中國Nb鋼30年及含鈮鋼連鑄熱塑性

我國含鈮鋼技術發(fā)展現(xiàn)狀,含鈮鋼的熱塑性與Nb-Fe合金化技術CITIC-CBMM中信微合金化技術中心付俊巖１.中國Ｎｂ微合金化技術與含鈮鋼發(fā)展３０年２.鈮鐵合金化技術要點３.含鈮鋼連鑄坯的熱塑性與表面裂紋的控制４.結束語2中國含鈮鋼與鋼鐵工業(yè)

同步發(fā)展，成績斐然(萬噸)近十年來，我國微合金化技術和含鈮鋼生產取得快速發(fā)展，含鈮鋼年產量從1990年的3萬噸發(fā)展到2008年近4000萬噸，名列世界第一；含鈮鋼品種從幾個發(fā)展到200多個，含鈮鋼的產量已占全國低合金高強度鋼總產量的50%以上，不僅為國防和經(jīng)濟建設解決了急需的高性能鋼材，也大大縮小了中國鋼鐵工業(yè)與發(fā)達國家的差距。1979-1989：引入，初步研究工作1990-2000：從微鈮處理逐步開始Nb微合金化開發(fā)2000-至今：含鈮HSLA鋼產量連續(xù)四年世界第一3CITIC-CBMM中信微合金化技術中心我國含鈮鋼的主要消費領域：結構鋼（高層建筑，船舶，公鐵路大橋，工程機械等），石油天然氣管線鋼、汽車用鋼三大行業(yè)；其他領域應用：含鈮不銹耐熱鋼，非調鋼，工模具，彈簧鋼，鑄造合金，高溫合金，精密合金，非晶納米材料等。2008年中國含鈮鋼鐵應用領域分布二線X80管線鋼技術水平世界領先在建設中的西氣東輸二線工程

主干線:4000多公里-X80，眾多支線：4000多公里x70管線鋼是最具代表性的微合金化高強度鋼選用X80鋼級，焊管口徑為1219mm，壁厚為18.4mm、22mm、26.4mm、27.5mm和33mm。其規(guī)模和技術指標均超過目前國際已有的X80管線工程。對鋼廠管線鋼生產技術提出新的挑戰(zhàn)

5No.CMnNbVMoCEIIWCEPcm10.041.430.0520.0450.190.350.1520.051.500.0490.0450.230.370.16標準要求0.091.65<0.060.06>0.300.420.21一線工程典型X70管線鋼的化學成分（%）二線工程典型X80管線鋼的化學成分（%）CSiMnPSNiCrNbTiCu0.03-0.060.2-0.31.8-1.9≤0.015≤0.0030.15-0.250.2-0.30.07-0.110.0100.0150.20-0.30Rt0.5，MPaRm，MPaA50，%CVN@-20℃，JDWTTSA@-15℃，%550-630620-72035-45250-350≥8522mm厚X80鋼板的力學性能

管線鋼發(fā)展歷史及西氣東輸Ｘ70，Ｘ80合金設計特點-反應對Nb的認識的發(fā)展過程超低(0.03-0.06C)、高鈮(0.08-0.10Nb)；微鈦處理和鈦氮比控制。6

