钒及钒产品情况介绍.pdf

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1、钒及钒产品情况介绍 1.钒的应用 1.1 冶金行业 （1）钒钛铸铁钢锭模。钒钛元素在铸铁中具有强化作用，钒钛 铸铁具有良好的高温强度、 抗氧化性和耐热疲劳性。 钒钛铸铁钢锭模 比不含钒钛铸铁钢锭模的使用寿命提高24 倍，钒钛铸铁是制造钢锭 模的理想材料。 （2）铸铁轧辊。钒在铸铁轧辊中的作用在于增加激冷层的厚度 和轧辊表面的硬度，提高轧辊的表面质量。 含有碳化钒粒子的硬表面， 使轧辊在热轧热循环时，不易产生表面裂纹。此外，钒能细化铸铁中 的石墨，从而增加铸铁的强韧性， 使铸铁轧辊在轧钢时耐冲击能力提 高。 （3）铸钢轧辊。钒能细化铸钢轧辊的晶粒，从而提高轧辊的韧 性，使铸钢轧辊在轧钢时耐冲击能

2、力提高。 （4）耐磨件。耐磨件的耐磨性很大程度上有赖于钢中碳化物的 类型、颗粒度、数量及分布。在碳化物形成元素中， 含 CrWMoV 钢的抗磨损能力之比为2：5：10：40。所以添加钒的耐磨件使用寿 命明显提高。 1.2 工、模具行业 高碳钢中的钒与其它合金元素如Cr、W、Mo 等,在铸造过程中 形成硬质初始碳化物， 这些碳化物在高温下较稳定，在随后的锻造和 热处理时，大部分保持不溶， 它们是冷成形模和工具耐磨性和切割性 的基础。除了初始碳化物之外，一些钒还处于固溶状态，有助于提高 工、模具的淬透性和强韧性；钒以细小的二次碳化物析出，可以进一 步提高耐磨性。 通过调整化学成分和热处理工艺，可以

3、得到性能广泛 的产品。 （1）高速钢。作为切削工具的高速钢需要红硬性，即刀刃在 600以上还能保持锋利。高速钢铸造时形成的碳化钒以及热处理时 析出的二次碳化物颗粒满足这种需要。 （2）热作模具钢。热作模具在使用过程中要受到高温、高压、 高冲击载荷的作用，要求热作模具钢具有高的强韧性、 高的热稳定性、 比较高的高温强度、耐热疲劳性以及高的耐磨性。 为了满足这些要求， 要求模具表面具有高硬度而心部高韧性的特点，热作模具钢中的钒可 以提高钢的淬透性， 从而改善钢的韧性， 而表面的碳化物可以保证其 耐磨性。 （3）冷作模具钢。冷作模具在工作时，由于被加工材料的变形 抗力比较大， 模具的工作部分受到强烈

4、的磨擦和挤压，所以冷作模具 钢应有高的硬度、强度和耐磨性。高钒钢能满足这种要求，但在铸造 条件下，得到粗大的碳化物，锻造时容易开裂，所以高钒钢常用粉末 冶金方法生产。 （4）一般工具钢。碳素工具钢中添加钒时，热处理时析出的细 小碳化钒能增加工具的硬度，提高切削效率，延长工具使用寿命。钒 还可以细化晶粒，改善韧性，减少过热倾向。 1.3 热成形压力容器等 化工厂的一些压力容器是用钢板热成形加工而成的。其成形的过 程类似于正火处理， 钒钢在正火时会发生细化晶粒作用和沉淀强化作 用，使得热成形后，钢板的性能基本保持不变。 1.4 建筑行业 钒是建筑用钢中使用最广泛的强化元素，它不仅可以在轧态产生 强

5、化作用，热处理态（正火或调质）强化作用仍然存在。它是钢筋中 最有效的强化元素。 它还用于强化结构用型钢和无缝钢管，桥梁用钢 板，防火和抗震钢及耐候钢。 （1）钢筋。钒、氮微合金化是生产低碳高强度高焊接性能钢 筋的最有效方法。当钢中用钒氮微合金化时，可使钢中碳含量明显 降低，而钢筋的屈服强度可达500MPa ，并具有良好的焊接性能。国 内开发的钒微合金化级钢筋综合性能优良，具有五大优点：强度 高，屈服强度大于 400MPa ，抗拉强度大于 570MPa 。碳当量小于 0.50% ，焊接性能好，适应各种焊接方法。强屈比（抗拉强度与屈 服强度之比）大于1.25。极好的强、塑性配合，弯曲性能好。 具有

