钒在钢中的应用
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第二阶 段轧制 铁素体 珠光体 贝氏体
铁素体晶粒
粗大奥氏 体晶粒
奥氏体 再结晶
奥氏体中 析出VN
VN析出 峰值
较高V、N含量
低加热温度：细小、 均匀原始奥氏体
第一阶段：再结晶 控制轧制，细化奥 氏体晶粒
第二阶段：VN析出 范围内变形诱导VN 在奥氏体析出，提 供铁素体相变形核 核心
细小铁素体晶粒
世界钒资源分布
世界钒资源量
全球已探明6300万吨金属钒 以目前61000吨V/年消耗速度，可保证供
应1000年
世界钒储量
已知储量1300(1400)万吨金属钒 以当前消耗速度，可保证供应200年
含钒石煤储量618.8亿吨 品位0.1 %～0.5 %之间 总V2O5量达1.18 亿吨 品位0.8 %以上达800万吨
含钒铸铁表现出良好的高温性能，具有一定的高温 强度和良好的高温耐热性
含钒铸铁的应用
机床导轨。提高耐磨性和抗摩伤能力。 曲轴。用含钒球墨铸铁代替40Cr钢生产汽车曲轴。 轧辊。冷硬和无限冷铸铁硬轧辊，提高耐磨性能。 齿轮。以稀土镁钒钛球墨铸铁为原料节约优质合金
钢材。 重型汽车制动毂。稳定摩擦系数，良好导热率，较
V(C,N) 对TWIP钢延迟断裂影响
纳米 V(C,N)析出
无V析出物，产生延迟断裂
200nm
V析出物，无延迟断裂
抗回火软化 /二次硬化
元素
C Cr Co Mn Ni W Mo Si V
1%加入量对 抗回火的贡献
-40 0 8 8 8 10 17 20 30
钒在其它钢铁产品中作用
铸铁
细化石墨，提高强 度，不降低热传导 性、抗热疲劳性和 抗热裂纹能力
0.0150.020
屈服强度 (MPa) 345-475
微合金化碳、氮化物溶解度
V(C,N)溶解温度低 析出温度低，减少轧
制负荷 低温奥氏体区VC溶
解，实现可控的BH 效应
对再结晶作用
Nb-传统控轧 V-再结晶控轧
溶质拖曳作用小
铁素体中充分析出
有效利用钢中N
氮对V(CN)相间析出影响
0.10C-0.13V钢 750C 500 s等温 (a) 0.0051%N (b) 0.0082%N (c) 0.0257%N (d) 0.0095%N-0.04%C
注：不包括中国独特的石煤资源
钒制品生产主要原料
钒钛磁铁矿炼钢产生的钒渣 含钒矿物（钒钛磁铁矿、石煤等） 含钒环保材料（石油渣、废催化剂、
电厂灰）
世界钒供应情况
钒应用领域
钢铁：90%
低合金钢（63%）
板材（28%） ：管线钢、船板钢、汽车钢 长材（35%）：重轨、钢筋、H型钢、角钢
有效利用钢中N
氮对V(CN)相间析出影响
有效利用钢中N
颗粒直径，nm Particle Diameter, nm
12
6 50C/500秒等温相变
Isoth. trans. 650 C/500s
10
0.22C-0.12V
0.10C-0.12V 8
6
4
2
0 0
低密度
Low Density
高密度
钒在钢中的应用
钒的历史
1831年瑞典科学家Nils Sefstrom发现 以化合物绚丽多彩著称 借用美及执掌生育的瑞典女神Vanadis，命名
为Vanadium(钒） 1916年美国首先大量采用钒作为微合金化元
素加入碳锰钢中 上世纪50-60年代在我国钢铁工业中使用
内容提要
钒资源及供应 钒在钢中作用概况 钒在建筑用钢中应用技术进展 钒在热轧带钢中应用技术进展 钒在冷轧带钢中应用技术进展 钒在非调质钢中应用技术进展
V-N强化效率
△YS / 0.01%V
低N钢
5-10 MPa
高N钢
25 MPa
节约钒
V用量节约：50% 节约资源、降低生产成本
抗应变时效
C-Mn 钢
0.06%V 钢
钒对应变时效影响
应变时效指数, MPa
V
0.064% V, 0.009% N
V-N
0.067% V, 0.015% N
High Density