中國含鈮鋼技術發(fā)展過程中的重大事件:1979年-首次含鈮鋼技術研討會1984年-六五公關-Nb,V,Ti

微合金化技術1994年-成立“中信鈮鋼發(fā)展獎勵基金“2001年，成立中信微合金化技術中心2005年，中國含鈮鋼產量首次世界第一中國Nb微合金化技術發(fā)展30年（1979-2009）1979年CBMM-CISRI首屆含鈮鋼技術研討會-民族飯店1996年中信鈮鋼發(fā)展獎勵基金管委會會議-京城大廈2001年中信微合金化技術中心成立和研討會-京城大廈中國微合金技術的發(fā)展過程中，前冶金部，中國工程院，中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會，中國金屬學會以及各大鋼廠，鋼鐵研究院等院校的領導的關懷和支持。7CITIC-CBMM中信微合金化技術中心推廣鈮微合金化技術,搭建科技合作平臺,為企業(yè)做好技術服務“專家委員會”-由行業(yè)-院所-鋼廠-客戶共同組成，中信鈮鋼科技發(fā)展獎-科技部出版“微合金化技術”刊物及神奇的鈮系列叢書組織國內外技術交流與行業(yè)應用技術專題研討會設立鈮鋼聯(lián)合實驗室：北科大,上海大學,鋼研院中信-微合金化技術網(wǎng)站:，中信集團公司-京城大廈2004年R&D項目報告會2007年x80管線鋼國際研討會-北京2008年汽車輕量化與含鈮鋼研討會2006年零部件用特殊鋼國際研討會暨Nb-V復合微合金技術講座2008年鋼結構設計規(guī)范與屈強比國際研討會中信微合金化技術中心部分專家合影2000年新世紀Nb微合金化鋼研討會

中信微合金化技術中心(1989-2009-)的宗旨－推廣鈮微合金化技術,搭建科技合作平臺,為企業(yè)做好技術服務82006年1月-巴西，Araxa管線鋼國際會議2006年高溫軋制HTP國際研討會與技術講座2007年8月，北京長城飯店2008年12月x80管線鋼技術座談會，北京京城大廈2008年12月，北京昆侖飯店中信主辦高等級管線鋼技術交流與國際學術會議2008年，北京長城飯店2007年CITIC-CBMM與管道局技術交流，河北，廊坊9中信鈮鋼科技發(fā)展獎下分為三個獎項：第一類：應用類—中信鈮鋼技術進步獎；第二類：研究類—中信鈮鋼優(yōu)秀論文獎；第三類：種子類—中信鈮鋼研究項目獎含研究生獎學金（-USTB，NEU，鋼研院）。１９９７年劉琪部長味寶鋼鄭磊頒發(fā)鈮鋼發(fā)展獎，北京京城大廈2002年徐匡迪，吳溪淳，王軍，干勇等領導出席1999年Dr.Carmago為武鋼總工程師劉建功頒獎10CITIC-CBMM中信微合金化技術中心含鈮鋼聯(lián)合實驗室2004年北科大聯(lián)合實驗室成立2008年上海大學鑄造合金實驗室成立2009年3月在鋼鐵研究總院成立聯(lián)合實驗室在北科大，鋼研院，上海大學分別成立三個含鈮鋼聯(lián)合實驗室，成為中國含鈮鋼R&D研究和產學研（院所-鋼廠-用戶）聯(lián)合體攻關的主要隊伍，為我國含鈮鋼的技術進步，尤其為發(fā)展中國高等級管線鋼做出了貢獻11CITIC-CBMM中信微合金化技術中心

含鈮鋼R&D科研項目報告會-每年度含鈮鋼專題技術交流盛會中信-CBMM含鈮鋼R&D項目共45項（已完成28項），管線鋼課題占38%12鋼鐵和中石油二大產業(yè)間的產學研聯(lián)合體的攻關是新形勢下的一種成功的技術創(chuàng)新模式：高Nb-X80管線鋼焊接性能研究（鋼研院-北科大-華北鋼管廠-中信聯(lián)合攻關組-2008）HTP高級別管線鋼及其焊接工藝研究（北科大-沙鋼-寶雞鋼管廠-R&D-2007-）聯(lián)合攻關組階段工作會議13幾位值得感謝的-對中國微合金化技術發(fā)展做出貢獻的外國專家：Mr.Pascoal.Dr.Gray,Dr.Stuart,Dr.DeArdo,Mr.Klaus,Hulka,Douglas.Stalheim,Fulvio等2006年溫家寶總理春節(jié)招待會會見Pascoal2000年北京市長劉琪會見CBMM代表團:1985年CBMM專家訪問鞍鋼Dr.M.GrayDr.HarryStuartDouglas幾位值得追念的對中國低合金鋼發(fā)展做出貢獻的老一輩專家：吳寶榕，曹蔭之，劉嘉禾，沈貝德，謝世柜，姚衛(wèi)薰等1986年吳寶榕教授訪問CBMM1997年曹蔭之教授訪問CBMM原鋼研院副院長：劉嘉禾原冶金部科技司總工：謝世柜降碳：保證鋼材有更好的可焊性和更高的韌性。降硫：

