中国Nb钢30年及含铌钢连铸热塑性

1、我国含铌钢技术发展现状,含铌钢的热塑性与Nb-Fe合金化技术CITIC-CBMM中信微合金化技术中心中信微合金化技术中心付俊岩付俊岩.中国微合金化技术与含铌钢发展年.铌铁合金化技术要点.含铌钢连铸坯的热塑性与表面裂纹的控制.结束语2中国含铌钢与钢铁工业中国含铌钢与钢铁工业同步发展，成绩斐然同步发展，成绩斐然(万吨 )近十年来，我国微合金化技术和含铌钢生产取得快速发展，含铌钢年产量从1990年的3万吨发展到2008年近4000万吨，名列世界第一；含铌钢品种从几个发展到200多个，含铌钢的产量已占全国低合金高强度钢总产量的50%以上，不仅为国防和经济建设解决了急需的高性能钢材，也大大缩小了中国钢铁

2、工业与发达国家的差距。1979-1989：引入，初步研究工作 1990-2000：从微铌处理逐步开始Nb微合金化开发 2000- 至今：含铌HSLA钢产量连续四年世界第一3CITIC-CBMM中信微合金化技术中心我国含铌钢的主要消费领域：结构钢（高层建筑，船舶，公铁路大桥，工程机械等），石油天然气管线钢、汽车用钢三大行业；其他领域应用：含铌不锈耐热钢，非调钢，工模具，弹簧钢，铸造合金，高温合金，精密合金，非晶纳米材料等。2008年中国含铌钢铁应用领域分布二线X80管线钢技术水平世界领先在建设中的西气东输二线工程主干线:4000多公里-X80，众多支线：4000多公里x70管线钢是最具代表性的微

3、合金化高强度钢管线钢是最具代表性的微合金化高强度钢选用X80钢级，焊管口径为1219mm，壁厚为18.4mm、22mm、26.4mm、27.5mm和33mm。其规模和技术指标均超过目前国际已有的X80管线工程。 对钢厂管线钢生产技术提出新的挑战 5No.CMnNbVMoCEIIWCEPcm10.041.430.0520.0450.190.350.1520.051.500.0490.0450.230.370.16标准要求标准要求0.091.650.300.420.21一线工程典型X70管线钢的化学成分（%）二线工程典型X80管线钢的化学成分（%）CSiMnPSNiCrNbTiCu0.03-0.0

4、60.2-0.31.8-1.90.0150.0030.15-0.250.2-0.30.07-0.110.0100.0150.20-0.30Rt0.5，MPaRm，MPaA50，%CVN-20，JDWTT SA-15，%550-630620-72035-45250-350852 2mm厚厚X80钢板的力学性能钢板的力学性能 管线钢发展历史及西气东输管线钢发展历史及西气东输70，80合金设计特点合金设计特点 -反应对反应对Nb的认识的发展过程的认识的发展过程超低(0.03-0.06C)、高铌(0.08-0.10Nb)；微钛处理和钛氮比控制。6 中国含铌钢技术发展过程中的重大事件:1979年年-首次

5、含铌钢技术研讨会1984年年-六五公关-Nb,V,Ti 微合金化技术1994年年- 成立“中信铌钢发展奖励基金“2001年年，成立中信微合金化技术中心2005年年，中国含铌钢产量首次世界第一中国中国Nb 微合金化技术发展微合金化技术发展30年年（1979-2009）1979年CBMM-CISRI首届含铌钢技术研讨会-民族饭店1996年中信铌钢发展奖励基金管委会会议-京城大厦2001年中信微合金化技术中心成立和研讨会-京城大厦中国微合金技术中国微合金技术的发展过程中，的发展过程中，前冶金部，中国前冶金部，中国工程院，中国钢工程院，中国钢铁工业协会，中铁工业协会，中国金属学会以及国金属学会以及各大

