中国钒工业的发展

在国际钒技术会议上的报告PAGEPAGE4中国钒工业的发展周家琮攀钢（集团）公司1.中国钒工业概述中国是世界上主要的产钒大国。目前全球钒渣、氧化钒、钒铁的主要产地是南非、中国、俄罗斯、美国、澳大利亚、新西兰和日本等七国。1999年世界钒产量如图1所示。从80年代以来，南非、俄罗斯和中国一直是三个最大的产钒国，随着澳大利亚Windimurra钒项目的达产，可能会占据世界钒产量9%的份额，也将成为主要的产钒国之一。除美国和日本从石油残渣和电厂飞灰中提取钒外，其他各国都是从矿石冶炼过程中提取钒。说明:图中数据（除中国外）主要参考美国地质调查局(USGS)公布的统计资料，未包括澳大利亚WindimuraV2O5（99年底投产）生产情况。攀钢是中国最大的钒生产商，按V2O5产量计算，攀钢生产的钒原料占全国的74%左右，占世界18%左右，图2是中国钒原料生产情况。承德钢铁公司是中国另一个主要钒生产商，近年来其生产规模也在不断扩大。中国钒工业的崛起主要得益于攀枝花钒钛磁铁矿的开发利用。随着1972攀钢雾化提钒投产，中国钒从无到有，从1980年开始由一个钒的进口国，变成钒的出口大国。目前攀钢钒产品的年销售收入达到4.07亿元，出口创汇达3200万美元/年（1998年达到6500万美元），成为攀钢仅次于钢铁的第二支柱产业。本文将以攀枝花钒的开发利用为重点，报告中国钒工业的发展历程。图2.中国钒原料生产情况从世界来看，钒在钢铁工业中的消费量占其总量的85%，其余应用于含钒的钛合金和化学工业。在钢铁工业中，钒的消费分布如图3所示，高强度低合金钢（包括输气油管线钢在内）占55%左右，特殊钢（包括工具钢在内）占45%左右。国内每年消费各种钒原料约2860吨（按金属钒计）。其中，90%用于钢铁工业，其余10%用于催化剂、钛钒合金、颜料等领域。在钢铁工业中有1500吨左右用于特殊钢冶炼，1100吨左右用于普通钢铁厂中冶炼高强低合金钢。近年来，建筑含钒钢筋用钒明显上升。除攀钢使用FeV80外，其他中国钢铁厂都以FeV50或其它形式使用钒。国际上通常用钒消耗强度表示钢铁业钒的应用水平。钒消耗强度按每生产1000吨钢所消耗钒的公斤数表示。从80年代以来，世界钒消耗强度已从30kg/1000t升至1998年的50kg/1000t，增加了67%。今后，随着对强度高、重量轻的钢材需求的增加，钒消耗强度还会进一步增加。而中国目前钒消耗强度仅为20~25kg/1000t，其差距是显而易见的。潜力也是巨大的。可见，中国钒的生产已处于世界前列，但钒的应用范围、规模和水平却并不先进，与产钒大国的地位很不相称。扩大低合金钢的应用是钢铁产品结构升级、体现钢铁工业技术水平的重要标志。因此，大力推广包括含钒钢在内的低合金钢、调整钢铁产2.4钒的提取及加工技术的研究和开发在多年的技术开发和生产实践中，攀钢及中国的其他企业及研究部门对钒渣、钒氧化物以及钒铁的提取制造工艺技术进行了研究和开发，主要成果有：经过多年的不懈努力，攀钢在钒的提取和产品开发上取得了数十个研究成果，形成了完全适合攀枝花资源特色的钒提取和深加工系列技术，品种不断增加，收率逐年提高，成本持续下降。特别是在转炉提钒、V2O3生产、以及VN的生产工艺技术开发上，已取得了创造性的显著成就。1991年攀钢在实验室里用多钒酸铵为原料研制了碳化钒，同时还用高钒铁为原料制得了氮化钒铁。