改善韌性，在－40C夏比沖擊脆性轉折溫度現(xiàn)代冶金裝備與工藝技術發(fā)展趨勢合金設計：

低碳+單一或復合微合金化（Nb,V,Ti)冶煉裝備與技術：純凈化（低S，P，O，N），連鑄坯無缺陷軋鋼工藝發(fā)展：從傳統(tǒng)熱軋-CR-TMCP，實現(xiàn)控制顯微組織：細晶粒F+微P向針狀AF和低碳B發(fā)展現(xiàn)代高強度鋼的強韌化機制---晶粒細化是最有效地強韌化機制碳含量細晶強化屈服強度增加韌脆性轉折溫度變化細化珠光體是改善F+P鋼韌性的手段。常規(guī)的鐵素體+珠光體鋼的高強度和韌性的配合是有限的微合金化鋼顯微組織結構與拉伸強度，韌性間關系合理的合金設計+TMCP、ACC加速冷卻技術還使鋼的組織結構從鐵素體+珠光體向針狀鐵素體，貝氏體等多相組織方向發(fā)展，提高鋼的強韌性。HSLA鋼的顯微組織結構從F+P鋼向低碳貝氏體及多相鋼發(fā)展From:Ascometal–F.Perrardetc.鋼中固溶鈮可有效降低相轉變溫度促進低溫轉變產物AF，B，M的生成,鈮，釩，鈦元素是實際可用的微合金化元素，他們在鋼基體中的固溶擴散和沉淀析出能力取決于該元素原子尺寸與鐵原子尺寸之差.鈮原子半徑最大，最有效鈮，釩鈦和鐵錳元素在元素周期表的位置屬于過渡族元素，鈮金屬的基本特點如下：電子排列：過渡金屬是唯一有未充滿內層的元素，可置換鐵原子而形成置換固溶體Fe-C相圖：鈮是鐵素體穩(wěn)定劑，降低相轉變溫度擴散特性：鈮在體心立方（BBC）α-Fe中的擴散系數(shù)比在γ-Fe中要高100倍化合物形成傾向：鈮表現(xiàn)很強的碳氮化物的形成傾向，較低的氧化物，硫化物形成傾向微合金化元素的特性及作用,“Nb,V,Ti微合金化元素”的特點：不改變鐵的晶體結構非常低含量10-3到10-1%與碳、氮和硫相互作用基體中第二相沉淀對組織和性能的巨大影響可通過加工工藝和熱處理控制溶解和析出反應-組織控制Nb作為微合金化元素的特性：對碳、氮較強的的親和力－能形成立方形的NbX碳氮化合物。它在奧氏體中充分溶解，并能以指定方式再次沉淀,在奧氏體和鐵素體中的析出能力在鐵素體中析出強化鈮對氧有較低的附著力，與氧無不利作用，冶煉收得率很高（95％以上）Nb作為合金化元素的特性:鈮的原子半徑比鐵原子大很多，有利于其在鋼中的擴散和沉淀過程控制。金屬鈮作為合金元素的重要性，1.固溶時的作用，2.它結合碳和氮的能力。Nb在鋼中的作用：晶粒細化；延遲再結晶；沉淀強化；凈化鐵基體（IF鋼中）固溶鈮提高淬透性，有相變控制作用－推遲奧氏體－鐵素體相轉變，促進低溫轉變產物（AF，B）生成