6、较高的高应变低周疲劳性能、 较低的应变时效敏感性和脆性转变 温度，抗震性能好。含钒钢筋已广泛应用于高层建筑大坝隧道和 桥梁等大型工程。 利用含钒钢筋不仅使工程质量提高，而且可节约钢 材 15左右。 （2）桥梁用钢板。桥梁用钢板属高强度焊接用钢，除要求较高 强度、较高韧性和良好焊接性外，还要求良好的断口、时效冲击及较 高疲劳性能。 含钒桥梁用钢板可以满足这些要求，且不仅可以轧态使 用（薄规格），还可以正火甚至调质态使用（厚规格） 。 （3）一般结构用钢。用于厂房、建筑、输电线塔等一般用途的 焊接金属结构，常用VN 微合金化，取代低碳结构钢使用，可以节 约金属减轻设备自重。这类钢除生产板材外，还生

7、产型、棒、线、 管等各类钢材。 （4）抗震用低屈强比钢板。这类钢板适合于高层建筑使用，除 要求高的强韧性外， 还要求较低的屈强比和良好焊接性能，要做到焊 前不需预热，焊后不需回火，以便现场施焊。低屈强比可使钢材具有 高的塑性变形功， 利于抗震。 这类钢是通过热处理得到铁素体和回火 索氏体组织来保证低屈强比，因钒在热处理状态仍能发挥强韧化作 用，这类钢中常添加钒。 （5）防火钢。这类钢除了具有其它焊接高强度钢的优点外，还 具有较好耐火性能，适于抗火灾使用。钒作为提高回火稳定性的元素， 常用于些类钢。 （6）耐候钢。耐侯钢一般以Cu-P 系为基础。高强度焊接耐侯 钢因焊接性的要求， 钢中磷含量要限

8、制在0.04%以下，这类钢常用钒 来强化。 1.5 能源行业 （1）油气输送管线用钢。管线用钢除了要求高强度外，还要求高的 塑韧性、低的韧脆转变温度及良好的焊接性能，并特别要求具有优良 的抗氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂性能。最早的高强管线用钢为V N 钢，正火状态使用， V（CN）的析出细化晶粒并产生析出强化， 赋予钢板高的强韧性。 随着控轧控冷等工艺的广泛采用，管线钢向低 碳、超纯净方向发展，铌被广泛采用，但对于X60 以下的管线钢， V Ti（N）仍不失为一种极好的微合金化方法，优点表现为： 轧制负荷低，轧制容易； 不需要低温控轧，生产率高； 生产工艺波动对性能影响小； 足够的强韧性； 连

9、铸时不易产生表面裂纹。 即使对于铌控轧钢来说， 当强度要求高时或管线壁厚大时，仍需 采用钒来保证高强度。特别对于输气管线，为了防止硫化氢腐蚀，需 要较低的碳、锰含量，此时需要钒来弥补降碳、锰引起的强度损失。 （2）海上采油平台用钢 许多海上采油平台用钢是用钒作为强化元素的。深海石油平台则 采用超高强度含钒热处理钢板。 （3）管线的阀门和弯头 钒钢还适合于高强管线的阀门、弯头和连通管， 因为它们是用含 钒高强正火钢板锻造和焊接而成的，成形加热过程对它们的强度和性 能影响很小。 （4）储油罐 储油罐是用正火或调质钢板制成的，大部分添加钒来产生析出强 化。 1.6 汽车行业 汽车工业所要求的材料必须

10、可靠、工艺性好、耐疲劳且经济。此 外应具有高强度，以降低自重、降低油耗。 （1）汽车用大梁板 大梁板需要良好的成形性能，强、塑性需要很好的匹配。含钒大 梁板具有各向异性小，性能波动小，屈强比低的特点。因此冲压后零 件回弹小，冲压合格率高。 （2）非调质钢 钒是非调质钢的常用元素。含钒非调质钢在锻态就具有高强度， 不需要昂贵的热处理。广泛应用于曲轴、连杆、转向节等汽车零件。 还可以通过氮化和感应加热等表面淬火方法来硬化表面。 （3）弹簧钢 中碳硅锰弹簧钢中添加钒能明显改善弹簧的性能，从而可以缩小 弹簧的尺寸，有助于降低自重，降低能耗。 1.7 铁路行业 （1）重轨 在共析钢中， 钒可以使热轧后奥

