中國釩工業(yè)的發(fā)展

在國際釩技術會議上的報告PAGEPAGE4中國釩工業(yè)的發(fā)展周家琮攀鋼（集團）公司1.中國釩工業(yè)概述中國是世界上主要的產(chǎn)釩大國。目前全球釩渣、氧化釩、釩鐵的主要產(chǎn)地是南非、中國、俄羅斯、美國、澳大利亞、新西蘭和日本等七國。1999年世界釩產(chǎn)量如圖1所示。從80年代以來，南非、俄羅斯和中國一直是三個最大的產(chǎn)釩國，隨著澳大利亞Windimurra釩項目的達產(chǎn)，可能會占據(jù)世界釩產(chǎn)量9%的份額，也將成為主要的產(chǎn)釩國之一。除美國和日本從石油殘渣和電廠飛灰中提取釩外，其他各國都是從礦石冶煉過程中提取釩。說明:圖中數(shù)據(jù)（除中國外）主要參考美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)公布的統(tǒng)計資料，未包括澳大利亞WindimuraV2O5（99年底投產(chǎn)）生產(chǎn)情況。攀鋼是中國最大的釩生產(chǎn)商，按V2O5產(chǎn)量計算，攀鋼生產(chǎn)的釩原料占全國的74%左右，占世界18%左右，圖2是中國釩原料生產(chǎn)情況。承德鋼鐵公司是中國另一個主要釩生產(chǎn)商，近年來其生產(chǎn)規(guī)模也在不斷擴大。中國釩工業(yè)的崛起主要得益于攀枝花釩鈦磁鐵礦的開發(fā)利用。隨著1972攀鋼霧化提釩投產(chǎn)，中國釩從無到有，從1980年開始由一個釩的進口國，變成釩的出口大國。目前攀鋼釩產(chǎn)品的年銷售收入達到4.07億元，出口創(chuàng)匯達3200萬美元/年（1998年達到6500萬美元），成為攀鋼僅次于鋼鐵的第二支柱產(chǎn)業(yè)。本文將以攀枝花釩的開發(fā)利用為重點，報告中國釩工業(yè)的發(fā)展歷程。圖2.中國釩原料生產(chǎn)情況從世界來看，釩在鋼鐵工業(yè)中的消費量占其總量的85%，其余應用于含釩的鈦合金和化學工業(yè)。在鋼鐵工業(yè)中，釩的消費分布如圖3所示，高強度低合金鋼（包括輸氣油管線鋼在內(nèi)）占55%左右，特殊鋼（包括工具鋼在內(nèi)）占45%左右。國內(nèi)每年消費各種釩原料約2860噸（按金屬釩計）。其中，90%用于鋼鐵工業(yè)，其余10%用于催化劑、鈦釩合金、顏料等領域。在鋼鐵工業(yè)中有1500噸左右用于特殊鋼冶煉，1100噸左右用于普通鋼鐵廠中冶煉高強低合金鋼。近年來，建筑含釩鋼筋用釩明顯上升。除攀鋼使用FeV80外，其他中國鋼鐵廠都以FeV50或其它形式使用釩。國際上通常用釩消耗強度表示鋼鐵業(yè)釩的應用水平。釩消耗強度按每生產(chǎn)1000噸鋼所消耗釩的公斤數(shù)表示。從80年代以來，世界釩消耗強度已從30kg/1000t升至1998年的50kg/1000t，增加了67%。今后，隨著對強度高、重量輕的鋼材需求的增加，釩消耗強度還會進一步增加。而中國目前釩消耗強度僅為20~25kg/1000t，其差距是顯而易見的。潛力也是巨大的?？梢姡袊C的生產(chǎn)已處于世界前列，但釩的應用范圍、規(guī)模和水平卻并不先進，與產(chǎn)釩大國的地位很不相稱。擴大低合金鋼的應用是鋼鐵產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級、體現(xiàn)鋼鐵工業(yè)技術水平的重要標志。