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铌:未来技术和市场发展FriedrichHeisterkamp(1)andTadeuCarneiro(2)(1)NiobiumProductsCompanyGmbH,Steinstrasse28,D-40210Düsseldorf1,Germany.(2)ReferenceMetalsCompany,Inc.,1001OldPondRoad,Bridgeville,PA15017-0217,U.S.A.摘要：虽然铌已经有两百年的历史，但是它作为工业材料使用才只是昀近40年的事情。这段时间里，铌因为其本身特有的技术性能，帮助人类解决了大量工程技术难题。包括：油气输送管线问题，汽车工业，高层建筑，飞机发动机和医疗设备。随着铌的某些特性被进一步发掘，铌作为重要的工程材料，今后它的应用领域将更加广泛。由于至今在三大主要微合金化钢（管线，汽车和结构钢）中铌的地位没有受到其它金属的挑战，将来大部分铌仍将继续用于钢铁工业。在管线钢生产中，铌将是生产各级别钢种的主要微合金化元素。在汽车工业，它将继续保持在热轧、冷轧HSLA钢中作为昀主要合金化元素的地位，并在多相钢这一新领域中得到更多的应用。另外，可以预料未来在所有热机械处理的高强度结构钢中，铌将是首选的微合金化元素。在钢铁以外的领域，铌将主要用于高附加值产品。铌将在下面一些领域发现新的机遇：汽车、优化成分飞机发动机、陆基汽轮发电机用镍基高温合金及各种需要耐磨、耐蚀性能的材料。由于经济、技术条件的变化，铌还可能在其它如电子工业（电解电容、电池合金）、医学（移植材料）光电材料（薄膜）和化工（催化剂）等领域的应用取得更大进展，大力研究与开发这些高速发展、前景光明并孕育着巨大机会的市场，将会使市场增长从数量增加型转为价值增长型。1概述铌的工业性应用取得突破始于1933年不锈钢提高抗晶间腐蚀的稳定化技术的发展（1）和50年代末60年代初为同时提高普碳钢的强韧性而开发的微合金化技术（2）。70年代，铌也在一些尖端技术领域得到应用。铌绝大部分仍然用于微合金化钢生产，镍基高温合金是铌的第二大应用领域。今天，高强度微合金化钢对边远地区的油气管线输送，低油耗轻体汽车，高层建筑及其它很多特殊用途都是非常关键的材料。含铌镍基合金是重要的高温合金，主要应用于飞机发动机，陆基汽轮机、石化设备甚至汽车部件。铌基合金也有很重要的商业应用。Nb-Ti和Nb-Sn用于磁共振成像（MRI）、核磁共振设备（NMR）及粒子加速器中的超导磁体。铌基合金还是非常好的耐高温材料。含10%铪（Hf）和1%Ti的铌基合金是目前昀重要的铌基合金材料，主要用于火箭推进器锥体、高温阀体、汽轮机增压叶片。另外，纯铌金属，铌锆、铌钽、钛铌合金还用于各种腐蚀环境的耐蚀材料。未来，铌的作用会越来越重要。因为一些有发展前景的行业因使用铌而受益匪浅，很多重要技术进步因为有铌才成为可能。从复杂的多相钢到航空航天技术，从医疗应用到现代信息技术。在钢铁工业，铌仍将是昀重要的微合金化元素并将在具有前景的新领域获得进一步应用。在高科技领域，铌将广泛用于高附加值产品。铌将在汽车工业，飞机发动机，地基涡轮发电机用镍基高温合金等各种需要1来自中国最大的资料库下载耐磨耐腐蚀材料的合金优化方面发现更多新的应用。下一代飞机涡轮发动机中温度在1300℃以上的部件将使用铌基合金或硅化铌。在这一领域加铌的低密度γ铝化钛由于抗氧化性和抗蠕变性进一步改善，未来可能发挥重要作用。由于经济、技术条件的变化，在电解电容器、高生物适应性医学移植材料，光电薄膜材料、记忆合金、电池合金和化工特别是催化剂等方面，铌应用也会越来越多。本文主要论述了铌在钢铁这一目前昀重要市场的形势，描述了当今钢中的铌合金化技术和未来发展及保持甚至扩大这一市场的开发方向。铌在高科技领域的应用，现代铌合金技术的应用也在本文进行了描述。