微合金化元素Nb,V,Ti對鋼強軔性的影響鈮與釩、鈦的微合金化相比，既能提高鋼的強度，又改善了鋼的韌性，每增加0.01%Nb約可獲得8～14MPa的強度增量，并使鋼的韌-脆性轉變溫度下降8～10℃。研發(fā)成果又表明，微鈮處理技術-即在較低的加入量（<0.015%Nb）、尤其是鋼中C、N含量較低的情況下，同樣顯示出鈮微合金化對鋼的強度和韌性的有利影響-%鈮%鈦%釩Nb，V，Ti的碳氮化物三種形態(tài)在鋼中作用再加熱時未溶質點在奧氏體中析出的質點在奧氏體中溶解的原子奧氏體晶粒細化阻止奧氏體再結晶延遲奧氏體-鐵素體的相轉變，促進低溫轉變產物（AF，B）在晶界或鐵素體中的析出晶粒細化織構

位錯強化

析出強化

From:Hardy

晶粒細化作用抗拉強度屈服強度彎曲疲勞強度沖擊性能抗延遲斷裂性能抗松弛下垂性抗點蝕性靜態(tài)性能動態(tài)性能緊固件彈簧齒輪和軸件晶粒細化是提高鋼強韌性最主要的機制鈮是晶粒細化最有效的微合金化元素。圖：晶粒細化對結構鋼零部件機械性能的作用From-ToshimitsuKimura-DaidoSteelco在鋼的強韌化機制中，晶粒細化是改善鋼的強韌性和提高疲勞性能最有效方法，也是改善非調質鋼，彈簧鋼，齒輪鋼和軸件綜合性能的重要手段，而Nb是最有效的細化晶粒的微合金化元素。。鈮鐵的FeNb合金化技術CITIC-CBMM中信微合金化技術中心粒度：小于5毫米，鐵桶10公斤粒度：5-30毫米/1噸袋/250KG鐵桶鋼包中加入鈮鐵過程鈮鐵的物理性能和溶解物理性能：鈮鐵的密度：8.1克/厘米3比鋼水的比重大，有利于鈮回收鈮鐵的溶點范圍：1580-16300C鈮鐵在鋼水中是一個溶解過程--幾分鐘即可溶解完成粒度越小溶解速度越快鈮鐵的化學性質

現(xiàn)代煉鋼廠主要生產鎮(zhèn)靜鋼。在生產過程中，首先考慮鈮的氧化損耗。圖1-3表明了[Nb]與[O]的親合力遠低于一些典型的脫氧元素如Al、Si和其它合金元素如Ti、Cr。甚至于低于錳，因此，當鈮鐵加入全鎮(zhèn)凈鋼中，其回收率通常為95%以上。鈮氧化物釩錳硅鈦鋁鈮鐵的熔解速度在鋼包中出鋼的動態(tài)下溶解速度更快。通常在出鋼1/3時加入鈮鐵，并繼續(xù)出鋼，通過鋼水沖攪，加速鈮鐵的溶解，保證高收得率95%以上。鈮鐵的熔解時間040080012001600200024001380140014201440146014801500152015401560熔解溫度°C0510152025303540min.sec.熔解時間1mm5mm10mm20mm30mmFeNb直徑加入方法：通常在出鋼1/3時,在鋼包中加入10-30毫米粒度的鈮鐵，或10公斤鐵桶包裝的小于5毫米細小的鈮鐵粉，并繼續(xù)出鋼，通過鋼水沖攪，加速鈮鐵的溶解，保證高收得率95%以上。鈮鐵的收得率可以100%AccordingtoMercedes-Benz0102030405060708090100142014401460148015001520154015601580停留溫度，°C收得率，%停留時間~5min.平均塊度~12mm100%=0.040%Nb含鈮鋼連鑄技術-表面質量控制問題含鈮鋼的熱塑性含鈮鋼連鑄胚表面裂紋的工藝控制產生表面缺陷的影響因素很多，包含結晶器，保護渣，連鑄機的維護，冶金和機械交互作用，冷卻系統(tǒng)，拉速，矯直溫度，以及鋼本身的熱塑性………….。就含鈮鋼本身而言，連鑄過程中，Nb(C,N)析出是造成鋼的熱塑性降低的主要原因，將矯直溫度區(qū)間避開鋼熱塑性低谷區(qū)是主要對策。鈮對鋼坯熱塑性的影響不含鈮的鋼：當溫度降到950℃以下時，熱塑性隨著溫度的下降而降低，溫度下降到約840℃時，斷面收縮率最低。溫度連續(xù)下降時，斷面收縮率再次上升。保證鑄坯不發(fā)生裂紋的斷面收縮率必須在75％以上的臨界溫度范圍在780℃～870℃之間。含鈮鋼：當溫度降到1050℃時，含鈮鋼的斷面收縮率開始下降，在830℃