因此，大力推廣包括含釩鋼在內(nèi)的低合金鋼、調(diào)整鋼鐵產(chǎn)2.4釩的提取及加工技術的研究和開發(fā)在多年的技術開發(fā)和生產(chǎn)實踐中，攀鋼及中國的其他企業(yè)及研究部門對釩渣、釩氧化物以及釩鐵的提取制造工藝技術進行了研究和開發(fā)，主要成果有：經(jīng)過多年的不懈努力，攀鋼在釩的提取和產(chǎn)品開發(fā)上取得了數(shù)十個研究成果，形成了完全適合攀枝花資源特色的釩提取和深加工系列技術，品種不斷增加，收率逐年提高，成本持續(xù)下降。特別是在轉(zhuǎn)爐提釩、V2O3生產(chǎn)、以及VN的生產(chǎn)工藝技術開發(fā)上，已取得了創(chuàng)造性的顯著成就。1991年攀鋼在實驗室里用多釩酸銨為原料研制了碳化釩，同時還用高釩鐵為原料制得了氮化釩鐵。1997年，攀鋼又和東北大學進行合作用三氧化二釩為原料研制氮化釩，結(jié)果在常壓下使V2O3+4C=V2C+3CO碳化反應時間從40~60小時縮短為5小時以內(nèi)，并且還有進一步縮短碳化時間的潛力。產(chǎn)品達到國際同類產(chǎn)品技術標準。現(xiàn)在，在生產(chǎn)工藝上已取到了關鍵性突破，批量工業(yè)應用取得良好效果，正在建設150t/a規(guī)模的工業(yè)試生產(chǎn)線。中國含釩鋼的應用3.1應用概況隨著中國鋼鐵工業(yè)的技術進步和釩產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國含釩鋼的應用得到了穩(wěn)步的增長，圖8是我國90年代以來含釩低合金鋼和微合金鋼的產(chǎn)量。其平均年增長率為10%左右。近年來中國含釩鋼產(chǎn)量不斷提高，品種不斷增加，特別是在建筑用鋼、管線鋼、重軌鋼和汽車及火車結(jié)構(gòu)用鋼等方面，發(fā)展十分迅速。96-98年各種含釩低合金鋼的的平均年產(chǎn)量分布見圖9。它們主要由攀鋼、首鋼、鞍鋼、寶鋼、重鋼等生產(chǎn)，目前，產(chǎn)量在萬噸以上的企業(yè)達到12家。隨著含釩鋼筋的推廣，承鋼、八鋼、水鋼、萊鋼等一批中型企業(yè)在今明二年將成為含釩鋼生產(chǎn)大戶。攀鋼憑借釩的資源優(yōu)勢和應用技術優(yōu)勢，經(jīng)過十多年的不斷努力，先后開發(fā)了數(shù)十個含釩鋼品種，其含釩低合金鋼和微合金鋼的產(chǎn)量占到了全國同類鋼總產(chǎn)量的50%以上。圖10是攀鋼歷年來含釩低合金鋼的產(chǎn)量。94和95年，國內(nèi)鋪設鐵路較多，含釩鋼軌用量較大。94和95年，國內(nèi)鋪設鐵路較多，含釩鋼軌用量較大。3.2含釩鋼的特點及應用在鋼中加入釩，可顯著改善鋼的性能。實踐表明，在結(jié)構(gòu)鋼中加入0.1%的釩，可提高強度10～20%，減輕結(jié)構(gòu)重量15～25%，降低成本8～10%。若采用含釩高強度鋼時，可減輕金屬結(jié)構(gòu)重量40～50%，比普通結(jié)構(gòu)鋼的成本低15～30%。研究表明：釩加入鋼中，除固溶強化作用不顯著外，在以下幾方面顯著改善鋼的性能。①V(CN)在奧氏體重點溶度積高，釩在低、中、高碳鋼中都具有較強的沉淀強化作用。②釩加入到鋼中通過阻止加熱時奧氏體晶粒的長大、抑制形變奧氏體再結(jié)晶、強化γ→α相變細化晶粒作用等途徑，達到細化鋼的晶粒的作用。