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我国高端不锈钢管制造技术

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在当前钢铁行业高质量发展、钢铁行业绿色低碳发展的新时期,不锈钢以其高耐蚀、长寿命、寿命周期成本低、100%回收利用等优点,成为最具发展潜力的钢铁产品。核电军工化工等工业用材国产化进程的加快,建筑工程、供水领域等民用市场的拓展都预示着不锈钢管应用前景广阔,用户对产品的需求不断走向高端化——高、精、特、快、专、省,同时也将促进高端不锈钢管制造技术不断创新和进步,支撑不锈钢管行业向绿色化、智能化、高质化、服务化方向发展。

在“2021(第二届)中国不锈钢管高峰论坛”上,王国栋院士发布了东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心姜周华教授团队的高端不锈钢管制造技术研究成果,本文根据大会报告整理。

1 当前我国不锈钢发展现状

据中国特钢企业协会不锈钢分会数据,2020年我国不锈钢粗钢产量为3013.9万吨,增长了2.51%,其中:Cr-Ni钢(300系)1437.96万吨,占比47.71%;Cr钢(400系)592.50万吨,占比19.66%;Cr-Mn钢(200系)964.32万吨,占比32.007%。进口不锈钢为180.59万吨,同比增加68.62万吨,增长61.33%;出口不锈钢为341.69万吨,同比减少25.54万吨,降低了6.95%。不锈钢表观消费量为2560.79万吨,增长6.64%。

2 高端不锈钢管产品

2.1高氮不锈钢

高氮钢是近年来出现的一种新型工程材料,是材料中的实际氮含量超过常压下(0.1MPa)制备材料所能达到的极限值的钢。其中,高氮奥氏体不锈钢的氮含量在0.40%以上,高氮铁素铁、马氏体不锈钢的氮含量均大于0.08%。采用氮做合金元素,不仅可以稳定奥氏体组织,提高强度,使韧性无显著下降,而且还可以提高耐腐蚀性能。

目前,高氮不锈钢成为主要研究热点,尤其是高氮奥氏体不锈钢。比如用P900(18Cr-18Mn-0.6N)制成的护环,具有高的屈服强度和塑性,良好的耐腐蚀性能特别是耐应力腐蚀,低的导磁性能。高端无磁钻铤,具有低磁导率、高强度的机械性能、优越的耐腐蚀能力、耐晶间腐蚀开裂性能及优越的耐磨性能。

2.2双相不锈钢

双相不锈钢主要由铁素体和奥氏体相组成,是一类集优良耐腐蚀、高强度和易于加工等诸多优异性能于一身的钢种。物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。具有优异的耐氯化物应力腐蚀和耐孔蚀性能;良好的腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能;综合力学性能优异,有较高的强度和疲劳强度;良好的焊接性能;材料成型性能优良,广泛应用于造船及运输、石油和化工等领域。

双相不锈钢典型品种:

第一类属低合金型,代表牌号UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N),钢中不含钼,PREN值为24-26,在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。

第二类属中合金型,代表牌号是UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N,即2205),PREN值为32-35,其耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体之间。

第三类属高合金型,一般含25%Cr,还含有钼和氮,有的还含有铜和钨,标准牌号UNS32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N),PREN值为37-39,这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。

第四类属超级双相不锈钢型,含高钼和氮,标准牌号UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N,即2507),有的也含钨和铜,PREN值大于40,可适用于苛刻的介质条件,具有良好的耐蚀与力学综合性能,可与超级奥氏体不锈钢相媲美。

双相不锈钢品种发展趋势是经济型,超级和特超级。其中,LDX 2101(UNS S32101)为经济型最成功的低镍高氮双相不锈钢,具有高强度和良好耐氯化物应力腐蚀开裂性能,现已广泛用于造纸工业设备、食品加工设备、海上石油平台、脱盐(海水淡化)设备等特殊化工环境设备。SAF 3207HD抗拉强度极高,980-1180MPa,PREN为50,临界点腐蚀(CPT)为90℃,可在更深的水下、更高的温度和压力环境下开采油、气田,是用于深水项目的理想材料。DP-3W高耐蚀超级双相不锈钢板主要用于食品工业中制盐、酱油酿造含有高氯化物的生产设备,以及海底石油开采的泵等氯离子腐蚀严重的环境。

2.3超级奥氏体不锈钢

超级奥氏体不锈钢是一种特种不锈钢,与普通奥氏体不锈钢相比,Ni、Cr、Mo、N等合金元素含量均高于一般值,特别是Mo,可达4.5%~7%。其特点主要是:

1)高合金化,主要是铬、钼、氮,尤其是钼,含量显著高于常规不锈钢;

2)高纯化,尤其是C含量;

3)高性能,具有高的耐局部腐蚀性能,抗应力腐蚀开裂性能。金相组织是100%的奥氏体。但由于铬和钼含量均较高,处理不好会出现金属中间相,如sigma相。

超级奥氏体不锈钢主要用于制造海水处理设备、湿法烟气脱硫吸收塔、烟气净化设备、热交换机、制药?业、造纸工业中的漂白设备等。

2.4特种不锈钢

特种不锈钢产品主要应用于耐蚀塑料模具(如4Cr13、4Cr13Mo、 4Cr13MoN);能源领域(核电、火电、水电)的核电主管道、高压锅炉管、叶片、护环、水轮机导叶和叶片;油气开采(如超级13Cr、15Cr、双相不锈钢);石油化工的高温、耐蚀部件(管道、阀门);海洋工程(海水淡化、深海采油、建筑)(如超级双相不锈钢、超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢钢筋);航空领域(如高强不锈轴承钢(CSS-42L、X30CrMoN152),高强紧固件PH13-8Mo,15-5PH);环保领域(如烟气脱硫用超级不锈钢NAS 254N、 NAS 354N)。