11、氏体向珠光体的转变推迟，从而 细化珠光体片间距，并在珠光体、铁素体中析出，进一步强化。在过 共析钢中，钒能抑制晶界网状渗碳体的形成，从而改善韧性，得到过 共析珠光体钢。钢轨钢中添加钒可以使抗拉强度从700Mpa 左右提高 到 1200Mpa 以上，从而提高耐磨性。 经轧后在线或离线表面热处理， 耐磨性能进一步提高。 （2）铁路车辆主梁 利用钒的细晶强化和沉淀强化作用，可以降低碳含量， 从而提高 焊接性和韧性。 1.8 有色金属业 自八十年代末以来， 钒在非钢铁合金中的消耗逐渐减少。并不像 钢铁工业那样随经济状况的好转而有很强的复苏迹象。随着新技术的 不断进步，通常要求开发新的合金材料来满足对性

12、能不断提高的要 求。钒合金在应用中表现出许多重要的特性，仍然是一种很好的金属 材料。 含钒合金的主要使用部门是宇航和核工业。有色合金中钒的消耗 不到世界钒消耗的10%。 钛合金 据美国 USBM 报道，非钢铁合金中90%以上的钒是用来生产有 色合金和磁性合金，其中钛合金占绝大多数。钛合金中的钒（添加量 为 1%V）可作为强化剂和稳定剂，钛合金添加4%V 时，合金具有好 的延性和成形性。 在宇航工业中， 目前还没有其它可替代钛合金的材 料。在钛合金中，最重要的两种合金是Ti-6Al-4V （含4%V）和 Ti-8Al-1Mo-1V 。这两种合金总共占钛合金市场的50%。这些合金用 于生产喷气发动

13、机、 高速飞行器骨架和火箭发动机机壳。钒通常以钒 铝基合金形式加入钛合金中。 超级合金 含钒高性能合金的主要非宇航潜在用途是在核聚变反应器生产 中用作反应器的覆盖墙和屏蔽墙。 目前一直在研究用于该领域的钒合 金，与其它合金相比，在700时，这些合金仍保持较好的延性和强 度，中子辐射衰变最小，可阻止放射；对液态锂和钠（用作冷却剂） 具有良好的耐腐蚀性。 虽然六十年代早就研究了钒合金在核工业中的 应用，但直到八十年代对聚变反应器进行重点研究之后才引起对钒合 金的重视。开发的主要钒合金是LiV-Cr-TiSi （含 0.15%Cr ，0.20%Ti 和 1%的 Si）系列，其中最有意义的含钒合金是V

14、-5Ti-5Cr 。 钒能加入许多其它合金中， 目的是增加强度和延展性。 例如加入 铜基合金中， 用于控制气体成份和显微组织，加入铝合金中可用于生 产内燃发动机活塞以及加入一些镍基超级合金中生产汽轮机和叶片。 1.9 化学工业 钒的一个重要用途是作催化剂，钒化合物在化学工业中的应用 （如表） 。 钒作在化工领域主要作催化剂的用途目前仍在大力开发中。 德国贝尔公司在Dormagen新的工业化学废料煅烧装置上安装了由 BASF 开发的含五氧化二钒的催化系统。BASF 的催化剂可破坏由废 料煅烧装置产生的dioxins, 而不用活性碳过滤剂去吸收dioxins 。 钒化合物类型生产工艺最终用途 五氧

15、化二钒（ V2O5）在 H2SO4生产过程中， 用作把 SO2氧化为 SO3 的催化剂 生产磷肥 用作把环已烷氧化为已 二酸的催化剂 生产尼龙 偏钒酸铵（ NH4VO3）在 H2SO4生产过程中，生产磷肥 用作把 SO2 氧化为 SO3 的催化剂 用作把苯氧化为顺丁烯 二酸酐的催化剂 生产不饱和聚酯（涤纶等） 用作把萘氧化为苯二酸 酐的催化剂 生产聚氯乙烯 三氯氧钒（ VOCL3）用作乙烯和丙烯的交联生产乙烯，丙烯和汽车工 业用的橡胶四氯化钒（ VCL4 ） 钒在陶瓷工业上用作颜料（称作陶瓷颜料）。在玻璃中添加五氧 化二钒（0.02%V2O5）可以消除对眼睛有伤害和造成织物褪色的高能 超紫外线

