當(dāng)前，在鋼鐵工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展的新時代，不銹鋼管件以其高耐蝕性、長壽命、低生命周期成本、100%回收利用等優(yōu)勢，成為最具潛力的鋼鐵產(chǎn)品。核電、軍工、化工等工業(yè)材料國產(chǎn)化進(jìn)程的加快，建筑工程、供水等民用市場的擴(kuò)大，都表明不銹鋼管具有廣闊的應(yīng)用前景，用戶對產(chǎn)品的需求正不斷向高端、高精度、特殊、快速、專業(yè)化、經(jīng)濟(jì)型方向發(fā)展。同時，也將推動高端不銹鋼管制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，支撐不銹鋼管行業(yè)向綠色、智能、優(yōu)質(zhì)、服務(wù)方向發(fā)展。
在“2021(第二屆)中國不銹鋼管高峰論壇”上，王國棟院士介紹了中國不銹鋼的發(fā)展現(xiàn)狀，以及高端不銹鋼管的典型產(chǎn)品和最新制造技術(shù)。這篇論文是根據(jù)會議報告整理的。
我國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會數(shù)據(jù)顯示，2020年，我國粗不銹鋼產(chǎn)量3013.9萬噸，增長2.51%，其中：鉻鎳鋼(300系)1437.96萬噸，占比47.71%；Cr (400系列)592.5萬噸，占比19.66%；鉻錳鋼(200系列)964.32萬噸，占比32.007%。進(jìn)口不銹鋼180.59萬噸，同比增加68.62萬噸，增長61.33%；不銹鋼出口341.69萬噸，同比減少25.54萬噸，下降6.95%。不銹鋼表觀消費量為2560.79萬噸，同比增長6.64%。
高氮鋼是近年來出現(xiàn)的一種新型工程材料，材料中的實際氮含量超過了該材料在常壓(0.1MPa)下制備時所能達(dá)到的極限值。其中高氮奧氏體不銹鋼的氮含量在0.40%以上，高氮四氧化三鐵和馬氏體不銹鋼的氮含量都在0.08%以上。使用氮作為合金元素，不僅可以穩(wěn)定奧氏體組織，提高強(qiáng)度，還可以提高耐蝕性。
目前，高氮不銹鋼管件已成為主要的研究熱點，尤其是高氮奧氏體不銹鋼。例如，P900(18Cr-18Mn-0.6N)制成的護(hù)環(huán)具有較高的屈服強(qiáng)度和塑性，良好的耐腐蝕性能，尤其是耐應(yīng)力腐蝕性能，較低的導(dǎo)磁能。高端無磁鉆鋌具有低磁導(dǎo)率、高強(qiáng)度機(jī)械性能、優(yōu)異的耐腐蝕性、抗晶間腐蝕開裂性和優(yōu)異的耐磨性。
雙相不銹鋼主要由鐵素體和奧氏體組成，是一種耐蝕性優(yōu)良、強(qiáng)度高、易加工的鋼。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(yīng)力腐蝕和耐點蝕性能，良好的抗腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能，優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，高強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度，良好的焊接性能和優(yōu)異的材料成型性能，廣泛應(yīng)用于造船交通、石油化工等領(lǐng)域。雙相不銹鋼的典型類型包括：第一種是低合金型，代表品牌為UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N)。該鋼不含鉬，PREN值為24~26。在抗應(yīng)力腐蝕方面，它可以代替AISI304或316。第二種屬于中合金型，代表品牌是UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N，即2205)，PREN值32~35。其耐蝕性介于AISI316L和6%Mo N奧氏體之間。第三種屬于高合金型，一般含25%的鉻、鉬、氮，部分還含銅、鎢。標(biāo)準(zhǔn)品牌UNS32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N)的PREN值為37~39。這種鋼的耐蝕性高于22%Cr。第四種是高鉬氮含量的超級雙相不銹鋼，標(biāo)準(zhǔn)級UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N，即2507)，部分還含有鎢和銅。PREN值大于40，適用于苛刻的介質(zhì)條件，具有良好的耐腐蝕性能和機(jī)械綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼媲美。