1997年，攀钢又和东北大学进行合作用三氧化二钒为原料研制氮化钒，结果在常压下使V2O3+4C=V2C+3CO碳化反应时间从40~60小时缩短为5小时以内，并且还有进一步缩短碳化时间的潜力。产品达到国际同类产品技术标准。现在，在生产工艺上已取到了关键性突破，批量工业应用取得良好效果，正在建设150t/a规模的工业试生产线。中国含钒钢的应用3.1应用概况随着中国钢铁工业的技术进步和钒产业的发展，中国含钒钢的应用得到了稳步的增长，图8是我国90年代以来含钒低合金钢和微合金钢的产量。其平均年增长率为10%左右。近年来中国含钒钢产量不断提高，品种不断增加，特别是在建筑用钢、管线钢、重轨钢和汽车及火车结构用钢等方面，发展十分迅速。96-98年各种含钒低合金钢的的平均年产量分布见图9。它们主要由攀钢、首钢、鞍钢、宝钢、重钢等生产，目前，产量在万吨以上的企业达到12家。随着含钒钢筋的推广，承钢、八钢、水钢、莱钢等一批中型企业在今明二年将成为含钒钢生产大户。攀钢凭借钒的资源优势和应用技术优势，经过十多年的不断努力，先后开发了数十个含钒钢品种，其含钒低合金钢和微合金钢的产量占到了全国同类钢总产量的50%以上。图10是攀钢历年来含钒低合金钢的产量。94和95年，国内铺设铁路较多，含钒钢轨用量较大。94和95年，国内铺设铁路较多，含钒钢轨用量较大。3.2含钒钢的特点及应用在钢中加入钒，可显著改善钢的性能。实践表明，在结构钢中加入0.1%的钒，可提高强度10～20%，减轻结构重量15～25%，降低成本8～10%。若采用含钒高强度钢时，可减轻金属结构重量40～50%，比普通结构钢的成本低15～30%。研究表明：钒加入钢中，除固溶强化作用不显著外，在以下几方面显著改善钢的性能。①V(CN)在奥氏体重点溶度积高，钒在低、中、高碳钢中都具有较强的沉淀强化作用。②钒加入到钢中通过阻止加热时奥氏体晶粒的长大、抑制形变奥氏体再结晶、强化γ→α相变细化晶粒作用等途径，达到细化钢的晶粒的作用。③钒对过冷奥氏体转变具有明显影响，研究表明，与大多数合金元素不同，钒不延迟铁素体转变而推迟贝氏体和珠光体转变。同时，钒提高钢的淬透性的作用，是同样含量的钼对淬透性贡献的二倍。钒在焊接高强钢中，促进热影响区中铁素体的形成，从而提高焊件的韧性。在中、高碳钢中采用钒微合金化，将明显推迟珠光体转变，在同样冷却速度条件下可获得更细的珠光体，即提高了索氏体化的程度，如在硬线产品中，钒微合金化不但提高了产品的强度和韧性，而且有可能部分或全部取消铅浴处理。在钢轨产品中，为提高其使用寿命，发展了欠速淬火工艺，即SQ（SlackQuenching）工艺。试验表明，在硬度相同的情况下，珠光体比回火马氏体和贝氏体更耐磨，并且珠光体的片层间距越小，其耐磨性能越好。在钢轨中加入适量的钒，其转变曲线右移，使其在实施SQ工艺时，更易于实现组织的索氏体化。钒作为合金和微合金添加剂，在钢中具有许多良好的作用。以上介绍的主要是在微合金钢或微合金化时钒的作用。除此之外，钒在不同类型、不同用途的钢种中，还具有许多不同的特殊的作用。如：在热处理钢中增加抗回火的能力；在高速钢中提高红硬性的作用；在热强钢中将改善抗蠕变性能；在耐蚀钢中改善抗腐蚀性能的作用，以及抑制应变时效的作用等。3.2.1钒在高碳钢中的应用在高碳钢中采用钒微合金化，主要用于钢轨、轴承钢、工具钢、模具钢等的生产，目前攀钢采用钒微合金化生产的钢种主要为铁路钢轨。重轨钢属于珠光体型钢。珠光体的片间距、珠光体团的大小控制了钢轨强度和韧、塑性。