6、钢厂，钢铁各大钢厂，钢铁研究院等院校的研究院等院校的领导的关怀和支领导的关怀和支持。持。7CITIC-CBMM中信微合金化技术中心推广铌微合金化技术,搭建科技合作平台,为企业做好技术服务“专家委员会”-由行业-院所-钢厂-客户共同组成，中信铌钢科技发展奖-科技部出版“微合金化技术” 刊物及神奇的铌系列丛书组织国内外技术交流与行业应用技术专题研讨会设立铌钢联合实验室：北科大,上海大学,钢研院中信-微合金化技术网站: ，中信集团公司- 京城大厦2004年R&D项目报告会2007年x80管线钢国际研讨会-北京2008年汽车轻量化与含铌钢研讨会2006年零部件用特殊钢国际研讨会 暨Nb-V复合微合金技

7、术讲座2008年钢结构设计规范与屈强比国际研讨会中信微合金化技术中心部分专家合影2000年新世纪Nb微合金化钢研讨会 中信微合金化技术中心中信微合金化技术中心(1989-2009-)(1989-2009-)的宗旨的宗旨推广铌微合金化技术,搭建科技合作平台,为企业做好技术服务82006年1月- 巴西，Araxa 管线钢国际会议2006年高温轧制HTP国际研讨会与技术讲座2007年8月，北京长城饭店2008年12月 x80管线钢技术座谈会，北京京城大厦2008年12月，北京昆仑饭店中信主办高等级管线钢技术交流与国际学术会议中信主办高等级管线钢技术交流与国际学术会议2008年，北京长城饭店2007年

8、CITIC-CBMM与管道局技术交流，河北，廊坊9中信铌钢科技发展奖下分为三个奖项：第一类：应用类中信铌钢技术进步奖；第二类：研究类中信铌钢优秀论文奖；第三类：种子类中信铌钢研究项目奖含研究生奖学金（-USTB，NEU，钢研院）。年刘琪部长味宝钢郑磊颁发铌钢发展奖，北京京城大厦2002年徐匡迪，吴溪淳，王军，干勇等领导出席1999年Dr. Carmago 为武钢总工程师刘建功颁奖10CITIC-CBMM中信微合金化技术中心含铌钢联合实验室含铌钢联合实验室2004年北科大联合实验室成立2008年上海大学铸造合金实验室成立2009年3月在钢铁研究总院成立联合实验室在北科大，钢研院，上海大学分别成立

9、三个含铌钢联合实验室，成为中国含铌钢R&D 研究和产学研（院所-钢厂-用户）联合体攻关的主要队伍，为我国含铌钢的技术进步，尤其为发展中国高等级管线钢做出了贡献11CITIC-CBMM中信微合金化技术中心 含铌钢含铌钢R&D科研项目报告会科研项目报告会-每年度含铌钢专题技术交流盛会每年度含铌钢专题技术交流盛会中信-CBMM含铌钢R&D项目共45项（已完成28项），管线钢课题占38%12钢铁和中石油二大产业间的产学研联合体的攻关是新形势下的钢铁和中石油二大产业间的产学研联合体的攻关是新形势下的一种成功的技术创新模式：一种成功的技术创新模式：高高Nb-X80管线钢焊接性能研究（管线钢焊接性能研究（钢

10、研院钢研院-北科大北科大-华北钢管厂华北钢管厂-中信联合攻关组中信联合攻关组-2008）HTP高级别管线钢及其焊接工艺研究（高级别管线钢及其焊接工艺研究（北科大北科大-沙钢沙钢-宝鸡钢管厂宝鸡钢管厂-R&D-2007-）联合攻关组阶段工作会议13几位值得感谢的几位值得感谢的-对中国微合金化技术发展做出贡献的外国对中国微合金化技术发展做出贡献的外国专家：专家：Mr.Pascoal. Dr.Gray, Dr.Stuart, Dr.DeArdo, Mr.Klaus, Hulka, Douglas. Stalheim, Fulvio 等等2006年温家宝总理春节招待会会见Pascoal2000年北京市