③釩對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變具有明顯影響，研究表明，與大多數(shù)合金元素不同，釩不延遲鐵素體轉(zhuǎn)變而推遲貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變。同時，釩提高鋼的淬透性的作用，是同樣含量的鉬對淬透性貢獻的二倍。釩在焊接高強鋼中，促進熱影響區(qū)中鐵素體的形成，從而提高焊件的韌性。在中、高碳鋼中采用釩微合金化，將明顯推遲珠光體轉(zhuǎn)變，在同樣冷卻速度條件下可獲得更細的珠光體，即提高了索氏體化的程度，如在硬線產(chǎn)品中，釩微合金化不但提高了產(chǎn)品的強度和韌性，而且有可能部分或全部取消鉛浴處理。在鋼軌產(chǎn)品中，為提高其使用壽命，發(fā)展了欠速淬火工藝，即SQ（SlackQuenching）工藝。試驗表明，在硬度相同的情況下，珠光體比回火馬氏體和貝氏體更耐磨，并且珠光體的片層間距越小，其耐磨性能越好。在鋼軌中加入適量的釩，其轉(zhuǎn)變曲線右移，使其在實施SQ工藝時，更易于實現(xiàn)組織的索氏體化。釩作為合金和微合金添加劑，在鋼中具有許多良好的作用。以上介紹的主要是在微合金鋼或微合金化時釩的作用。除此之外，釩在不同類型、不同用途的鋼種中，還具有許多不同的特殊的作用。如：在熱處理鋼中增加抗回火的能力；在高速鋼中提高紅硬性的作用；在熱強鋼中將改善抗蠕變性能；在耐蝕鋼中改善抗腐蝕性能的作用，以及抑制應變時效的作用等。3.2.1釩在高碳鋼中的應用在高碳鋼中采用釩微合金化，主要用于鋼軌、軸承鋼、工具鋼、模具鋼等的生產(chǎn)，目前攀鋼采用釩微合金化生產(chǎn)的鋼種主要為鐵路鋼軌。重軌鋼屬于珠光體型鋼。珠光體的片間距、珠光體團的大小控制了鋼軌強度和韌、塑性。抗拉強度和屈服強度隨片間距的減小而增加，韌性則與珠光體團的大小及滲碳體厚度有關，微量釩在重軌鋼中的作用研究結(jié)果表明，釩可以細化奧氏體晶粒、細化珠光體組織并改變其組織形態(tài)，產(chǎn)生沉淀強化作用，提高重軌的強度和使用壽命。攀鋼生產(chǎn)的含釩鋼軌有：釩微合金化的熱軋鋼軌、離線含釩熱處理鋼軌和在線含釩熱處理鋼軌。PD3含釩重軌是攀鋼自己開發(fā)的新一代微合金鋼軌，其強度σb高達980Mpa，比通常的U71Mn的使用壽命提高50%以上；PD3鋼軌經(jīng)全長淬火處理后HRC33.5～42.5的硬化層深度≥15mm，σb高達1275Mpa，δ5≥10%。經(jīng)多年的鐵路運營實踐檢驗，該鋼軌在線路運營過程中，可減輕剝離掉塊、波浪磨耗、早期磨耗到限等缺陷；雖然省略了軌端淬火但沒有軌端壓潰現(xiàn)象，并具有良好的焊接性能。其綜合性能達到了國際先進水平，線路使用的耐磨性能比U71Mn提高3倍。圖11是攀鋼歷年來含釩鋼軌PD3的產(chǎn)量及其在國內(nèi)鋼軌市場中的比例。在高速工具鋼中，釩是不可缺少的合金元素，如W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，我國工具鋼年產(chǎn)量在4000噸左右。不管是冷作模具鋼還是熱作模具鋼，絕大部分都含釩，如Cr6WV、Cr4W2MoV等。平均含釩量為0.47-0.68%。鋼中加入釩，不僅可以細化晶粒、改善韌性，提高硬度、熱硬性、耐磨性、而且減少了開裂傾向性。釩在軸承鋼中也有應用。