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 氮含量，wt% Nitrogen Content, wt%
有效利用钢中N
促进VN在奥氏体中析出
VN MnS
a
0.10%C-0.12%V-0.025%N - 0.009%S
第三代TMCP原理
加热
第一阶 段轧制
合金钢（27%）：工模具钢、特钢
钛合金：7%
喷气发动机、飞机结构、火箭、核工业、民用
化工：3%
硫酸催化剂、陶瓷、玻璃、生物制药、钒电池
钒消费强度
钒消费强度 g V/t粗钢
70
中国
60
世界平均 除中国外
50
40
30
20
10
0
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
焊接热影响区韧性-HAZ晶内铁素体形核
0
40J 冲击转变温度, C [40J ITT, C]
-20
-40
-60
-80
0
0.1
0.2
钒, wt% [V, wt%]
CEV=0.38, 多道焊, t8/5=12s, 钒对HAZ冲击转变温度的影响(40J)
V high N
a) 0.0%V
b) 0.1%V
非调质钢全过程生产成本低
(%)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
淬火和回火 Quench and tempered
空冷 Air cooled
车削加工 Machining 运输 Transport 环境 Environment 返工 Rework 时间 Time 热处理 Heat treatment 锻造 Forging 钢 Steel
易连铸
Nb、V均降低钢热塑性
应变集中产生在沿奥氏体晶 界分布的软的铁素体相中
碳氮化物在奥氏体析出，强 化晶界，造成应力集中
Nb钢热塑性开始下降温度比 V钢高100-150℃
V钢更易连铸(高达0.1%V) 加入Ti，细化晶粒，可有效
减轻连铸裂纹
组织性能均匀性
C-Mn钢 V-N钢
晶粒细化
奥氏体中析出VN颗粒晶内铁素体形核 促进相变细化晶粒
有效利用钢中N
N的强化作用
△YS=10MPa/10ppm[N]
N优化钒在钢中分布
V钢：35%V析出 V-N钢：70%V析出 固溶强化:
0.1%V=0.3MPa
屈服强度，MPa Yield Strength, MPa
C-Mn-Al 0.00%V, 0.009% N
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
V
V-N 钢种
C-Mn-Al
钒强化作用—强度可预测
弥散强化,MPa
[Dispersion Strengthening, MPa]
300 250 200 150 100
50 0 0
V V-N V-Ti-N V-Nb V-Nb-Ti
VN MA钢筋胞壁位错密度和胞壁厚度均比QST钢 筋大（厚），单位胞壁面积内所吸收变形功大
VN MA钢筋位错胞结构尺寸约500nm，细小，循 环塑性变形更加均匀分布，延缓疲劳裂纹的萌生和 扩展
细晶钢筋轧制时需低温大变形，变形过程在铁素体 晶内已经形成了位错胞结构。因此，在随后的疲劳 过程中位错胞结构的形成和发展不明显
连续冷却速度0.5C/s
Continuous cooling 0.5 C/s
800
700
0.22C-0.12V 0.15C-0.12V 0.10C-0.12V 0.04C-0.12V
600
500
400
300 0
0.01
0.02
0.03
氮含量，wt% Nitrogen Content, wt%
V-N强化效率、节约钒
钒在厚壁H型钢中应用
优化钒的析出强化与晶粒细化作用，并采取 适当生产工艺，解决厚截面H型钢组织与性 能性技术难题
钒在厚壁H型钢中应用
C-Mn钢 V-N钢
钒在角钢中应用
不同强度级别含钒角钢典型成分及力学性能
Q345 Q420 Q420 Q460
C (%)
0.110.20
0.140.20
0.130.17
ΔU=（+）强度增加率 ΔE=（+）塑性降低率
钒在高强度钢筋中应用