16、。钒也可用于调黄绿色玻璃， 而氧化钒和氧化铯混合物可制 得绿玻璃，该绿玻璃用于测量UV 辐射强度。预计该应用将逐步增加。 加利福尼亚Pasadena的喷气推进试验室开发出一种称作干凝 胶的新型玻璃， 这种玻璃在一定的污染物质条件下能改变颜色。这种 玻璃含有氧化钒，在通常条件下为粉红色，但与硫化氢接触后，干凝 胶变为琥珀色，在氨水中转变为浅黄色。在甲酸中为褐绿色，在醋酸 中为绿色，在氢气中为紫色。 这种玻璃做成凝胶形式， 然后进行干燥， 在材料表面留下细孔， 当不同物质的分子进入细孔时， 与氧化钒反应， 缓慢改变材料结构， 从而可改变玻璃反射光和颜色。目前在进行干凝 胶的工业应用研究。 钒在颜料

17、中可作为添加剂。 一些特殊的元素在不同的晶格中可产 生各种颜色。钒能产生蓝、黄和绿色，尤其是美丽的蓝色着色剂，称 作钒蓝。它是在钒化合物存在下， 加热氧化锆和硅石生产含钒锆晶体 得到的。 钒的氧化物和偏钒酸盐可用于生产印刷油墨，他们可促使反应， 形成树脂黑涂料。根据添加偏钒酸铵的性能， 可生产一些局快干油墨。 少量的五氧化二钒也用于纺织物印花业。钒有助于氧化苯胺， 得到较 浓而不褪色的黑色染料。 钒的用途之一是生产可充电氢蓄电池或钒氧化还原蓄电池。该用 途是澳大利亚新南威尔逊大学研究开发的。这种电池采用充电高浓度 溶液来代替传统的铅 /酸电池充电板，通过溶液之间的电子交换产生 电能。目前开发的

18、技术可生产10KW 电池，使用时间为5 小时。下 一步将生产 50KW ，使用时间为 50 小时。由于用新充电钒溶液代替 废电解液可及时对电池进行再充电，所以钒电解液可长期循环使用。 试制产品表明电池能效高达90%。 2、钒产品市场分析 从世界来看，目前钒在钢铁工业中的消耗量占其总量的85%， 其余应用于钒的钛合金和化学工业。在钢铁工业中，钒在高强度低合 金钢（包括输气和输油管线钢在内）方面的消耗占 65%左右，特殊钢 （包括工具钢在内） 占 35%左右。钒对于钢的强化作用的研究还在不 断深入，例如，英国的 MB 研究报道，由 Bill Stasko 等公司开发的含 钒和钴的新型工具钢CPMR

19、ex121 ，其性能非凡，实现了最高的耐磨 性和红硬性的结合，比其他工具钢有更好的耐红热性。 我国钒钢产业的发展还明显落后于世界先进水平。在钢铁工业 中，中国钒消耗强度仅为30公斤/1000吨钢左右，发达国家钒消耗量 为50公斤/1000吨左右。 2004 年中国 V2O5产量约 2.4 万吨，出口 8000 吨，进口 2000 吨，即国内消耗1.8 万吨左右。 2004 年我国钢产量2.7 亿吨，若钢 铁工业消耗量 90%，即 1.62 万吨（已达到 60 公斤/1000 吨钢） ，则 钢铁业的钒消耗强度为33 公斤/1000 吨钢。 而 2003 年世界钢铁中钒 消耗强度就达 49 公斤/

