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    我國高端不銹鋼管制造技術(shù)

    作者:董敬松 時(shí)間:2024-04-08閱讀數:人閱讀

    我國高端不銹鋼管制造技術(shù)

    在當前鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)展的新時(shí)期,不銹鋼以其高耐蝕、長(cháng)壽命、壽命周期成本低、100%回收利用等優(yōu)點(diǎn),成為最具發(fā)展潛力的鋼鐵產(chǎn)品。核電軍工化工等工業(yè)用材國產(chǎn)化進(jìn)程的加快,建筑工程、供水領(lǐng)域等民用市場(chǎng)的拓展都預示著(zhù)不銹鋼管應用前景廣闊,用戶(hù)對產(chǎn)品的需求不斷走向高端化——高、精、特、快、專(zhuān)、省,同時(shí)也將促進(jìn)高端不銹鋼管制造技術(shù)不斷創(chuàng )新和進(jìn)步,支撐不銹鋼管行業(yè)向綠色化、智能化、高質(zhì)化、服務(wù)化方向發(fā)展。

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    在“2021(第二屆)中國不銹鋼管高峰論壇”上,王國棟院士發(fā)布了東北大學(xué)2011鋼鐵共性技術(shù)協(xié)同創(chuàng )新中心姜周華教授團隊的高端不銹鋼管制造技術(shù)研究成果,本文根據大會(huì )報告整理。


    1.當前我國不銹鋼發(fā)展現狀


    據中國特鋼企業(yè)協(xié)會(huì )不銹鋼分會(huì )數據,2020年我國不銹鋼粗鋼產(chǎn)量為3013.9萬(wàn)噸,增長(cháng)了2.51%,其中:Cr-Ni鋼(300系)1437.96萬(wàn)噸,占比47.71%;Cr鋼(400系)592.50萬(wàn)噸,占比19.66%;Cr-Mn鋼(200系)964.32萬(wàn)噸,占比32.007%。進(jìn)口不銹鋼為180.59萬(wàn)噸,同比增加68.62萬(wàn)噸,增長(cháng)61.33%;出口不銹鋼為341.69萬(wàn)噸,同比減少25.54萬(wàn)噸,降低了6.95%。不銹鋼表觀(guān)消費量為2560.79萬(wàn)噸,增長(cháng)6.64%。


    2.高端不銹鋼管產(chǎn)品


    2.1高氮不銹鋼

    高氮鋼是近年來(lái)出現的一種新型工程材料,是材料中的實(shí)際氮含量超過(guò)常壓下(0.1MPa)制備材料所能達到的極限值的鋼。其中,高氮奧氏體不銹鋼的氮含量在0.40%以上,高氮鐵素鐵、馬氏體不銹鋼的氮含量均大于0.08%。采用氮做合金元素,不僅可以穩定奧氏體組織,提高強度,使韌性無(wú)顯著(zhù)下降,而且還可以提高耐腐蝕性能。

    目前,高氮不銹鋼成為主要研究熱點(diǎn),尤其是高氮奧氏體不銹鋼。比如用P900(18Cr-18Mn-0.6N)制成的護環(huán),具有高的屈服強度和塑性,良好的耐腐蝕性能特別是耐應力腐蝕,低的導磁性能。高端無(wú)磁鉆鋌,具有低磁導率、高強度的機械性能、優(yōu)越的耐腐蝕能力、耐晶間腐蝕開(kāi)裂性能及優(yōu)越的耐磨性能。


    2.2雙相不銹鋼


    雙相不銹鋼主要由鐵素體和奧氏體相組成,是一類(lèi)集優(yōu)良耐腐蝕、高強度和易于加工等諸多優(yōu)異性能于一身的鋼種。物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間。具有優(yōu)異的耐氯化物應力腐蝕和耐孔蝕性能;良好的腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能;綜合力學(xué)性能優(yōu)異,有較高的強度和疲勞強度;良好的焊接性能;材料成型性能優(yōu)良,廣泛應用于造船及運輸、石油和化工等領(lǐng)域。

    雙相不銹鋼典型品種:第一類(lèi)屬低合金型,代表牌號UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N),鋼中不含鉬,PREN值為24-26,在耐應力腐蝕方面可代替AISI304或316使用。第二類(lèi)屬中合金型,代表牌號是UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N,即2205),PREN值為32-35,其耐蝕性能介于A(yíng)ISI316L和6%Mo+N奧氏體之間。第三類(lèi)屬高合金型,一般含25%Cr,還含有鉬和氮,有的還含有銅和鎢,標準牌號UNS32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N),PREN值為37-39,這類(lèi)鋼的耐蝕性能高于22%Cr的雙相不銹鋼。第四類(lèi)屬超級雙相不銹鋼型,含高鉬和氮,標準牌號UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N,即2507),有的也含鎢和銅,PREN值大于40,可適用于苛刻的介質(zhì)條件,具有良好的耐蝕與力學(xué)綜合性能,可與超級奧氏體不銹鋼相媲美。