良好抗震性能-循环韧度最高
牌号
HRB400VN HRB400QST HRB400FG
循环韧度/ J/cm3
绝对值
相对值/%
27.71
100
22.33
80.58
16.08
58.03
5周期 半寿命
断裂后
VN钢筋
QST钢筋
FG钢筋
钒在高强度钢筋中应用
0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025
VN
铁素体晶粒细化
0.1V-0.020N C-Mn
0.05V-0.020N
1050℃ 20%变形 +900 ℃ 20%变形 0.5 ℃/s冷却至室温
细化TRIP钢组织
V-N加入具有强烈的组织细化作用
残余奥氏体
铁素体+贝氏体
0V
钒在高强度钢筋中应用
性能稳定，尺寸规格效应小
钒在高强度钢筋中应用
V微合金HRB400钢筋应变时效
工艺 C
Si Mn
P
S
V
ΔU ΔE %%
0.23 0.53 1.40 0.026 0.014 0.062 0.2 -5.6 VFe
0.20 0.52 1.36 0.027 0.013 0.063 0.2 -5.3
0.130.17
Mn (%)
1.201.60
1.401.70
1.201.35
1.201.40
Si (%)
0.200.50
0.300.50
0.300.40
0.300.40
V (%)
0.020.06
0.030.08
0.060.08
0.080.10
N (%)
0.0060.010
0.0080.015
0.0100.015
钒在建筑用钢中应用 技术进展
钒在高强度钢筋中应用
工艺控制无严格要求 利用V-N，减少V用量 优良的综合性能
性能稳定，尺寸规格效应小 焊接性能好 抗震性能好 无应变时效
钒在高强度钢筋中应用
钒在高强度钢筋中应用
强化效果
V钢： YS=YS(20MnSi)+1056×[V] V-N钢：YS=YS(20MnSi)+1994×[V]
年份 欧美国家：70-80g V/t粗钢
钒在钢中作用概况
钒在钢中作用优势性
奥氏体中高溶解度 析出强化-提高强度 晶粒细化-提高强度和韧性 有效利用钢中残余（或添加）N 在任何碳含量下均具有效的沉淀强化 易连铸 易生产 可焊性 减轻应变时效 H陷阱作用 二次硬化 抗蠕变 提高耐磨性
0.15 V
Tcoil=400℃
0% V : gres = 16.2%, d=1.0µm 0.15% V : gres = 13.5%, d=0.7µm
细化马氏体岛
0.15%C-0%V-0.024%Nb-0.006%N
0.145%C-0.062%V-0.019%Nb-0.0142%N
含V, Nb 和高N的冷轧DP钢在冷却及GI+GA处理后马氏体岛的尺寸明显小于Nb钢 (770°Cx60s460°Cx15sQCRT)
焊接工艺对V-N钢HAZ韧性影响
降低焊接热输入能量
冲击韧性提高 转变温度降低
H陷阱作用
V(C,N)析出物起作H陷阱位置 抗氢致延迟开裂、抗搪瓷钢板的鱼鳞爆作用
钢中存在大量VC 质点，被捕集H最 大浓度9ppm
0%V
0.3%V
1%V
Hitoshi ASAHI et. al., ISIJ International, Vol. 43(2003), No.4,pp.527-533
形成碳化物，提高 表面硬度
提高热疲劳性能 细化心部石墨，提
高强韧性
含钒铸铁的性能
钒是强化铸铁元素。在普通铸铁中，每增加 0.1%V，强度提高10～20MPa。在球墨铸铁中， 每增加0.1%V，强度提高30～40MPa
含钒铸铁与普通铸铁相比有较好的耐磨性能。当含 钒量为0.2%时，磨损量下降幅度很大，含钒量继 续增加，磨损量下降幅度就不明显
高热疲劳强度和抗热裂能力，抗磨性能较好以及常 温和高温强度高。 泵体。使用寿命显著提高。 汽缸和汽缸套。寿命比普通珠光体铸铁提高一倍。
钒在其它钢铁产品中作用
中高碳钢
推迟珠光体转变，细化球团 及片层间距
抑制晶界网状渗碳体形成 析出强化作用
钒在其它钢铁产品中作用
非调质钢
