReL420MPa、ReL460MPa 级别的 、-20冲击的结构用钢，其抗拉强度水平可达到 700MPa， -20冲击值达到 150J，延伸率 22%，金相组织为铁素体 +珠光体，晶粒度为 912 级的细晶组织，其中 Ti 微合金化的第二邓 深：柳钢铌钒钛微合金钢的开发与应用 212010 年第 4 期图 3 Ti 微合金化析出物形貌及能谱相析出物平均尺寸为

15、5080nm，达到细晶强化作用 （见图 3） 。产品的厚度规格达到 60mm，宽度最高为 2 200mm。为充分发挥微合金元素功能，利用现有设备，柳钢开展单个元素的微合金化研发，其中在工程结构钢方面，进行 Ti 微合金化的研发 。目前已经开发出 ReL650MPa 级的工程结构用钢带LG600XT，宽度 1500mm，厚度 36mm 的钢带，钢带的抗拉强度达到 800MPa，延伸率 20%的水平，金相组织为铁素体 +珠光体，晶粒度大于12 级的细晶组织，钢板具有很好的成型性能，在湖北十堰汽车车厢改装基地得到广泛地应用，很受用户欢迎 。利用现有中板生产线，通过 Ti 微合金化，柳钢为柳州工程机械

16、厂先后开发研制了 20MnTiB、LGNMB 等多个牌号钢种，经过淬火处理，其硬度 HRC 值为 4555，应用于推土机 、装载机铲斗耐磨齿或耐磨铲口上 。0 1 2 3 4 5 63.3 桥梁用钢最早开发出的低合金高强度桥梁用钢是Q345qC，在此基础上开发研制了 Q345qD，屈服强度增加到 410MPa 的弥散强化，该钢具有高强度 、高韧性 、焊接性能优良的特点，由于加入了 V 和 N，配合相应的轧制与热处理制度，实现了晶粒细化 。以 Nb、Ti 进行复合微合金化通过控轧控冷工艺开发出的 Q370qD，该钢板屈服强度达到 430MPa，抗拉强度达到 550MPa， -20冲击值达到 150J，应用于武汉长江二七大桥 。随着柳钢轧钢生产线设备进一步改进，控冷能力加强，钢的综合性能得到进一步提高 。3.4 石油管线钢柳钢 “十五 ”期间开始立项研制管线钢，但因设备条件制约，至 2005 年前一直只是批量生产 Nb、Ti 微合金 X52 牌号 。随着柳钢技术