11、长刘琪会见CBMM代表团:1985年CBMM专家访问鞍钢Dr. M. GrayDr.Harry StuartDouglas几位值得追念的对中国低合金钢发展做出贡献的老一辈专家：吴宝榕，曹荫之，刘嘉禾，沈贝德，吴宝榕，曹荫之，刘嘉禾，沈贝德，谢世柜，姚卫薰谢世柜，姚卫薰 等等1986年吴宝榕教授访问年吴宝榕教授访问CBMM1997年曹荫之教授访问年曹荫之教授访问CBMM原钢研院副院长：刘嘉禾原钢研院副院长：刘嘉禾原冶金部科技司总工：谢世柜原冶金部科技司总工：谢世柜降碳：保证钢材有更好的可焊性和更高的韧性。降硫降硫： 改善韧性，在改善韧性，在40 C夏比冲击脆性转折温度夏比冲击脆性转折温度现代冶金

12、装备与工艺技术发展趋势合金设计： 低碳+ 单一或复合微合金化（Nb,V,Ti )冶炼装备与技术：纯净化（低S，P，O，N），连铸坯无缺陷轧钢工艺发展：从传统热轧-CR-TMCP，实现控制显微组织：细晶粒 F+ 微P 向 针状AF和低碳B发展现代高强度钢的强韧化机制现代高强度钢的强韧化机制-晶粒细化是最有效地强韧化机制晶粒细化是最有效地强韧化机制碳含量细晶强化屈服强度增加韧脆性转折温度变化细化珠光体是改善细化珠光体是改善F+P钢韧性的手段。常规钢韧性的手段。常规的铁素体的铁素体+珠光体钢的珠光体钢的高强度和韧性的配合高强度和韧性的配合是有限的是有限的微合金化钢显微组织结构与拉伸强度，韧性间关系微

13、合金化钢显微组织结构与拉伸强度，韧性间关系合理的合金设计合理的合金设计+TMCP、ACC加速冷却技术还使加速冷却技术还使钢的组织结构从铁素体钢的组织结构从铁素体+珠光体向针状铁素体，贝珠光体向针状铁素体，贝氏体等多相组织方向发展，氏体等多相组织方向发展，提高钢的强韧性。提高钢的强韧性。HSLA钢的显微组织结构从钢的显微组织结构从F+P钢钢向低碳贝氏体及多相钢发展向低碳贝氏体及多相钢发展From :Ascometal F.Perrard etc.钢中固溶铌可有效降低相钢中固溶铌可有效降低相转变温度促进低温转变产转变温度促进低温转变产物物AF，B，M的生成的生成,铌，钒，钛元素是实际可用的微合金化

14、元素，他们在钢基体中的固溶扩散和沉淀铌，钒，钛元素是实际可用的微合金化元素，他们在钢基体中的固溶扩散和沉淀析出能力取决于该元素原子尺寸与铁原子尺寸之差析出能力取决于该元素原子尺寸与铁原子尺寸之差. . 鈮鈮原子半径最大，原子半径最大，最有效最有效 铌，钒 钛和铁锰元素在元素周期表的位置属于过渡族元素，铌金属的基本特点如下：电子排列：过渡金属是唯一有未充满内层的元素， 可置换铁原子而形成置换固溶体 Fe-C相图：铌是铁素体稳定剂，降低相转变温度扩散特性：铌在体心立方（BBC）-Fe中的扩散系数比在-Fe中要高100倍1. 化合物形成倾向：铌表现很强的碳氮化物的形成倾向，较低的氧化物，硫化物形成倾