基于这些讨论，对未来铌随着技术进步，加上它本身的优良特性而可能发挥重要作用的领域进行了预测。某些非常有前景的应用在本文进行了详细分析。针对这些研究结果，解答了为什么在这些高速发展并非常有前景的领域大量的研究开发会使铌的市场增长以增值而不是以增量为特点。2铌市场2.1总论回顾历史可以帮助我们了解过去并对未来作出正确判断。20年前，在铌’81会议上，有两个对铌消费的预测，一个较现实的预测是每年3-3.5%的增长(3)，另一个比较乐观的预测是每年8-10%的增长(4)。两个预测都错了，因为1980到2000年铌消费的增长只有2.6%。因此我们的分析将从技术进步和其对未来市场可能的冲击来考虑。在过去20年里，炼钢工艺，轧钢工艺、合金设计的优化使得每吨成品材消耗的原材料减少，也就是说，铌微合金化钢产量的增长并没有引起铌消耗的增长。伴随薄板坯连铸连轧工艺的出现，原材料的消耗还可能进一步降低。加入少量铌就可通过推迟奥氏体再结晶显著细化晶粒。保持铌价格的长期稳定可以使铌成为钢铁及其它铌消费行业的稳定伙伴，保持这些行业研究和使用铌的动力。铌在技术经济方面的优势使得很多应用领域把铌作为合金化设计时的首选。在本文中会发现一个有趣的事实，即新型含铌钢材的技术进步增强了钢铁工业在与其它材料在汽车工业选材方面竞争时的竞争力。铌在航空电力业用合金中的工业化广泛应用也与技术开发的可喜成果密不可分。铌的三大消费领域的相对重要性可以通过它们的市场份额显示，钢铁：高温合金：纯金属=100：10：1。然而，如果从附加值和发展潜力看，未来非钢行业可能会更有发展前景。2.2钢铁1997年钢铁工业消耗的铌首次突破了20000吨，2000年达到23000吨。欧洲、北美、日本等工业化国家占其中大约90%，世界其他国家占10%。见图1。工业化国家吨钢铌铁消耗在50克铌铁/吨钢以上，远高于俄罗斯、中国、和其他发展中国家的10-20g/t，但是这些国家在世界钢铁总产量中的比例逐渐增长，也是铌消耗的未来增长点。由于铌合金化技术的引进，在过去的10年，这些新兴市场铌的消耗实际上已经增长了大约50%。在这些国家正在形成对现代化钢的新需求。按产品分，铌的消耗主要集中在三个领域：微合金化钢，不锈钢和高温合金及纯金属。2来自铌铁消耗量地区分布图2:按产品分类的铌消耗.管线用钢、汽车用钢和结构钢等微合金化钢占铌消费总量的70%，可见钢生产和消费对铌消耗的重要性。其他工程用钢、工具钢和铸件约占8%。加上不锈钢，90%的铌用于钢铁工业。其余10%用于高温合金、纯金属和特殊氧化物，这部分主要是高附加值产品。图2也显示了在过去20年里，消费的分布发生了很大变化，趋于多样化。过去，95%的铌用于钢铁工业，而60%的铌用于管线钢，使铌的市场受管线钢项目的影响很大变化无常。其他钢铁品种上的大量研究使铌在钢中的应用更加多样化，并使汽车用钢成为铌的主要消费领域。虽然管线钢用铌占总消耗量的比例目前已降到只有25%，但是因为这段时间内铌的总消耗量的大幅增长，它的总消耗量仍然很高。另外，结构钢中的用铌量也在逐渐增大。2.3高温合金与金属用于这一领域的铌在1980年到2000年从1100吨到2300吨，翻了一番，这一增长的主要动力是飞机制造。60年代末和70年代初当时广泛使用的含钴高温合金产量下降使镍基合金得到开发和生产，镍基合金利用VB和VIB族元素如铌作为共格相和碳化物沉淀析出强化元素，这类元素也有一定程度的固溶强化作用。另外，由于铌金属和其合金的抗腐蚀性和耐高温性，近几十年来铌也已广泛用3来自中国最大的资料库下载于各种其它工业领域。NbTi和Nb3Sn由于在所有超导合金中具有昀高的临界温度和易加工性，使其成为唯一的商用超导材料，进一步巩固了铌的技术优势。除了普通的MRI和NMR，铌金属市场也在一定程度上依赖于DESY，CERN和其他研究单位的量子物理的项目。纯铌金属在线性加速器用超导RF加速器方面也有很好的应用前景下面几章讨论了主要的含铌产品的昀新技术和应用，技术发展对这些产品市场的影响也就是对铌的影响，也进行了研究。