六十年代末，中國研制了MnV系軸承鋼，如GSiMnV、GSiMnMoV、GSiMnVRe、GSiMnMoVRe、GMnMoV、GMnMoVRe等，目前已被大量使用。錳釩系軸承鋼的使用壽命和疲勞強度都比GCr15高，并且達到了瑞典SKF名牌滾珠鋼的水平。3.2.2釩在中碳鋼中的應用在提高強度的同時，使鋼材具有較高的韌性。釩在中碳鋼中得到了廣泛的應用，如含釩非調(diào)質(zhì)鋼、中碳彈簧鋼、含釩容器用鋼等。含釩非調(diào)質(zhì)鋼近十年來，中國非調(diào)質(zhì)鋼的開發(fā)與應用有了長足的進步。含釩非調(diào)質(zhì)鋼的研究和開發(fā)也十分活躍。在汽車行業(yè)，二汽用F35MnVN代替40MnB調(diào)質(zhì)鋼用作EQ6100發(fā)動機的連桿，用48MnV鋼代替40Cr用作康明斯發(fā)動機曲軸，用12Mn2VB貝氏體鋼用于制作汽車前軸，效果良好。南汽將F35MnVN鋼應用于要求較高，難度較大的萬向節(jié)叉、套管叉。一汽還與鞍鋼合作，研制出非調(diào)質(zhì)鋼38MnVTi，代替40Cr或40MnB制造汽車半軸等零件。非調(diào)質(zhì)無縫鋼管的試制也十分活躍。如：成都無縫鋼管廠開發(fā)了在厚壁載重汽車扭力軸用管及薄壁N80石油套管上應用的含釩非調(diào)質(zhì)鋼。南汽試制了中碳微合金非調(diào)質(zhì)無縫鋼管，形成多種強度，多種規(guī)格熱軋、冷軋系列產(chǎn)品。唐鋼研制出25MnSiV（Ti）高韌性、高塑性非調(diào)質(zhì)礦用支護鋼。其性能達到了德國32Mn3鋼調(diào)質(zhì)后的水平。用于代替20MnK制造29U可節(jié)約鋼材29％。含釩非調(diào)質(zhì)鋼的應用正在不斷擴大到機床、石油機械、民用槍械、塑料模具等領域。微合金化是非調(diào)質(zhì)鋼的技術核心。所采用的微合金元素包括V、Nb、Ti、B等，其中以V作為微合金化元素的占多數(shù)。在可統(tǒng)計到的各國非調(diào)質(zhì)鋼當中，可知化學成分的牌號有186個，其中含釩非調(diào)質(zhì)鋼為158個，占85%；含鈮的為9個，占5%；釩鈮復合合金化的14個，占7.5%。此外，攀鋼先后開發(fā)的如20MnVB齒輪鋼等優(yōu)鋼，因其良好的韌性，已廣泛應用于汽車行業(yè)。高壓氧氣瓶鋼：34Mn2V該產(chǎn)品用于沖壓高壓氣瓶，要求高強度且具有良好加工性能，加工過程不能產(chǎn)生裂紋，攀鋼采用釩合金化生產(chǎn)34Mn2V氧氣瓶鋼，年產(chǎn)1-2萬噸。彈簧鋼彈簧鋼55SiMnVB是針對原60Si2Mn彈簧鋼淬透性差和脫碳傾向大的缺點，而開發(fā)的，適當降低碳含量，加入少量的釩和微量硼以細化晶粒、提高強度、韌性和淬透性，從而使彈簧壽命提高約5-10倍。3.2.3釩在低碳鋼中的應用釩在鋼中以V4C3、VN形式存在，通常是細小顆粒，足以抑制鋼中晶界的移動和晶粒長大。氮化釩、碳化釩的析出對鋼起到了強化作用。釩在低碳鋼中的作用主要是細化晶粒、提高強度、降低脆性轉(zhuǎn)變溫度、顯著改善鋼的焊接性能。釩微合金化低合金高強度鋼已廣泛用于鐵路車輛的制造、高強度汽車結(jié)構(gòu)件、油氣輸送管線、含釩建筑用鋼等。鐵路車輛用鋼我國鐵路車輛制造中，也已廣泛應用含釩微合金鋼。制造鐵路車輛主梁，均采用攀鋼生產(chǎn)的09V鋼，其機械性能：σs≥294Mpa，σb≥441Mpa，ak(常溫)≥58.8J/cm2，ak(-40℃)≥35J/cm2，并具有良好的焊接性能。