鉬在合金鋼冶煉中的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景

孫 銘

（江蘇沙鋼淮鋼特鋼股份有限公司，江蘇 淮安 223002）

1778年，瑞典化學(xué)家發(fā)現(xiàn)了鉬這一化學(xué)元素，鉬是一種過渡性化學(xué)元素，金屬表面呈銀白色，它的硬度非常大，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方，它的熔點(diǎn)是2622攝氏度，屬于難以融化的金屬。在地球上，鉬的分布量比較少，集中分布于中國、美國、俄羅斯等國家，其中中國的鉬資源含量位于世界第二名。在煉鋼的過程中加入鉬，能夠有效提高鋼的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)能夠滿足機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)所用的材料需求。在國內(nèi)外學(xué)者不斷對(duì)材料進(jìn)行研究的背景下，鉬合金在抗腐蝕、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐磨等方面突出特點(diǎn)被人們所熟知，因此鉬被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械制造等領(lǐng)域。據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，40%的鉬資源運(yùn)用冶金生產(chǎn)，在鐵水中加入適量的鉬金屬，起到的作用未細(xì)化鐵晶粒，起到提升鋼鐵的耐酸性和耐高溫性能。因此研究鉬在合金鋼冶煉中的應(yīng)用是非常有必要的。

1 鉬在合金鋼冶煉中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 含鉬不銹鋼

不管是鉬鐵還是工業(yè)氧化鉬，其作為煉鋼添加劑生產(chǎn)的下游產(chǎn)品主要是合金鋼，合金鋼中又以不銹鋼為主。含鉬不銹鋼主要運(yùn)用于石油化工、航空航天、海洋工業(yè)等腐蝕性比較強(qiáng)的環(huán)境。鉬是不銹鋼中主要的合金元素之一，經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，鉬元素能夠提高不銹鋼的硬度和耐腐蝕性。國外專家研究了鉬在不銹鋼中耐腐蝕性能的作用，還有專家在同一侵蝕性溶液中，分析不同類型的不銹鋼的腐蝕程度。他們都分析了鉬在不銹鋼中的作用，并且提出了鉬元素在合金冶煉過程的配比。由于在合金鋼冶煉的過程中加入了鉬元素，使得合金穩(wěn)定凹坑的增長(zhǎng)變得更加困難，能夠明顯的改善合金鋼的耐腐蝕性能。在實(shí)驗(yàn)的過程中，有專家發(fā)現(xiàn)雙向不銹鋼表現(xiàn)出極強(qiáng)的抗腐蝕性，在合金鋼冶煉的過程中加入百分之三的鉬能夠有效提高所有類型不銹鋼的抗腐蝕性，包括對(duì)于奧氏體系列不銹鋼也是一樣的。

一些學(xué)者針對(duì)加入一定量鉬合金元素的304和316兩種奧氏體系列不銹鋼進(jìn)行抗腐蝕測(cè)試，所得的結(jié)果表明，鉬合金元素能夠分解部分腐蝕物質(zhì)，同時(shí)擴(kuò)大了試驗(yàn)溶液中鈍化范圍，鉬元素含量較低的不銹鋼與鉬元素含量較高的不銹鋼在腐蝕電流密度方面要低一個(gè)級(jí)別，而在試驗(yàn)溫度降低的情況下，腐蝕溶液對(duì)不銹鋼的腐蝕作用有所降低，實(shí)驗(yàn)證明，不銹鋼中的鉬含量越高，不銹鋼的耐腐蝕性更強(qiáng)的結(jié)論。

鉬對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性能主要包括耐點(diǎn)腐蝕性和抗縫隙腐蝕性。還有鉬合金元素可以提升不銹鋼的耐腐蝕性，316、317為兩種具有代表性的含鉬奧氏體系列不銹鋼。

1.2 含鉬低合金鋼

鉬元素的添加可以使不銹鋼產(chǎn)生穩(wěn)定碳化物，累積形成的MC型碳化物，起到增強(qiáng)不銹鋼韌性的效果，鉬元素是一種可以激發(fā)鐵素體相變的物質(zhì)。添加鉬元素的低合金鋼因其良好的抗腐蝕特性和高力學(xué)性能，在地下管道施工、大型工程項(xiàng)目施工中得到了廣泛應(yīng)用。