抗拉强度和屈服强度随片间距的减小而增加，韧性则与珠光体团的大小及渗碳体厚度有关，微量钒在重轨钢中的作用研究结果表明，钒可以细化奥氏体晶粒、细化珠光体组织并改变其组织形态，产生沉淀强化作用，提高重轨的强度和使用寿命。攀钢生产的含钒钢轨有：钒微合金化的热轧钢轨、离线含钒热处理钢轨和在线含钒热处理钢轨。PD3含钒重轨是攀钢自己开发的新一代微合金钢轨，其强度σb高达980Mpa，比通常的U71Mn的使用寿命提高50%以上；PD3钢轨经全长淬火处理后HRC33.5～42.5的硬化层深度≥15mm，σb高达1275Mpa，δ5≥10%。经多年的铁路运营实践检验，该钢轨在线路运营过程中，可减轻剥离掉块、波浪磨耗、早期磨耗到限等缺陷；虽然省略了轨端淬火但没有轨端压溃现象，并具有良好的焊接性能。其综合性能达到了国际先进水平，线路使用的耐磨性能比U71Mn提高3倍。图11是攀钢历年来含钒钢轨PD3的产量及其在国内钢轨市场中的比例。在高速工具钢中，钒是不可缺少的合金元素，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，我国工具钢年产量在4000吨左右。不管是冷作模具钢还是热作模具钢，绝大部分都含钒，如Cr6WV、Cr4W2MoV等。平均含钒量为0.47-0.68%。钢中加入钒，不仅可以细化晶粒、改善韧性，提高硬度、热硬性、耐磨性、而且减少了开裂倾向性。钒在轴承钢中也有应用。六十年代末，中国研制了MnV系轴承钢，如GSiMnV、GSiMnMoV、GSiMnVRe、GSiMnMoVRe、GMnMoV、GMnMoVRe等，目前已被大量使用。锰钒系轴承钢的使用寿命和疲劳强度都比GCr15高，并且达到了瑞典SKF名牌滚珠钢的水平。3.2.2钒在中碳钢中的应用在提高强度的同时，使钢材具有较高的韧性。钒在中碳钢中得到了广泛的应用，如含钒非调质钢、中碳弹簧钢、含钒容器用钢等。含钒非调质钢近十年来，中国非调质钢的开发与应用有了长足的进步。含钒非调质钢的研究和开发也十分活跃。在汽车行业，二汽用F35MnVN代替40MnB调质钢用作EQ6100发动机的连杆，用48MnV钢代替40Cr用作康明斯发动机曲轴，用12Mn2VB贝氏体钢用于制作汽车前轴，效果良好。南汽将F35MnVN钢应用于要求较高，难度较大的万向节叉、套管叉。一汽还与鞍钢合作，研制出非调质钢38MnVTi，代替40Cr或40MnB制造汽车半轴等零件。非调质无缝钢管的试制也十分活跃。如：成都无缝钢管厂开发了在厚壁载重汽车扭力轴用管及薄壁N80石油套管上应用的含钒非调质钢。南汽试制了中碳微合金非调质无缝钢管，形成多种强度，多种规格热轧、冷轧系列产品。唐钢研制出25MnSiV（Ti）高韧性、高塑性非调质矿用支护钢。其性能达到了德国32Mn3钢调质后的水平。用于代替20MnK制造29U可节约钢材29％。含钒非调质钢的应用正在不断扩大到机床、石油机械、民用枪械、塑料模具等领域。微合金化是非调质钢的技术核心。所采用的微合金元素包括V、Nb、Ti、B等，其中以V作为微合金化元素的占多数。在可统计到的各国非调质钢当中，可知化学成分的牌号有186个，其中含钒非调质钢为158个，占85%；含铌的为9个，占5%；钒铌复合合金化的14个，占7.5%。此外，攀钢先后开发的如20MnVB齿轮钢等优钢，因其良好的韧性，已广泛应用于汽车行业。高压氧气瓶钢：34Mn2V该产品用于冲压高压气瓶，要求高强度且具有良好加工性能，加工过程不能产生裂纹，攀钢采用钒合金化生产34Mn2V氧气瓶钢，年产1-2万吨。