時，斷面收縮率最低。當溫度降到830℃以下時，斷面收縮率也再次上升。低于臨界斷面收縮率（75%）溫度范圍在750℃～950℃。連鑄過程必須準確地監(jiān)控表面溫度，確保在大于臨界斷面收縮率的溫度下矯直臨界斷面收縮率穩(wěn)定性增加StabilityNb,V,Ti碳氮析出物的溶解積曲線

1.細小TiN質點在高溫液態(tài)中形成，溫度超過1200℃時仍保持穩(wěn)定，可利用這特點控制高的鍛造溫度下的奧氏體晶粒尺寸以及高溫滲碳；2.而VN(V(CN))溶解于奧氏體低溫區(qū)，在更低溫度才析出（析出強化作用）3.3.NbC的溶解與析出溫度介于TiN與VN之間，先于V在奧氏體和奧氏體-鐵素體相變過程中在晶界析出，是其熱塑性降低的主要原因。（可利用NbC析出物阻止終軋過程中奧氏體再結晶，從而達到組織細化的作用。含鈮鋼晶間微空洞聚結形成裂紋的示意圖低溫奧氏體區(qū)奧氏體-鐵素體連鑄坯冷卻過程，會沿原奧氏體晶界大量NbCN

析出物，為晶界形成微孔提供有效地核心位置，矯直在奧氏體-鐵素體雙相區(qū)變形時，應變會集中在軟的鐵素體內，導致晶間析出物之間接觸面的相互分離，產生微孔洞。原始組織粗大時，變形前形成的先析鐵素體易于沿奧氏體晶界長大形成連續(xù)的網(wǎng)狀鐵素體片。一旦微裂紋發(fā)生，它很容易沿著連續(xù)的鐵素體片中擴展，原始組織細小時，變形前形成的鐵素體片不連續(xù)或呈“塊狀”，當微裂紋發(fā)生時，裂紋不容易沿奧氏體晶界連接起來以及長距離的擴展，可改善鋼的熱塑性其他影響因素：拉速，連鑄機的維護，結晶器，保護渣，冷卻系統(tǒng)，噴嘴布置含鈮鋼沿奧氏體晶界Nb(C,N)析出物是晶界微孔洞形成的核心位置含0.04％Nb鋼在800C和850C變形后試樣SEM電鏡照片－晶間裂紋原始晶粒尺寸相當時-Nb,V對熱塑性影響程度對比：C-Mn鋼含V鋼含Nb鋼0.16V鋼T加熱1200C，800Cx1分C-Mn鋼T加熱

1200

C，800Cx1分C-Mn鋼800C變形后0.16V鋼800C變形后,晶間裂紋C-Mn鋼和含V鋼在800C變形前后試樣橫截面的組織和斷口形貌-沿粗大奧氏體晶界形成的先共析片膜狀鐵素體和晶間裂紋擴展0.04