3管线钢3.1总论根据分析，偏远地区生产的油气的运输在未来几十年里将会显得越来越重要，以满足能量消耗的增长。因为在过去和可以预见的未来，管线运输将是昀经济的油气运输方式。图3图3:德国X80级管线的铺设（由Europipe供稿）.表I工作压力，管径，油气通过量的增长趋势39,0001,420120200050,7001,620?12020201,420900500Diameterinmm6502019308,30066196526,000801980Annualcapacityinmillionm3OperatingpressureinbarYear39,0001,420120200050,7001,620?12020201,420900500Diameterinmm6502019308,30066196526,000801980Annualcapacityinmillionm3OperatingpressureinbarYear在过去的几十年里，油气管线的使用压力已经提高到高达120巴，在管径不变的条件下，管线的通过能力提高了50%，见表I。在给定强度级别下，压力越高，管子壁厚必然要加厚，造成管重增加。选用高屈服强度钢板，管材壁厚及管重可以大幅降低。由此可以降低钢材消耗量，减少焊接量，降低运输成本。随着深水油气田的进一步开发和深海油气的传输，如正在讨论中的阿曼—印度油气管线的建设，将需要一种新型的壁厚超过40mm的厚壁管，这种材料和现有的管线钢差异非常大。将来，管子的直径可能达到1620mm。4来自管线钢的合金设计和性能现有的管线钢可以满足目前已知的各种应用。在过去的二十年里取得的大量的炼钢、轧板技术和铌合金化技术及热机械轧制的研究成果，使管线钢的开发生产取得了很大进步。由于热轧过程中铌推迟再结晶的作用，可以获得晶粒细化，同时提高了钢的强度和低温韧性。热轧工艺可以和轧后加速冷却结合，使奥氏体铁素体转变温度降低，进一步细化晶粒。由于这些强化机理的应用,可以降低钢中的碳含量，从而提高了钢的可焊性，钢的冲击韧性也得到很大改善。管线钢的延展性和抗氢致裂纹性取决于钢的纯净度。即钢中较低的氧化物硫化物的体积分数，并且昀好是球形。现代炼钢技术已经可以在大生产中得到高纯净钢。高强度管线钢在过去几十年里的发展总括在图4中，由此图也可以看出晶粒细化的重要性。图4:过去几十年管线钢的发展不断完善的有关工艺—微观组织—性能关系的研究成果，使轧制制度不断改进因而使钢的合金成分含量越来越少。目前，管线用钢的主流产品还是标准的X70，用于壁厚15-20mm的管子时，它的原始成分是典型成分为0.10%C,1.55%Mn,0.007%S,0.03%Nband0.05%V的低碳锰铌钒钢。但是，由于钒价格很高，这一成分发生了改变。碳化钒的沉淀强化作用被位错强化取代。90年代X70级钢通过把碳含量和硫含量分别降低到0.08%和0.005%使性能得到进一步改善。在相同强度级别上，得到了更高的冲击韧性。轧后加速冷却，冷却速度达到15-20℃/秒，终冷温度在550℃左右时，也可以得到X70或更高级别的X80级的管线钢，加速冷却的X70钢的典型组织是铁素体加一定数量的贝氏体组织。为了把强度提高到X80级，同时不牺牲太多的韧性，就要增加锰含量必要时也可加钼或镍以提高钢的淬透性，得到更多的贝氏体组织。通过加入匹配当量的钛来固定氮，增强铌对奥氏体的形成和转变的影响。基于上述基本理论，目前已经搞了几个X80级的工程，由于其良好的技术经济性，未来几十年，这一级别有可能成为管线钢的主流产品。然而，这并不是终点。为了得到X80级以上的高强度，已经瞄准了全贝氏体组织这一目标。当冷却速度达到约20°C/秒时，低碳锰钼镍钢含100%细贝氏体组织，甚至在奥氏体亚稳定温度热机械轧制，冷却终止温度在500°C左右时仍可以得到同样的组织。这类钢的强度级别是X100。如果用更高的冷却速度如35