15、向微合金化元素的特性及作用微合金化元素的特性及作用,“Nb,V,TiNb,V,Ti微合金化元素微合金化元素” ” 的特点的特点：不改变铁的晶体结构不改变铁的晶体结构非常低含量非常低含量1010-3-3到到1010-1-1% %与碳、氮和硫相互作用与碳、氮和硫相互作用基体中第二相沉淀基体中第二相沉淀对组织和性能的巨大影响对组织和性能的巨大影响可通过加工工艺和热处理控制可通过加工工艺和热处理控制 溶解和析出反应溶解和析出反应- -组织控制组织控制NbNb作为微合金化元素的特性：作为微合金化元素的特性：对碳、氮较强的的亲和力对碳、氮较强的的亲和力 能形成立方形的能形成立方形的NbXNbX碳氮化合物。

16、碳氮化合物。它在奥氏体中充分溶解，并能以指定方式再次沉淀它在奥氏体中充分溶解，并能以指定方式再次沉淀, ,在奥氏体和铁素体中的析出能力在奥氏体和铁素体中的析出能力在铁素体中析出强化在铁素体中析出强化铌对氧有较低的附着力，与氧无不利作用，冶炼收得率很高（铌对氧有较低的附着力，与氧无不利作用，冶炼收得率很高（9595以上）以上）NbNb作为合金化元素的特性作为合金化元素的特性: :铌的原子半径比铁原子大很多，有利于其在钢中的扩散和沉淀过程控制。铌的原子半径比铁原子大很多，有利于其在钢中的扩散和沉淀过程控制。金属铌作为合金元素的重要性，金属铌作为合金元素的重要性，1.1.固溶时的作用，固溶时的作用，

17、2.2.它结合碳和氮的能力。它结合碳和氮的能力。NbNb在钢中的作用在钢中的作用：晶粒细化；晶粒细化；延迟再结晶；延迟再结晶；沉淀强化；沉淀强化；净化铁基体（净化铁基体（IFIF钢中）钢中）固溶固溶鈮鈮提高淬透性，有相变控制作用提高淬透性，有相变控制作用 推迟奥氏体铁素体相转变，促进推迟奥氏体铁素体相转变，促进 低温转变产物（低温转变产物（AFAF，B B）生成生成 微合金化元素微合金化元素Nb,V,TiNb,V,Ti对钢强轫性的影响对钢强轫性的影响铌与钒、钛的微合金化相比，既能提高钢的强度，又改善了钢的韧性，每增加0.01%Nb约可获得814MPa的强度增量，并使钢的韧-脆性转变温度下降81

18、0。研发成果又表明，微铌处理技术-即在较低的加入量（0.015%Nb）、尤其是钢中C、N含量较低的情况下，同样显示出铌微合金化对钢的强度和韧性的有利影响-%铌%钛%钒Nb，V，Ti的碳氮化物三种形态在钢中作用的碳氮化物三种形态在钢中作用再加热时再加热时未溶质点未溶质点在 奥 氏 体在 奥 氏 体中 析 出 的中 析 出 的质点质点在奥氏体中在奥氏体中溶解的原子溶解的原子奥氏体奥氏体晶粒细化晶粒细化 阻止奥氏体阻止奥氏体再结晶再结晶延迟奥氏体延迟奥氏体-铁素体的铁素体的相转变，促进低温转相转变，促进低温转变产物（变产物（AF，B）在晶界或铁素体在晶界或铁素体中的析出中的析出晶粒细化晶粒细化 织构

19、 位错强化 析出强化 From : Hardy 晶粒细晶粒细化作用化作用抗拉强度屈服强度弯曲疲劳强度冲击性能抗延迟断裂性能抗松弛下垂性抗点蚀性静态性能静态性能 动态性能动态性能紧固件弹 簧齿轮和轴件晶粒细化是提高钢强韧性最主要的机制晶粒细化是提高钢强韧性最主要的机制铌是晶粒细化最有效的微合金化元素。铌是晶粒细化最有效的微合金化元素。 图：晶粒细化对结构钢零部件机械性能的作用图：晶粒细化对结构钢零部件机械性能的作用From-Toshimitsu Kimura-Daido Steel co 在钢的强韧化机在钢的强韧化机制中，晶粒细化制中，晶粒细化是改善钢的强韧是改善钢的强韧性和提高疲劳性性和提高疲