弹簧钢弹簧钢55SiMnVB是针对原60Si2Mn弹簧钢淬透性差和脱碳倾向大的缺点，而开发的，适当降低碳含量，加入少量的钒和微量硼以细化晶粒、提高强度、韧性和淬透性，从而使弹簧寿命提高约5-10倍。3.2.3钒在低碳钢中的应用钒在钢中以V4C3、VN形式存在，通常是细小颗粒，足以抑制钢中晶界的移动和晶粒长大。氮化钒、碳化钒的析出对钢起到了强化作用。钒在低碳钢中的作用主要是细化晶粒、提高强度、降低脆性转变温度、显著改善钢的焊接性能。钒微合金化低合金高强度钢已广泛用于铁路车辆的制造、高强度汽车结构件、油气输送管线、含钒建筑用钢等。铁路车辆用钢我国铁路车辆制造中，也已广泛应用含钒微合金钢。制造铁路车辆主梁，均采用攀钢生产的09V钢，其机械性能：σs≥294Mpa，σb≥441Mpa，ak(常温)≥58.8J/cm2，ak(-40℃)≥35J/cm2，并具有良好的焊接性能。从1992年至1998年共生产09V钢43万吨。含钒汽车用高强度热轧钢板高强度热轧钢板在中型和轻型载重汽车上应用较多，主要用于制作汽车底盘和车厢的各种梁类部件、保险杠、发动机的悬置梁、车轮的轮辐和轮辋等。要求具有良好的强韧性、成型性及焊接性能。攀钢采用钒微合金化，陆续开发并形成抗拉强度从370Mpa至510Mpa的系列汽车梁用钢板，该系列汽车梁用钢板进一步提高了成型性，降低了韧脆转变温度，提高了使用的安全性。该系列产品自1994年投放市场以来，以其良好的成型性能及同板强度均匀性等优点深得用户的青睐，到目前为止已累计生产11万吨，见图12。含钒管线钢为适应世界范围能源开发和运输工业日益增长的需要，输送管线应用的范围在不断地扩大；输送管线的数量在不断地增加；输送管线的压力在不断地提高，并且在油、气输送管线中，输气管线的用量在迅速增加，对管线钢性能的要求也在不断地提高。攀钢于1993年开始管线钢的工业试制，现在开发出X42～X60，并已开始X65、X70的试制。攀钢的管线钢以钒微合金化为主，并辅以其他多元合金化，具有良好的强韧性和焊接性能。到目前为止已生产15万吨，深受用户欢迎，见图13。建筑用钢特别值得指出的是在建筑钢筋中的应用。发达国家普遍采用400Mpa以上的高强钢筋，而中国目前仍基本使用低强度级别的20MnSiⅡ级钢筋。钒合金化是生产高强钢筋的优秀方法。攀钢和国内许多厂家生产的含钒钢筋成功地用于小浪底工程、大亚湾核电站以及全国许多城市的高层建筑等建设工程中。含钒钢筋成本低、强度高、有良好的抗应变时效性、良好的焊接性能，较高的高应变低周疲劳性能。中国国家建设部会同冶金局为推广含钒钢筋做了大量的工作，以今年首钢会议为标志，中国每年使用的二千万吨建筑钢筋中将越来越多地应用含钒钢筋，中国含钒钢的应用前景非常广阔。含钒造船用钢板攀钢自主研制开发的钒微合金化高强度造船用钢板（AH36），因其具有良好的韧塑性及低的冷脆转变温度，近日已通过英国劳氏船级社的认证，获取攀钢船板生产的国际通行证。综上所述，钒微合金化钢在攀钢有着广阔的应用前景，攀钢还将进一步开发和生产市场需求的钒微合金化钢，为促进钒工业的发展做出贡献。3.3攀钢在含钒钢方面的研究与开发攀钢在含钒的新品种开发、钢铁材料中钒的作用机制研究等方面，开展了大量的工作。七十年代末，攀钢的低合金钢比不到1％，经过二十年的努力，已开发并转产低合金钢品种达50多个（其中微合金钢19个）。