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    雙相不銹鋼品種發(fā)展趨勢是經(jīng)濟型,超級和特超級。其中,LDX 2101(UNS S32101)為經(jīng)濟型最成功的低鎳高氮雙相不銹鋼,具有高強度和良好耐氯化物應力腐蝕開(kāi)裂性能,現已廣泛用于造紙工業(yè)設備、食品加工設備、海上石油平臺、脫鹽(海水淡化)設備等特殊化工環(huán)境設備。SAF 3207 HD 抗拉強度極高,980-1180 MPa,PREN為50,臨界點(diǎn)腐蝕(CPT)為90℃,可在更深的水下、更高的溫度和壓力環(huán)境下開(kāi)采油、氣田,是用于深水項目的理想材料。DP-3W高耐蝕超級雙相不銹鋼板主要用于食品工業(yè)中制鹽、醬油釀造含有高氯化物的生產(chǎn)設備,以及海底石油開(kāi)采的泵等氯離子腐蝕嚴重的環(huán)境。


    2.3超級奧氏體不銹鋼


    超級奧氏體不銹鋼是一種特種不銹鋼,與普通奧氏體不銹鋼相比,Ni、Cr、Mo、N等合金元素含量均高于一般值,特別是Mo,可達4.5%~7%。其特點(diǎn)主要是:1)高合金化,主要是鉻、鉬、氮,尤其是鉬,含量顯著(zhù)高于常規不銹鋼;2)高純化,尤其是C含量;3)高性能,具有高的耐局部腐蝕性能,抗應力腐蝕開(kāi)裂性能。金相組織是100%的奧氏體。但由于鉻和鉬含量均較高, 處理不好 會(huì )出現金屬中間相, 如sigma相。

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    超級奧氏體不銹鋼主要用于制造海水處理設備、濕法煙氣脫硫吸收塔、煙氣凈化設備、熱交換機、制藥工業(yè)、造紙工業(yè)中的漂白設備等。


    2.4特種不銹鋼


    特種不銹鋼產(chǎn)品主要應用于耐蝕塑料模具(如4Cr13、 4Cr13Mo、 4Cr13MoN);能源領(lǐng)域(核電、火電、水電)的核電主管道、高壓鍋爐管、葉片、護環(huán)、水輪機導葉和葉片;油氣開(kāi)采(如超級13Cr、15Cr、雙相不銹鋼);石油化工的高溫、耐蝕部件(管道、閥門(mén));海洋工程(海水淡化、深海采油、建筑)(如超級雙相不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼鋼筋);航空領(lǐng)域(如高強不銹軸承鋼(CSS-42L、X30CrMoN152),高強緊固件PH13-8Mo,15-5PH);環(huán)保領(lǐng)域(如煙氣脫硫用超級不銹鋼NAS 254N、 NAS 354N)。


    此外,還有熱核聚變實(shí)驗堆用不銹鋼材料、核電用不銹鋼材料——主管道、航空用超高強度不銹鋼等。


    3高端不銹鋼冶煉技術(shù)


    3.1高端不銹鋼冶煉技術(shù)——電渣重熔


    電渣重熔生產(chǎn)的高端精品特鋼,占我國特種冶金總產(chǎn)量90%以上。電渣重熔是生產(chǎn)高端特殊鋼和合金的主要方法。它是在水冷結晶器中,通過(guò)渣阻熱,將自耗電極重新熔化和精煉,順序凝固成鋼錠的特種冶金方法。具有渣洗精煉、順序凝固、鑄錠無(wú)大型夾雜物、宏觀(guān)和微觀(guān)偏析小,成分和組織均勻等顯著(zhù)特點(diǎn)。適用于生產(chǎn)服役條件苛刻(高溫、高壓、高速、重載、腐蝕)、凝固時(shí)偏析嚴重的大型鋼錠,極易偏析和析出脆性相的高合金鑄錠。模鑄和連鑄(大夾雜物和偏析)無(wú)法替代。


    傳統電渣重熔存在電耗高、污染嚴重、成本高、潔凈度低、凝固質(zhì)量差、優(yōu)質(zhì)大錠缺等問(wèn)題,亟需開(kāi)發(fā)新一代電渣重熔技術(shù),來(lái)滿(mǎn)足高端裝備升級、服役條件苛刻、性能要求極高、機組參數升級的需求。