此外,还有热核聚变实验堆用不锈钢材料、核电用不锈钢材料——主管道、航空用超高强度不锈钢等。

3 高端不锈钢冶炼技术

3.1高端不锈钢冶炼技术——电渣重熔

电渣重熔生产的高端精品特钢,占我国特种冶金总产量90%以上。电渣重熔是生产高端特殊钢和合金的主要方法。它是在水冷结晶器中,通过渣阻热,将自耗电极重新熔化和精炼,顺序凝固成钢锭的特种冶金方法。具有渣洗精炼、顺序凝固、铸锭无大型夹杂物、宏观和微观偏析小,成分和组织均匀等显著特点。适用于生产服役条件苛刻(高温、高压、高速、重载、腐蚀)、凝固时偏析严重的大型钢锭,极易偏析和析出脆性相的高合金铸锭。模铸和连铸(大夹杂物和偏析)无法替代。

传统电渣重熔存在电耗高、污染严重、成本高、洁净度低、凝固质量差、优质大锭缺等问题,亟需开发新一代电渣重熔技术,来满足高端装备升级、服役条件苛刻、性能要求极高、机组参数升级的需求。

东北大学钢铁共性技术创新中心创新采用全参数过程稳定的洁净化理论(Constant State of all Parameters,简称CSP),实现低渗透率渣,全密闭惰性气保,渣温和成分、熔池、渣钢氧化性恒定;创新采用超快冷和最佳熔速下的浅平熔池均质化控制理论(Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool,简称SCOM-SP),在兼顾表面成形质量的同时,最大限度地降低LST(局部凝固时间),减少钢锭的宏观和微观偏析,实现电渣过程的均质化凝固。

创新开发半连续电渣重熔实心和空心钢锭成套技术及装备,与传统电渣重熔流程对比,创新流程减少了工序、提高了质量、降低了成本,实现了生产的连续化、高效化、低成本化;创新流程生产的半连续实心钢锭的材料收得率提高10%,生产效率提高60%,成本降低15%-20%;半连续空心钢锭的质量大幅提高,材料收得率提高10%,生产效率提高60%,成本降低30%-60%。该技术被中国钢铁工业协会专家组评价为总体技术达到国际领先水平。

宝武特冶提供的CRP1000及CAP1400核电及700℃示范电站用关键材料,为首次探月工程嫦娥卫星和长征三号甲运载火箭、神舟六号载人航天和运载火箭作出贡献。舞钢生产的20MnNiMo电渣型钢板,用于8万吨模压机支撑件,最大厚度达390mm;SXQ500D等水电钢板,最大厚度达305mm,满足白鹤滩和乌东德水电站关键部件要求,填补国内空白,替代进口,进口价格从6万元/t降至2万元/t。

通裕重工生产的百吨级大型电渣钢成为世界首台AP1000核电主管道关键材料,填补了国际空白,并出口国外;为我国福建霞浦第四代核电示范工程提供特厚电渣钢板,实现了第四代核电用钢的国产化。大冶特钢已成为全球顶级轴承制造企业(SKF、FAG、TIMKEN等)电渣材料供应商。其供应份额占我国准高速铁路(160km/h)轴承材料供应60%以上。中钢邢机的电渣冷轧辊在板带市场国内占有率达70%,出口世界50多个国家。

3.2高端不锈钢冶炼技术——加压冶金

加压不仅可以强化冶金过程,即提高元素溶解度、改善热力学条件、改善动力学条件,而且还可以改善凝固组织,即改变凝固过程相变、强化冷却效果、缩短局部凝固时间。

加压电渣重熔(PESR)是目前商业上生产高氮钢的有效方法。目前典型的合金化方式有两种:设有合金添加装置(德国)、制造复合电极(日本)。德国最大加压电渣炉为20t,熔炼室运行压力4.2MPa,最大生产铸锭直径1m重20t。

为促进辽宁航空和新材料等产业发展,东北大学钢铁共性技术创新中心与抚顺特钢、601(沈阳飞机设计研究所)、606(沈阳发动机研究所)、410(黎明)、112(沈飞),辽宁忠旺等达成了合作意向,2023-2024年将在沈抚示范区以10吨级工业化设备(10吨加压钢包炉、10吨加压电渣炉)实现高氮不锈轴承钢(X30-NEU)产业化,并将产品拓展到高端模具、医疗器械、军用刀具等领域。

3.3特种合金冶炼技术

对于难变形高温合金GH4151铸锭冶金质量控制技术,东北大学钢铁共性技术创新中心从铸锭组织分析、合金凝固行为、合金偏析特征、裂纹形成机制、均匀化工艺研究等方面进行研究,制定了铸锭质量控制准则,经过挤压开坯、近等温锻造成形和最终热处理,最终对盘件的组织、γ'相和力学性能进行评估。

通过控制GH4151合金铸锭冶金质量,制备的GH4151盘件具有优异的拉伸性能、持久性能和疲劳性能等力学性能,均超过了发动机设计厂家提供的技术指标要求。与其他盘件合金相比,GH4151合金的拉伸、持久性能与国外典型变形和粉末盘水平相当;超过了国内变形盘合金和粉末高温合金的拉伸性能和持久性能等力学性能;GH4151合金疲劳性能超过了国内粉末高温合金的性能。

盘件性能的优越验证了锭型尺寸控制、热装退火、裂纹控制、均匀化工艺、元素偏析控制、γ’相组织控制的正确性与合理性。下一步将在沈抚新区工研院进行中试和产业转化。

(来源:世界金属导报)