國內(nèi)專家對(duì)于鉬在管線鋼中的作用機(jī)制進(jìn)行研究，得出隨著鉬含量的增加，鋼中針狀鐵素的數(shù)量也在不斷的增加，并且鋼的強(qiáng)度和硬度也在不斷的增加。這主要是因?yàn)殂f能夠有效增加鋼中碳化物的形核位置，能夠有效降低碳化物的尺寸，使得含鉬低合金鋼有比較高的強(qiáng)度和硬度。含Nb管線鋼在大線能量焊接的過程中，由于焊接線的工程量比較大，管線鋼的強(qiáng)度韌性下降比較嚴(yán)重，因此在合金鋼冶煉的過程中，需要加入一定的鉬合金元素，在焊接線工程的過程中，能夠生成有效抑制先共析鐵素體，在一定程度下，促進(jìn)了貝氏體的轉(zhuǎn)變，有效提高合金鋼的硬度和韌性，有效改善管線焊接組織。除此之外，鉬合金元素還能夠增加Nb在奧氏體中的溶度積，使得Nb能夠穩(wěn)定于固溶體中，能夠有效抑制碳化物的形成。

國內(nèi)外專家對(duì)鉬對(duì)HSLA鋼組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律展開了研究，也獲得了一樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，隨著鉬含量的不斷增加，能夠有效降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度自己粗晶熱影響區(qū)和臨界熱影響區(qū)裂紋尖端張開位移減少。當(dāng)合金鋼中鉬含量達(dá)到百分之三十的時(shí)候，合金鋼的強(qiáng)度和韌性都能夠得到有效的提高。專家通過對(duì)比不同合金鋼元素的強(qiáng)化效果，得出Nb-Mo合金元素的鋼沉淀強(qiáng)化效果最好。

1.3 含鉬工模具鋼

制作工磨具鋼的過程中，所添加的元素中鉬占比較大。經(jīng)過加工的磨具，可應(yīng)用在動(dòng)力設(shè)備、農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備等行業(yè)，例如常見的熱作模具鋼有H11、H21等。其中H13是主要生產(chǎn)應(yīng)用的鋼種。在使用熱作模具的過程中，承載著比較大的壓力，模具溫度可能會(huì)超出了其回火溫度，在冷卻的過程中，鉬合金元素能夠有效提升合金鋼的抗壓、抗熱性能。

國外專家研究了含鉬工模具鋼的高溫抗氧化性能，得出在高溫空氣中，含鉬工模具鋼的安全使用溫度可以達(dá)到750℃，而在二氧化碳高溫環(huán)境中，含鉬工模具鋼的安全使用溫度也低于500℃。部分學(xué)者通過研究得出添加鉬元素的磨具鋼在冶煉過程中可以析出一部分碳化物，所得到的磨具鋼與H13鋼相比其耐熱性能更加優(yōu)良。另外有一部分人提出了Ti對(duì)鉻鉬釩模具的性能及內(nèi)部組織有一定的影響作用，未添加Ti模具鋼馬氏體組織要比添加Ti模具鋼馬氏體組織更加粗糙，晶粒尺寸超過了22μm?，F(xiàn)階段，我們使用量較大的模具鋼為H13，應(yīng)該我國合金鋼冶煉企業(yè)應(yīng)該不斷優(yōu)化各合金元素的配置比，提高國家H13熱作模具鋼的質(zhì)量和水平，才能夠更好的應(yīng)用于我國社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域。

1.4 其他含鉬合金鋼

在抗氫鋼和熱強(qiáng)鋼中，Cr-Mo類、Cr-Mo-V類鋼具有良好的抗熱性能和抗氫性能，有比較高耐熱性和韌性。該類含鉬合金鋼主要應(yīng)用于火電行業(yè)的鍋爐和高溫高壓管道等領(lǐng)域。隨著煤液化等新工藝的出現(xiàn)，對(duì)合金鋼的質(zhì)量提出了更高的要求。在合金結(jié)構(gòu)鋼中，鉬合金元素能夠有效增加鋼的回火穩(wěn)定性，在生產(chǎn)大截面鋼材的過程中，鉬可以有效增加鋼的淬透性。42CrMo鋼是合金結(jié)構(gòu)剛中運(yùn)用比較廣泛的鋼種，有比較好的熱穩(wěn)定性和強(qiáng)度，可以用于制造軸承和齒輪。還有在高速鋼和耐熱鋼中，鉬也是常見的合金元素，在合金冶煉的過程中，添加鉬合金元素，能夠提高合金鋼的硬度和韌性，比如M2鋼中鉬的含量是百分之六，是最具有代表性的高速鋼，應(yīng)用于生產(chǎn)車刀、鉆頭等高速切削工具。由于鉬能夠有效改善合金鋼的耐熱性，因此幾乎所有的耐熱剛中都包含了一定含量的鉬合金元素，比如1.25Cr-0.5Mo鋼就具有比較好的耐高溫性能和抗腐蝕性能，因此其廣泛應(yīng)用于化石燃料發(fā)電、石油化工行業(yè)等。