從1992年至1998年共生產(chǎn)09V鋼43萬噸。含釩汽車用高強度熱軋鋼板高強度熱軋鋼板在中型和輕型載重汽車上應用較多，主要用于制作汽車底盤和車廂的各種梁類部件、保險杠、發(fā)動機的懸置梁、車輪的輪輻和輪輞等。要求具有良好的強韌性、成型性及焊接性能。攀鋼采用釩微合金化，陸續(xù)開發(fā)并形成抗拉強度從370Mpa至510Mpa的系列汽車梁用鋼板，該系列汽車梁用鋼板進一步提高了成型性，降低了韌脆轉(zhuǎn)變溫度，提高了使用的安全性。該系列產(chǎn)品自1994年投放市場以來，以其良好的成型性能及同板強度均勻性等優(yōu)點深得用戶的青睞，到目前為止已累計生產(chǎn)11萬噸，見圖12。含釩管線鋼為適應世界范圍能源開發(fā)和運輸工業(yè)日益增長的需要，輸送管線應用的范圍在不斷地擴大；輸送管線的數(shù)量在不斷地增加；輸送管線的壓力在不斷地提高，并且在油、氣輸送管線中，輸氣管線的用量在迅速增加，對管線鋼性能的要求也在不斷地提高。攀鋼于1993年開始管線鋼的工業(yè)試制，現(xiàn)在開發(fā)出X42～X60，并已開始X65、X70的試制。攀鋼的管線鋼以釩微合金化為主，并輔以其他多元合金化，具有良好的強韌性和焊接性能。到目前為止已生產(chǎn)15萬噸，深受用戶歡迎，見圖13。建筑用鋼特別值得指出的是在建筑鋼筋中的應用。發(fā)達國家普遍采用400Mpa以上的高強鋼筋，而中國目前仍基本使用低強度級別的20MnSiⅡ級鋼筋。釩合金化是生產(chǎn)高強鋼筋的優(yōu)秀方法。攀鋼和國內(nèi)許多廠家生產(chǎn)的含釩鋼筋成功地用于小浪底工程、大亞灣核電站以及全國許多城市的高層建筑等建設工程中。含釩鋼筋成本低、強度高、有良好的抗應變時效性、良好的焊接性能，較高的高應變低周疲勞性能。中國國家建設部會同冶金局為推廣含釩鋼筋做了大量的工作，以今年首鋼會議為標志，中國每年使用的二千萬噸建筑鋼筋中將越來越多地應用含釩鋼筋，中國含釩鋼的應用前景非常廣闊。含釩造船用鋼板攀鋼自主研制開發(fā)的釩微合金化高強度造船用鋼板（AH36），因其具有良好的韌塑性及低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，近日已通過英國勞氏船級社的認證，獲取攀鋼船板生產(chǎn)的國際通行證。綜上所述，釩微合金化鋼在攀鋼有著廣闊的應用前景，攀鋼還將進一步開發(fā)和生產(chǎn)市場需求的釩微合金化鋼，為促進釩工業(yè)的發(fā)展做出貢獻。3.3攀鋼在含釩鋼方面的研究與開發(fā)攀鋼在含釩的新品種開發(fā)、鋼鐵材料中釩的作用機制研究等方面，開展了大量的工作。七十年代末，攀鋼的低合金鋼比不到1％，經(jīng)過二十年的努力，已開發(fā)并轉(zhuǎn)產(chǎn)低合金鋼品種達50多個（其中微合金鋼19個）。1999年，攀鋼產(chǎn)鋼330萬噸，其中低合金鋼（包括微合金鋼）122萬噸，低合金鋼比已達到40％左右，并已開發(fā)出了一系列釩微合金化高、中碳鋼和含釩低碳微合金鋼。在開發(fā)和試制含釩低合金及微合金鋼的同時，攀鋼還進行了大量的含釩鋼機械性能和使用性能的基礎研究，完成了“攀鋼鋼軌在線熱處理工藝基礎研究”、“攀鋼鋼軌中殘釩對性能的影響”、“釩和VN合金在非調(diào)質(zhì)鋼中的應用”，同時，在國際釩技術委員會的支持下，開展了“釩在1100Mpa級重軌鋼中的應用”、“釩對鋼的焊接性能的影響”、“釩在彈簧鋼中的應用研究”等課題的研究。