20、1000 吨钢，若不包括中国、 俄罗斯则为 54 公 斤/1000 吨钢。 2005 年全国钢产量按3 亿吨计算，如果钢中含钒量 达到 54 公斤/1000 吨钢，则仅钢材全国 V2O5的需求量将达到 2.9 万 吨，与现在的产量比较缺口5000 吨。 2004 年中国钢铁产品中， 建筑用钢筋 7000 万吨，其中 HRB400 钢筋(新级)约 1000 万吨，消耗（ V2O5）1.07 万吨，是消耗V2O5 主要产品，约占总量50%。目前我国正大力推广HRB400 钢筋，并 且每年都大幅度增长，预计 2010 年 HRB400 钢筋可达到 3000 万吨， 仅此一项需要（ V2O5）3.21

21、 万吨。 钒在非钢领域的应用技术也取得了较大的进步，并可能在某些领 域获得突破性进展。钒电池、钒铝合金、氧化钒薄膜等已引起了业界 广泛的重视，特别是钒电池的开发应用，对钒的需求将大幅增加（钒 电池的生产原料主要是高纯度的V2O5） ，蕴藏着极大的市场潜力，据 英国 Roskill 公司估计，在下个十年内可提供10000 吨/年 V2O5的市 场空间。由于钒应用领域的不断扩大，因此对钒的品种需求由原来单 一的钒铁变为多样化钒产品，如氮化钒和高纯度的V2O5等应用量将 逐渐增加。从长远来看，钒的发展面临着一个良好的机遇。 3、钒资源开发利用总体趋势 当前世界钒生产技术仍在不断进步，主要是表现在生产

22、规模大型 化、推进先进选冶生产技术、加强从原矿和石油渣中回收钒、开发钒 氮合金和钒铝合金等新产品几个方面。但采用钒钛磁铁矿生产钒渣后 提钒的主流格局不会发生根本变化，用钒渣提钒仍是今后钒工业的发 展方向。总体而言，目前钒的生产工艺已很成熟，今后研究的重点主 要是完善工艺技术，提高经济指标和尽可能生产高附加值的产品。钒 资源开发利用总体趋势主要体现在以下几方面： 3.1 原料多元化，加强资源回收 全球提钒原料有钒渣、 含钒原矿和含钒石油渣。 目前从钒渣中提 钒的企业有南非的海威尔德、中国攀钢、承钢和俄罗斯下塔吉尔等厂 家，从矿石中提钒的有瑞士的Xstrata 和南非的海威尔德（钒特拉） ， 从石

23、油渣中提钒的有美国战略矿物公司、欧洲和亚洲的一些厂家。世 界钒原料的供应已形成多元化格局。 此外，美国战略矿物公司在开发从粉煤灰回收钒的技术方面具领 先地位，其在英国和美国的两座从粉煤灰中回收钒的工厂，五氧化二 钒年生产能力合计达到400 万磅。 3.2 生产高度集中，形成规模化 继续扩大生产规模是国内外大型钒生产企业的发展目标。这方面 南非海威尔德钢钒公司比较突出，其凡切姆工厂经过扩建，已经拥有 3 座窑炉，采用从钒矿连续加工方法，形成年产五氧化二钒3100 万 磅的产能。 全球钒产业高度集中在海威尔德、嘉能可、图拉、攀钢和战略矿 物公司 5 家企业，产能占全球的80%以上，因此，全球钒的竞

24、争主 要在这 5 家企业之间。目前各厂家在不断扩大钒产品的生产能力与规 模， 以降低生产成本。海威尔德已停止向国际市场出售钒渣， 将 FeV80 产能扩大到 6000 吨/年，Xstrata 在南非的工厂将FeV80 产量扩大至 7000 吨/年。攀钢已将钒铁产能扩大至7000 吨/年。这些表明大的钒 生产企业正在向集约化、规模化方向发展。目的是形成区域垄断。其 余厂家也同样在不断扩大钒铁产量，以便获取最大利润。 此外，世界几大钒生产企业还在相互整合组成跨国公司，以提高 自身的营销能力和竞争能力， 如南非的海威尔德与奥地利特雪巴赫公 司的合作，海威尔德与美国战略矿物公司的合作以及日本日商岩井与