20、劳性能最有效方法，能最有效方法，也是改善非调质也是改善非调质钢，弹簧钢，齿钢，弹簧钢，齿轮钢和轴件综合轮钢和轴件综合性能的重要手段，性能的重要手段，而而Nb是最有效的是最有效的细化晶粒的微合细化晶粒的微合金化元素金化元素 。铌铁的FeNb 合金化技术CITIC-CBMM中信微合金化技术中心粒度：小于5毫米，铁桶10公斤粒度：5-30毫米/1吨袋/250KG 铁桶 钢包中加入铌铁过程铌铁的物理性能和溶解铌铁的物理性能和溶解物理性能：铌铁的密度：8.1克/厘米3 比钢水的比重大，有利于铌回收铌铁的溶点范围：1580-16300C铌铁在钢水中是一个溶解过程-几分钟即可溶解完成粒度越小溶解速度越快铌铁

21、的化学性质铌铁的化学性质 现代炼钢厂主要生产现代炼钢厂主要生产镇静钢。在生产过程镇静钢。在生产过程中，首先考虑铌的氧中，首先考虑铌的氧化损耗。图化损耗。图1-3 表明表明了了Nb与与O的亲合的亲合力远低于一些典型的力远低于一些典型的脱氧元素如脱氧元素如Al、Si和和其它合金元素如其它合金元素如Ti、Cr。甚至于低于锰，甚至于低于锰，因此，当铌因此，当铌铁铁加入全加入全镇净钢中，其回收率镇净钢中，其回收率通常为通常为95%以上。以上。铌氧化物铌氧化物钒钒锰锰硅硅钛钛铝铝铌铁的熔解速度在钢包中出钢的动态在钢包中出钢的动态下溶解速度更快。下溶解速度更快。通常在出钢通常在出钢1/3时加入时加入铌铁，并

22、继续出钢，铌铁，并继续出钢，通过钢水冲搅，加速通过钢水冲搅，加速铌铁的溶解，保证高铌铁的溶解，保证高收得率收得率95%以上以上。铌铁的熔解时间040080012001600200024001380 1400 1420 1440 1460 1480 1500 1520 1540 1560熔熔 解解 温温 度度 C0510152025303540min. sec.熔熔 解解 时时 间间1 mm5 mm10 mm20 mm30 mmFeNb直径直径加入方法：通常在出钢1/3时,在钢包中加入10-30毫米粒度的铌铁，或10公斤铁桶包装的小于5毫米细小的铌铁粉，并继续出钢，通过钢水冲搅，加速铌铁的溶解，

23、保证高收得率95%以上。铌铁的收得率可以100%According to Mercedes-Benz0102030405060708090100142014401460148015001520154015601580停留温度，停留温度， C收得率，收得率， %停留时间停留时间 5 min.平均块度平均块度 12 mm100% = 0.040% Nb含铌钢连铸技术-表面质量控制问题含铌钢的热塑性含铌钢连铸胚表面裂纹的工艺控制 产生表面缺陷的影响因素很多，包含结晶器，保护渣，连铸机产生表面缺陷的影响因素很多，包含结晶器，保护渣，连铸机的维护，冶金和机械交互作用，冷却系统，拉速，矫直温度，以的维护，

24、冶金和机械交互作用，冷却系统，拉速，矫直温度，以及钢本身的热塑性及钢本身的热塑性.。 就含铌钢本身而言，连铸过程中，就含铌钢本身而言，连铸过程中，Nb(C,N)析出是造成钢的热塑析出是造成钢的热塑性降低的主要原因，将矫直温度区间避开性降低的主要原因，将矫直温度区间避开 钢热塑性低谷区是主要钢热塑性低谷区是主要对策对策。铌对钢坯热塑性的影响 不含铌的钢：当温度降到950以下时，热塑性随着温度的下降而降低， 温度下降到约840时，断面收缩率最低。温度连续下降时，断面收 缩率再次上升。保证铸坯不发生裂纹的断面收缩率必须在75以上 的临界温度范围在780870之间。含铌钢：当温度降到1050时，含铌钢