低均热温度，溶解度大，对工具影响小 阻止晶粒长大，细化锻件晶粒 产生沉淀强化 高强韧性，省去热处理
铁素体晶粒
粗大奥氏 体晶粒
奥氏体 再结晶
奥氏体中 析出VN
VN析出 峰值
较高V、N含量
低加热温度：细小、 均匀原始奥氏体
第一阶段：再结晶 控制轧制，细化奥 氏体晶粒
第二阶段：VN析出 范围内变形诱导VN 在奥氏体析出，提 供铁素体相变形核 核心
细小铁素体晶粒
世界钒资源分布
世界钒资源量
全球已探明6300万吨金属钒 以目前61000吨V/年消耗速度，可保证供
应1000年
世界钒储量
已知储量1300(1400)万吨金属钒 以当前消耗速度，可保证供应200年
含钒石煤储量618.8亿吨 品位0.1 %～0.5 %之间 总V2O5量达1.18 亿吨 品位0.8 %以上达800万吨
含钒铸铁表现出良好的高温性能，具有一定的高温 强度和良好的高温耐热性
含钒铸铁的应用
机床导轨。提高耐磨性和抗摩伤能力。 曲轴。用含钒球墨铸铁代替40Cr钢生产汽车曲轴。 轧辊。冷硬和无限冷铸铁硬轧辊，提高耐磨性能。 齿轮。以稀土镁钒钛球墨铸铁为原料节约优质合金
钢材。 重型汽车制动毂。稳定摩擦系数，良好导热率，较
V(C,N) 对TWIP钢延迟断裂影响
纳米 V(C,N)析出
无V析出物，产生延迟断裂
200nm
V析出物，无延迟断裂
抗回火软化 /二次硬化
元素
C Cr Co Mn Ni W Mo Si V
1%加入量对 抗回火的贡献
-40 0 8 8 8 10 17 20 30
钒在其它钢铁产品中作用
铸铁
细化石墨，提高强 度，不降低热传导 性、抗热疲劳性和 抗热裂纹能力
0.0150.020
屈服强度 (MPa) 345-475
微合金化碳、氮化物溶解度
V(C,N)溶解温度低 析出温度低，减少轧
制负荷 低温奥氏体区VC溶
解，实现可控的BH 效应
对再结晶作用
Nb-传统控轧 V-再结晶控轧
溶质拖曳作用小
铁素体中充分析出
有效利用钢中N
氮对V(CN)相间析出影响
0.10C-0.13V钢 750C 500 s等温 (a) 0.0051%N (b) 0.0082%N (c) 0.0257%N (d) 0.0095%N-0.04%C
注：不包括中国独特的石煤资源
钒制品生产主要原料
钒钛磁铁矿炼钢产生的钒渣 含钒矿物（钒钛磁铁矿、石煤等） 含钒环保材料（石油渣、废催化剂、
电厂灰）
世界钒供应情况
钒应用领域
钢铁：90%
低合金钢（63%）
板材（28%） ：管线钢、船板钢、汽车钢 长材（35%）：重轨、钢筋、H型钢、角钢
有效利用钢中N
氮对V(CN)相间析出影响
有效利用钢中N
颗粒直径，nm Particle Diameter, nm
12
6 50C/500秒等温相变
Isoth. trans. 650 C/500s
10
0.22C-0.12V
0.10C-0.12V 8
6
4
2
0 0
低密度
Low Density
高密度
钒在钢中的应用
钒的历史
1831年瑞典科学家Nils Sefstrom发现 以化合物绚丽多彩著称 借用美及执掌生育的瑞典女神Vanadis，命名
为Vanadium(钒） 1916年美国首先大量采用钒作为微合金化元
素加入碳锰钢中 上世纪50-60年代在我国钢铁工业中使用
内容提要
钒资源及供应 钒在钢中作用概况 钒在建筑用钢中应用技术进展 钒在热轧带钢中应用技术进展 钒在冷轧带钢中应用技术进展 钒在非调质钢中应用技术进展
V-N强化效率
△YS / 0.01%V
低N钢
5-10 MPa
高N钢
25 MPa
节约钒
V用量节约：50% 节约资源、降低生产成本
抗应变时效
C-Mn 钢
0.06%V 钢
钒对应变时效影响
应变时效指数, MPa
V
0.064% V, 0.009% N
V-N
0.067% V, 0.015% N
High Density
0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 氮含量，wt% Nitrogen Content, wt%