1999年，攀钢产钢330万吨，其中低合金钢（包括微合金钢）122万吨，低合金钢比已达到40％左右，并已开发出了一系列钒微合金化高、中碳钢和含钒低碳微合金钢。在开发和试制含钒低合金及微合金钢的同时，攀钢还进行了大量的含钒钢机械性能和使用性能的基础研究，完成了“攀钢钢轨在线热处理工艺基础研究”、“攀钢钢轨中残钒对性能的影响”、“钒和VN合金在非调质钢中的应用”，同时，在国际钒技术委员会的支持下，开展了“钒在1100Mpa级重轨钢中的应用”、“钒对钢的焊接性能的影响”、“钒在弹簧钢中的应用研究”等课题的研究。通过这些课题的研究，弄清了钒提高钢的机械性能、应用性能的作用机理和规律，明确了在不同钢种中最佳应用钒进行强化的途径。使攀钢形成了成熟的钒微合金化、热处理强化及复合强化生产重轨、管线钢、车梁结构用钢等的专有技术。含钒钢的研究、开发和应用已成为攀钢钢铁技术创新的重要领域。4钒在非钢铁领域的应用中国钒在非钢铁领域的应用规模不大。从消费总量来看，以金属钒计，年消费量不足300吨，仅占总消费量的10%左右，是一个需要开发的潜在市场。基本情况如下。1）钒催化剂：一些化工企业自行生产的各种钒催化剂，如偏钒酸钠、偏钒酸铵、钒酸铵钠、三氯化钒等，V2O5的消耗量在400吨/年左右。2）含钒有色合金及金属钒：钒钛等合金用于生产航空合金材料（Ti6Al4V锭、棒材和板材）系列产品，每年消耗的钒在50吨左右。3)全钒氧化还原电池的开发：近年来，国内一些单位对钒电池开发做了一些实验室研究工作，但离产业化应用还有很大的距离。4)钒颜料：开发出了钒酸铋黄颜料、钒钼酸铋黄颜料，目前处于实验应用阶段，该颜料具有纯净色调、高遮盖力和耐候耐热性，用于配制不含毒性的黄汽车漆或作为户外建筑涂料，其应用前景较大。5)钒氧化物的开发:高纯度五氧化二钒每年国内需要量估计在100吨左右。用于节能、环保及军事目的的四氧化二钒薄膜已经在实验室制出了样品，尚待应用方面的进一步开发。攀钢一直关注钒在非钢铁领域的应用，并参与着钒电池、氧化钒功能薄膜，以及钒在航空合金中的开发应用。并在钒电池和钒铝合金及钒的氧化物膜等方面开展了研究和试验工作。钒的市场及展望钒市场的历史与现状：世界钒的消费从1991年的20400吨/年增加到1997年的38000吨/年和1998年的36000吨，表明了良好的需求发展。主要的需求来自钢铁产量增加和钢铁技术进步导致的对高强度低合金钢的需求增加。图14清楚地反映了这一事实，钒消费总量的增加与世界钢产量和钒在钢中的消耗强度相一致。从近期来看，虽然得益于石油、天然气管道输送需求增多，促进了管线钢的大幅度增长，钒的需求有所增加，但由于钒生产的能力相对较大，并不断有Windimurra等新项目投产，因此，钒的供应总体过剩，钒的价格目前仍在低位盘整，处于又一个历史低谷期。图15是历年来世界V2O5的价格变化，图16是近几年钒铁的价格走势。钒市场的展望与建议：由于下面的几个原因，将决定将来钒的市场有较好的发展。一是其他材料特别是塑料、铝塑复合材料、陶瓷材料对钢铁材料的功能替代的作用，将促使钢铁行业不得不考虑，钢材发展走向高强化、轻量化，因此作为重要的微合金化元素钒将有机会得以进一步发展，特别是在中国建筑用钢、管线钢、含钒重轨钢、汽车用结构钢以及非调质钢等更具潜力。二是钢铁材料仍将是占主导地位的结构材料，在发展中国家，钢铁产品产量仍处于上升势头。三是钒对于钢的强化作用的研究还在不断深入，例如，据英国的MB研究报道，由BillStas