25、的断面收缩率开始下降，在830 时，断面收缩率最低。当温度降到830以下时，断面收缩率也再次上升。 低于临界断面收缩率（75%）温度范围在750950。连铸过程必须准确地监控表面温度，确保在大于临界断面收缩率的温度下矫直临界断面收缩率稳定性增加StabilityNb,V, Ti 碳氮析出物的溶解积曲线 1.细小TiN质点在高温液态中形成，温度超过1200时仍保持稳定，可利用这特点控制高的锻造温度下的奥氏体晶粒尺寸以及高温渗碳；2. 而VN (V(CN)溶解于奥氏体低温区，在更低温度才析出（析出强化作用）3. 3. NbC 的溶解与析出温度介于TiN与VN之间，先于V在奥氏体和奥氏体-铁素体相变

26、过程中在晶界析出，是其热塑性降低的主要原因。（可利用NbC析出物阻止终轧过程中奥氏体再结晶，从而达到组织细化的作用。含铌钢晶间微空洞聚结形成裂纹的示意图低温奥氏体区奥氏体-铁素体连铸坯冷却过程，会沿原奥氏体晶界大量连铸坯冷却过程，会沿原奥氏体晶界大量NbCN 析出物，为晶界形成微孔提供有效地核心位置，析出物，为晶界形成微孔提供有效地核心位置，矫直在奥氏体矫直在奥氏体-铁素体双相区变形时，应变会集中在软的铁素体内，导致晶间析出物之间接触面的相互铁素体双相区变形时，应变会集中在软的铁素体内，导致晶间析出物之间接触面的相互分离，产生微孔洞。分离，产生微孔洞。原始组织粗大时，变形前形成的先析铁素体易于

27、沿奥氏体晶界长大形成连续的网状铁素体片。一旦微原始组织粗大时，变形前形成的先析铁素体易于沿奥氏体晶界长大形成连续的网状铁素体片。一旦微裂纹发生，它很容易沿着连续的铁素体片中扩展，裂纹发生，它很容易沿着连续的铁素体片中扩展，原始组织细小时，变形前形成的铁素体片不连续或呈原始组织细小时，变形前形成的铁素体片不连续或呈“块状块状”，当微裂纹发生时，裂纹不容易沿奥氏，当微裂纹发生时，裂纹不容易沿奥氏体晶界连接起来以及长距离的扩展，可改善钢的热塑性体晶界连接起来以及长距离的扩展，可改善钢的热塑性 其他影响因素：拉速其他影响因素：拉速，连铸机的维护，结晶器，保护渣，冷却系统，喷嘴布置连铸机的维护，结晶器，

28、保护渣，冷却系统，喷嘴布置含铌钢沿奥氏体晶界Nb(C,N)析出物是晶界微孔洞形成的核心位置含0.04Nb 钢在800C和850C变形后试样SEM电镜照片 晶间裂纹原始晶粒尺寸相当时原始晶粒尺寸相当时-Nb,V 对热塑性影响程度对比：对热塑性影响程度对比：C-Mn钢含V钢含Nb钢0.16V钢 T加热 1200 C， 800Cx1分C-Mn钢 T加热 1200 C， 800Cx1分分C-Mn钢 800C变形后0.16V钢 800C变形后, 晶间裂纹C-Mn钢和含钢和含V钢在钢在800C变形前后试样横截面的组织和断口形貌变形前后试样横截面的组织和断口形貌-沿粗大奥氏体晶界形成的先共析片膜状铁素体和晶间裂纹扩展沿粗大奥氏体晶界