有效利用钢中N
促进VN在奥氏体中析出
VN MnS
a
0.10%C-0.12%V-0.025%N - 0.009%S
第三代TMCP原理
加热
第一阶 段轧制
合金钢（27%）：工模具钢、特钢
钛合金：7%
喷气发动机、飞机结构、火箭、核工业、民用
化工：3%
硫酸催化剂、陶瓷、玻璃、生物制药、钒电池
钒消费强度
钒消费强度 g V/t粗钢
70
中国
60
世界平均 除中国外
50
40
30
20
10
0
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
焊接热影响区韧性-HAZ晶内铁素体形核
0
40J 冲击转变温度, C [40J ITT, C]
-20
-40
-60
-80
0
0.1
0.2
钒, wt% [V, wt%]
CEV=0.38, 多道焊, t8/5=12s, 钒对HAZ冲击转变温度的影响(40J)
V high N
a) 0.0%V
b) 0.1%V
非调质钢全过程生产成本低
(%)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
淬火和回火 Quench and tempered
空冷 Air cooled
车削加工 Machining 运输 Transport 环境 Environment 返工 Rework 时间 Time 热处理 Heat treatment 锻造 Forging 钢 Steel
易连铸
Nb、V均降低钢热塑性
应变集中产生在沿奥氏体晶 界分布的软的铁素体相中
碳氮化物在奥氏体析出，强 化晶界，造成应力集中
Nb钢热塑性开始下降温度比 V钢高100-150℃
V钢更易连铸(高达0.1%V) 加入Ti，细化晶粒，可有效
减轻连铸裂纹
组织性能均匀性
C-Mn钢 V-N钢
晶粒细化
奥氏体中析出VN颗粒晶内铁素体形核 促进相变细化晶粒
有效利用钢中N
N的强化作用
△YS=10MPa/10ppm[N]
N优化钒在钢中分布
V钢：35%V析出 V-N钢：70%V析出 固溶强化:
0.1%V=0.3MPa
屈服强度，MPa Yield Strength, MPa
C-Mn-Al 0.00%V, 0.009% N
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
V
V-N 钢种
C-Mn-Al
钒强化作用—强度可预测
弥散强化,MPa
[Dispersion Strengthening, MPa]
300 250 200 150 100
50 0 0
V V-N V-Ti-N V-Nb V-Nb-Ti
VN MA钢筋胞壁位错密度和胞壁厚度均比QST钢 筋大（厚），单位胞壁面积内所吸收变形功大
VN MA钢筋位错胞结构尺寸约500nm，细小，循 环塑性变形更加均匀分布，延缓疲劳裂纹的萌生和 扩展
细晶钢筋轧制时需低温大变形，变形过程在铁素体 晶内已经形成了位错胞结构。因此，在随后的疲劳 过程中位错胞结构的形成和发展不明显
连续冷却速度0.5C/s
Continuous cooling 0.5 C/s
800
700
0.22C-0.12V 0.15C-0.12V 0.10C-0.12V 0.04C-0.12V
600
500
400
300 0
0.01
0.02
0.03
氮含量，wt% Nitrogen Content, wt%
V-N强化效率、节约钒
钒在厚壁H型钢中应用
优化钒的析出强化与晶粒细化作用，并采取 适当生产工艺，解决厚截面H型钢组织与性 能性技术难题
钒在厚壁H型钢中应用
C-Mn钢 V-N钢
钒在角钢中应用
不同强度级别含钒角钢典型成分及力学性能
Q345 Q420 Q420 Q460
C (%)
0.110.20
0.140.20
0.130.17
ΔU=（+）强度增加率 ΔE=（+）塑性降低率
钒在高强度钢筋中应用
良好抗震性能-循环韧度最高
牌号
HRB400VN HRB400QST HRB400FG