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    東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng )新中心創(chuàng )新采用全參數過(guò)程穩定的潔凈化理論(Constant State of all Parameters, 簡(jiǎn)稱(chēng)CSP),實(shí)現低滲透率渣,全密閉惰性氣保,渣溫和成分、熔池、渣鋼氧化性恒定;創(chuàng )新采用超快冷和最佳熔速下的淺平熔池均質(zhì)化控制理論(Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool,簡(jiǎn)稱(chēng)SCOM-SP),在兼顧表面成形質(zhì)量的同時(shí),最大限度地降低LST(局部凝固時(shí)間),減少鋼錠的宏觀(guān)和微觀(guān)偏析,實(shí)現電渣過(guò)程的均質(zhì)化凝固。創(chuàng )新開(kāi)發(fā)半連續電渣重熔實(shí)心和空心鋼錠成套技術(shù)及裝備,與傳統電渣重熔流程對比,創(chuàng )新流程減少了工序、提高了質(zhì)量、降低了成本,實(shí)現了生產(chǎn)的連續化、高效化、低成本化;創(chuàng )新流程生產(chǎn)的半連續實(shí)心鋼錠的材料收得率提高10%,生產(chǎn)效率提高60%,成本降低15%-20%;半連續空心鋼錠的質(zhì)量大幅提高,材料收得率提高10%,生產(chǎn)效率提高60%,成本降低30%-60%。該技術(shù)被中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì )專(zhuān)家組評價(jià)為總體技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。


    寶武特冶提供的CRP1000及CAP1400核電及700℃示范電站用關(guān)鍵材料,為首次探月工程嫦娥衛星和長(cháng)征三號甲運載火箭、神舟六號載人航天和運載火箭作出貢獻。舞鋼生產(chǎn)的20MnNiMo電渣型鋼板,用于8萬(wàn)噸模壓機支撐件,最大厚度達390mm;SXQ500D等水電鋼板,最大厚度達305mm,滿(mǎn)足白鶴灘和烏東德水電站關(guān)鍵部件要求,填補國內空白,替代進(jìn)口,進(jìn)口價(jià)格從6萬(wàn)元/t降至2萬(wàn)元/t。通裕重工生產(chǎn)的百?lài)嵓壌笮碗娫摮蔀槭澜缡着_AP1000核電主管道關(guān)鍵材料,填補了國際空白,并出口國外;為我國福建霞浦第四代核電示范工程提供特厚電渣鋼板,實(shí)現了第四代核電用鋼的國產(chǎn)化。大冶特鋼已成為全球頂級軸承制造企業(yè)(SKF、FAG、TIMKEN等)電渣材料供應商。其供應份額占我國準高速鐵路(160km/h)軸承材料供應60%以上。中鋼邢機的電渣冷軋輥在板帶市場(chǎng)國內占有率達70%,出口世界50多個(gè)國家。


    3.2高端不銹鋼冶煉技術(shù)——加壓冶金


    加壓不僅可以強化冶金過(guò)程,即提高元素溶解度、改善熱力學(xué)條件、改善動(dòng)力學(xué)條件,而且還可以改善凝固組織,即改變凝固過(guò)程相變、強化冷卻效果、縮短局部凝固時(shí)間。


    加壓電渣重熔(PESR)是目前商業(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法。目前典型的合金化方式有兩種:設有合金添加裝置(德國)、制造復合電極(日本)。德國最大加壓電渣爐為20t,熔煉室運行壓力4.2MPa,最大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重20t。

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    為促進(jìn)遼寧航空和新材料等產(chǎn)業(yè)發(fā)展,東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng )新中心與撫順特鋼、601(沈陽(yáng)飛機設計研究所)、606(沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機研究所)、410(黎明)、112(沈飛),遼寧忠旺等達成了合作意向,2023-2024年將在沈撫示范區以10噸級工業(yè)化設備(10噸加壓鋼包爐、10噸加壓電渣爐)實(shí)現高氮不銹軸承鋼(X30-NEU)產(chǎn)業(yè)化,并將產(chǎn)品拓展到高端模具、醫療器械、軍用刀具等領(lǐng)域。


    3.3特種合金冶煉技術(shù)


    對于難變形高溫合金GH4151鑄錠冶金質(zhì)量控制技術(shù),東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng )新中心從鑄錠組織分析、合金凝固行為、合金偏析特征、裂紋形成機制、均勻化工藝研究等方面進(jìn)行研究,制定了鑄錠質(zhì)量控制準則,經(jīng)過(guò)擠壓開(kāi)坯、近等溫鍛造成形和最終熱處理,最終對盤(pán)件的組織、γ'相和力學(xué)性能進(jìn)行評估。通過(guò)控制GH4151合金鑄錠冶金質(zhì)量,制備的GH4151盤(pán)件具有優(yōu)異的拉伸性能、持久性能和疲勞性能等力學(xué)性能,均超過(guò)了發(fā)動(dòng)機設計廠(chǎng)家提供的技術(shù)指標要求。與其他盤(pán)件合金相比,GH4151合金的拉伸、持久性能與國外典型變形和粉末盤(pán)水平相當;超過(guò)了國內變形盤(pán)合金和粉末高溫合金的拉伸性能和持久性能等力學(xué)性能;GH4151合金疲勞性能超過(guò)了國內粉末高溫合金的性能。盤(pán)件性能的優(yōu)越驗證了錠型尺寸控制、熱裝退火、裂紋控制、均勻化工藝、元素偏析控制、γ’相組織控制的正確性與合理性。下一步將在沈撫新區工研院進(jìn)行中試和產(chǎn)業(yè)轉化。

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