通過這些課題的研究，弄清了釩提高鋼的機械性能、應用性能的作用機理和規(guī)律，明確了在不同鋼種中最佳應用釩進行強化的途徑。使攀鋼形成了成熟的釩微合金化、熱處理強化及復合強化生產(chǎn)重軌、管線鋼、車梁結(jié)構(gòu)用鋼等的專有技術。含釩鋼的研究、開發(fā)和應用已成為攀鋼鋼鐵技術創(chuàng)新的重要領域。4釩在非鋼鐵領域的應用中國釩在非鋼鐵領域的應用規(guī)模不大。從消費總量來看，以金屬釩計，年消費量不足300噸，僅占總消費量的10%左右，是一個需要開發(fā)的潛在市場?；厩闆r如下。1）釩催化劑：一些化工企業(yè)自行生產(chǎn)的各種釩催化劑，如偏釩酸鈉、偏釩酸銨、釩酸銨鈉、三氯化釩等，V2O5的消耗量在400噸/年左右。2）含釩有色合金及金屬釩：釩鈦等合金用于生產(chǎn)航空合金材料（Ti6Al4V錠、棒材和板材）系列產(chǎn)品，每年消耗的釩在50噸左右。3)全釩氧化還原電池的開發(fā)：近年來，國內(nèi)一些單位對釩電池開發(fā)做了一些實驗室研究工作，但離產(chǎn)業(yè)化應用還有很大的距離。4)釩顏料：開發(fā)出了釩酸鉍黃顏料、釩鉬酸鉍黃顏料，目前處于實驗應用階段，該顏料具有純凈色調(diào)、高遮蓋力和耐候耐熱性，用于配制不含毒性的黃汽車漆或作為戶外建筑涂料，其應用前景較大。5)釩氧化物的開發(fā):高純度五氧化二釩每年國內(nèi)需要量估計在100噸左右。用于節(jié)能、環(huán)保及軍事目的的四氧化二釩薄膜已經(jīng)在實驗室制出了樣品，尚待應用方面的進一步開發(fā)。攀鋼一直關注釩在非鋼鐵領域的應用，并參與著釩電池、氧化釩功能薄膜，以及釩在航空合金中的開發(fā)應用。并在釩電池和釩鋁合金及釩的氧化物膜等方面開展了研究和試驗工作。釩的市場及展望釩市場的歷史與現(xiàn)狀：世界釩的消費從1991年的20400噸/年增加到1997年的38000噸/年和1998年的36000噸，表明了良好的需求發(fā)展。主要的需求來自鋼鐵產(chǎn)量增加和鋼鐵技術進步導致的對高強度低合金鋼的需求增加。圖14清楚地反映了這一事實，釩消費總量的增加與世界鋼產(chǎn)量和釩在鋼中的消耗強度相一致。從近期來看，雖然得益于石油、天然氣管道輸送需求增多，促進了管線鋼的大幅度增長，釩的需求有所增加，但由于釩生產(chǎn)的能力相對較大，并不斷有Windimurra等新項目投產(chǎn)，因此，釩的供應總體過剩，釩的價格目前仍在低位盤整，處于又一個歷史低谷期。圖15是歷年來世界V2O5的價格變化，圖16是近幾年釩鐵的價格走勢。釩市場的展望與建議：由于下面的幾個原因，將決定將來釩的市場有較好的發(fā)展。一是其他材料特別是塑料、鋁塑復合材料、陶瓷材料對鋼鐵材料的功能替代的作用，將促使鋼鐵行業(yè)不得不考慮，鋼材發(fā)展走向高強化、輕量化，因此作為重要的微合金化元素釩將有機會得以進一步發(fā)展，特別是在中國建筑用鋼、管線鋼、含釩重軌鋼、汽車用結(jié)構(gòu)鋼以及非調(diào)質(zhì)鋼等更具潛力。二是鋼鐵材料仍將是占主導地位的結(jié)構(gòu)材料，在發(fā)展中國家，鋼鐵產(chǎn)品產(chǎn)量仍處于上升勢頭。三是釩對于鋼的強化作用的研究還在不斷深入，例如，據(jù)英國的MB研究報道，由BillStas