循环韧度/ J/cm3
绝对值
相对值/%
27.71
100
22.33
80.58
16.08
58.03
5周期 半寿命
断裂后
VN钢筋
QST钢筋
FG钢筋
钒在高强度钢筋中应用
0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025
VN
铁素体晶粒细化
0.1V-0.020N C-Mn
0.05V-0.020N
1050℃ 20%变形 +900 ℃ 20%变形 0.5 ℃/s冷却至室温
细化TRIP钢组织
V-N加入具有强烈的组织细化作用
残余奥氏体
铁素体+贝氏体
0V
钒在高强度钢筋中应用
性能稳定，尺寸规格效应小
钒在高强度钢筋中应用
V微合金HRB400钢筋应变时效
工艺 C
Si Mn
P
S
V
ΔU ΔE %%
0.23 0.53 1.40 0.026 0.014 0.062 0.2 -5.6 VFe
0.20 0.52 1.36 0.027 0.013 0.063 0.2 -5.3
0.130.17
Mn (%)
1.201.60
1.401.70
1.201.35
1.201.40
Si (%)
0.200.50
0.300.50
0.300.40
0.300.40
V (%)
0.020.06
0.030.08
0.060.08
0.080.10
N (%)
0.0060.010
0.0080.015
0.0100.015
钒在建筑用钢中应用 技术进展
钒在高强度钢筋中应用
工艺控制无严格要求 利用V-N，减少V用量 优良的综合性能
性能稳定，尺寸规格效应小 焊接性能好 抗震性能好 无应变时效
钒在高强度钢筋中应用
钒在高强度钢筋中应用
强化效果
V钢： YS=YS(20MnSi)+1056×[V] V-N钢：YS=YS(20MnSi)+1994×[V]
年份 欧美国家：70-80g V/t粗钢
钒在钢中作用概况
钒在钢中作用优势性
奥氏体中高溶解度 析出强化-提高强度 晶粒细化-提高强度和韧性 有效利用钢中残余（或添加）N 在任何碳含量下均具有效的沉淀强化 易连铸 易生产 可焊性 减轻应变时效 H陷阱作用 二次硬化 抗蠕变 提高耐磨性
0.15 V
Tcoil=400℃
0% V : gres = 16.2%, d=1.0µm 0.15% V : gres = 13.5%, d=0.7µm
细化马氏体岛
0.15%C-0%V-0.024%Nb-0.006%N
0.145%C-0.062%V-0.019%Nb-0.0142%N
含V, Nb 和高N的冷轧DP钢在冷却及GI+GA处理后马氏体岛的尺寸明显小于Nb钢 (770°Cx60s460°Cx15sQCRT)
焊接工艺对V-N钢HAZ韧性影响
降低焊接热输入能量
冲击韧性提高 转变温度降低
H陷阱作用
V(C,N)析出物起作H陷阱位置 抗氢致延迟开裂、抗搪瓷钢板的鱼鳞爆作用
钢中存在大量VC 质点，被捕集H最 大浓度9ppm
0%V
0.3%V
1%V
Hitoshi ASAHI et. al., ISIJ International, Vol. 43(2003), No.4,pp.527-533
形成碳化物，提高 表面硬度
提高热疲劳性能 细化心部石墨，提
高强韧性
含钒铸铁的性能
钒是强化铸铁元素。在普通铸铁中，每增加 0.1%V，强度提高10～20MPa。在球墨铸铁中， 每增加0.1%V，强度提高30～40MPa
含钒铸铁与普通铸铁相比有较好的耐磨性能。当含 钒量为0.2%时，磨损量下降幅度很大，含钒量继 续增加，磨损量下降幅度就不明显
高热疲劳强度和抗热裂能力，抗磨性能较好以及常 温和高温强度高。 泵体。使用寿命显著提高。 汽缸和汽缸套。寿命比普通珠光体铸铁提高一倍。
钒在其它钢铁产品中作用
中高碳钢
推迟珠光体转变，细化球团 及片层间距
抑制晶界网状渗碳体形成 析出强化作用
钒在其它钢铁产品中作用
非调质钢
低均热温度，溶解度大，对工具影响小 阻止晶粒长大，细化锻件晶粒 产生沉淀强化 高强韧性，省去热处理