25、 美国战略矿物公司的合作等等。 3.3 技术创新，开发新产品 国内外各主要钒生产商不断采用新技术和新工艺，在扩大生产能 力的同时，开发新产品，以获取更大利润。俄罗斯已自行开发出 FeV80 。南非斯塔德公司正在推进氨浸出法钒生产工艺技术，国内外 一些企业还在准备开发钒氮合金产品。 钒氮合金是近来钒生产企业开发的新产品。与钒铁相比， 钒氮合 金能有效改进微合金化的钢的性能，用量降低20-40% ，所以受到钢 铁生产企业的欢迎。 美国战略矿物公司等企业特别注意发展钒氮合金 生产，钒氮合金产品的产量已经占企业产品产量的30%以上。 国内攀钢已独立开发出钒氮合金产品，并很快形成规模生产， 获 取了较好

26、的经济效益。此外，开发航空航天工业用的钒铝合金新材料 也是钒工业的发展方向。 3.4 应用格局不变 钒的应用领域不会发生改变，用量最大的仍将是钢铁工业， 占钒 消耗的 90%左右。化学、有色、电子和航空业合计约占10%。尽管 近年在不断开发钒的新应用领域，但目前还没有出现将要大规模使用 钒的领域，因此，钒主要用于钢铁工业的格局估计在今后相当长一段 时期不出发生变化。 3.5 市场供求基本平衡 目前全球钒的生产能力达到120,100 吨（V2O5 ） ，2002 年产量 达到 82,600 吨（V2O5 ） ，实际用量为 71,500 吨。近几年钒的生产能 力还在不断扩大，产量一直保持在80,0

27、00 吨左右，而年需求量约为 70,000 吨左右， 有近 10,000 吨余量要找出路。而全球钒用量高达90% 的钢铁行业产量长期在89 亿吨左右徘徊，很难再有大的增长。因 此，钒的用量将趋于平衡。尽管近段期钒价上涨很快，但长期看，市 场仍会趋于缓慢增长。 由于中国含钒低合金钢的大力推广，对钒的需求近年快速大幅增 长，导致中国由钒出口国变为净进口国，拉动了世界钒需求的增长。 随着钒在钢铁冶金业中的推广应用，钒的总体消费呈增长趋势， 年增率在1.6%，另外，钒在其他领域的研发进展也较快，因此钒的 总消费量增速快于钢铁生产的增速。全球钒产业呈现长时间的能力富 余，这与钒市场几次大幅度价格波动有关

28、。全球钒市场再次出现大幅 波动的可能性已很小，长期看仍是供求平稳，通过供需调节，市场价 格将趋于平稳。 表 1 2001-2002 年世界钒制品生产厂产量情况，单位：吨V2O5 原料名称国籍产能2001 年2002 年 矿石HIGHVELD 南非10,450 6,500 6,000 矿石VAMETCO 南非5,500 0 0 矿石RHOVAN 南非7,300 6,000 6,818 矿石VANTECH 南非6,000 6,000 4,545 矿石WINDIMUR RA 澳大利亚7,300 4,000 5,455 矿石合计36,550 22,500 22,818 钒渣HIGHVELD 南非17,

29、280 13,636 13,636 钒渣攀钢中国12,097 10,550 8,900 钒渣承钢中国4,000 4,500 2,640 钒渣夏塔吉尔俄罗斯18,000 12,000 15,179 钒渣丘索夫俄罗斯5,600 4,000 2,143 钒渣NZL Steel 新西兰1,820 1,400 1,400 钒渣合计58,797 46,036 43,898 混合原料STRATCO R 美国5,450 3,640 3,400 混合原料Gulf CHEMICAL 美国2,750 2,750 2,750 混合原料AMAX 美国1,350 0 0 混合原料CS Metal 美国2,750 1,35

30、0 2,750 混合原料SHIELDAL LOY 美国2,500 2,300 2,300 混合原料ORBIT 英国1,135 混合原料日本1,820 1,600 1,820 混合原料中国4,000 1,400 1,400 混合原料台湾450 450 450 混合原料其它1,000 1,000 1,000 混合原料合计23,205 14,590 15,970 总计118,552 78,690 82,686 表 2 2000 年世界主要钒消费市场钒需求情况 国家/地区钒需求量（ V2O5 吨）份额（ %） 东亚19100 26.64 其中：日本10200 14.23 中国5000 6.97 韩国3900 5.44 北美17900 24.97 其中：美国16000 22.32 加拿大1900 2.65 西欧17600 24.55 独联体5600 7.81 东欧3000 4.18 其他6000 8.37 总计71700 100.00