2 鉬在合金鋼冶煉中的發(fā)展前景

據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，在2018中國的鋼鐵產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到9.28億噸，占世界鋼鐵產(chǎn)量的比例超出百分之五十，中國鋼鐵的產(chǎn)量還在逐年增加，這表明我國鋼鐵工業(yè)在未來還有著很大的發(fā)展前景。另一項(xiàng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，超出百分之八十的鉬資源都被應(yīng)用做鋼鐵工業(yè)的合金冶煉中，中國鉬消耗量占世界鉬總消耗量的百分之四十，與鋼鐵產(chǎn)出量比例相比，這一比例偏低。除此之外，中國碳鋼產(chǎn)量占全球產(chǎn)量比例百分之五十二、中國不銹鋼產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的百分之五十三，但是我國在合金鋼和不銹鋼領(lǐng)域，鉬的消耗量?jī)H僅占了全球的百分之三十，目前我國不銹鋼的鉬單位平均消耗量為每噸1.1kg，國外不銹鋼的鉬單位平均消耗量為每噸2.9kg，很明顯，我國的鉬合金元素利用率遠(yuǎn)高于國外平均值，但是與工業(yè)化發(fā)達(dá)的國家相比，還是有一定的差距，比如德國、日本、美國。

在未來，隨著石油化工、汽車行業(yè)、航天航空、化石燃料等行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外對(duì)于合金鋼的需求量會(huì)持續(xù)增加，而在合金鋼冶煉的過程中加入鉬合金元素，能夠有效提高合金鋼的硬度、剛度、耐熱性、耐腐蝕性以及耐磨性等。以上優(yōu)良特性決定了鉬在合金冶煉中所起到的重要作用。與此同時(shí)，我國是鋼鐵產(chǎn)能和擁有鉬資源的第二大國，因此我國應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)鉬在合金鋼中作用機(jī)制研究的力度，為鉬在合金鋼中作用機(jī)制研究提供資金、技術(shù)以及人才的支持，不斷提高鉬在合金鋼中的技術(shù)水平、同時(shí)還要提高鉬資源的保護(hù)力度、利用一切可以利用資源來推廣氧化鉬直接合金化工藝，解決鉬生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的高污染和高耗能的問題，發(fā)展高品質(zhì)的鉬合金鋼是未來發(fā)展的重要趨勢(shì)。

3 結(jié)語

綜上所述，鉬資源主要運(yùn)用于鋼鐵行業(yè)，鉬鐵是主要的煉鋼產(chǎn)品，但是鉬鐵的價(jià)格比較高昂，在一定程度上增加了合金鋼冶煉的成本，而且由于傳統(tǒng)鉬鐵生產(chǎn)工藝的原因，在合金鋼冶煉的過程中，能源消耗比較高，而且還產(chǎn)生了大量的硫氣體，給冶煉廠周圍的空氣和環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。在國內(nèi)外專家的不斷研究下，有人提出了工業(yè)氧化鉬合金化工藝，這省去了鉬鐵生產(chǎn)的過程，能夠有效降低合金鋼冶煉的成本，工藝比較簡(jiǎn)單，在合金鋼冶煉的過程中，加入一些堿金屬，能夠有效解決氧化鉬揮發(fā)的問題，降低環(huán)境污染。最后鉬能夠有效改善合金鋼的硬度、剛度、耐熱性、耐腐蝕性等，廣泛應(yīng)用于不銹鋼、低合金鋼、工模據(jù)鋼、抗氫鋼、熱強(qiáng)鋼、高速鋼、耐熱鋼中，這就決定鉬在合金鋼冶煉過程中有非常廣闊的前景。