雙相不銹鋼管件的發(fā)展趨勢是經(jīng)濟(jì)型、超級型和超級型。其中，LDX 2101(UNS S32101)是最經(jīng)濟(jì)、最成功的低鎳高氮雙相不銹鋼。具有較高的強(qiáng)度和良好的抗氯化物應(yīng)力腐蝕開裂性能，已廣泛應(yīng)用于造紙工業(yè)設(shè)備、食品加工設(shè)備、海上石油平臺、海水淡化(海水淡化)設(shè)備等特種化工環(huán)境設(shè)備中。SAF 3207 HD具有極高的抗拉強(qiáng)度，980~1180MPa，PREN 50，臨界點腐蝕(CPT)90。它可以在更深的水和更高的溫度和壓力環(huán)境下開采油氣田，是深水項目的理想材料。DP-3W超級雙相不銹鋼板具有高耐蝕性，主要用于食品工業(yè)制鹽、醬油釀造等含高氯化物的生產(chǎn)設(shè)備，以及海底石油開采用泵等氯離子腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境中。
超級奧氏體不銹鋼管件是一種特種不銹鋼。與普通奧氏體不銹鋼相比，鎳、鉻、鉬、氮等合金元素的含量均高于一般數(shù)值，尤其是鉬，可達(dá)4.5% ~ 7%。其特點是：1)高合金化，主要是鉻、鉬、氮，尤其是鉬，其含量明顯高于常規(guī)不銹鋼；2)純度高，特別是C含量高；3)高性能，高抗局部腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕開裂。金相組織是100%奧氏體。但由于鉻、鉬含量高，處理不當(dāng)會出現(xiàn)金屬中間相，如相。超級奧氏體不銹鋼主要用于制造海水處理設(shè)備、濕法煙氣脫硫吸收塔、煙氣凈化設(shè)備、換熱器、制藥工業(yè)和造紙工業(yè)的漂白設(shè)備等。
特種不銹鋼管件制品主要用于耐腐蝕塑料模具(如4Cr13、4Cr13Mo、4cr 13 mon)；能源領(lǐng)域(核電、火電、水電)核電主管道、高壓鍋爐管、葉片、擋圈、汽輪機(jī)導(dǎo)葉、葉片；油氣開采(如超級13Cr、15Cr、雙相不銹鋼)；石油化工行業(yè)中的高溫耐腐蝕部件(管道、閥門)；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(qiáng)度不銹軸承鋼(CSS-42L，X30CrMoN152)，高強(qiáng)度緊固件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，還有熱核聚變實驗堆用不銹鋼材料、核電用——主管道、航空用超高強(qiáng)度不銹鋼等。
電渣重熔生產(chǎn)的高端優(yōu)質(zhì)特殊鋼占我國特種冶金總產(chǎn)量的90%以上。電渣重熔是生產(chǎn)高端特種鋼和合金的主要方法。它是自耗電極在水冷結(jié)晶器中通過熔渣抗熱性進(jìn)行重熔精煉，然后依次凝固成鋼錠的一種特殊冶金方法。它具有渣洗精煉、有序凝固、鑄錠無大夾雜物、宏微觀偏析小、成分和組織均勻等顯著特點。適用于生產(chǎn)服役條件苛刻(高溫、高壓、高速、重載、腐蝕)、凝固時偏析嚴(yán)重的大型鋼錠，以及易偏析、易析出脆性相的高合金鋼錠。而連鑄(大夾雜和偏析)是無法替代的。
傳統(tǒng)的電渣重熔存在電耗高、污染嚴(yán)重、成本高、潔凈度低、凝固質(zhì)量差、鋼錠短缺量大等問題。迫切需要開發(fā)新一代電渣重熔技術(shù)，以滿足高端設(shè)備升級、服役條件苛刻、性能要求極高和機(jī)組參數(shù)升級的要求。
東北大學(xué)鋼鐵通用技術(shù)創(chuàng)新中心創(chuàng)新性地采用全參數(shù)恒態(tài)(CSP)理論，實現(xiàn)低透氣性渣、全密封惰性氣體保護(hù)、渣溫成分、熔池和渣鋼氧化恒定；采用創(chuàng)新的超快冷最佳熔化速率淺池(SCOM-SP)控制理論。在兼顧表面成形質(zhì)量的同時，最小化LST(局部凝固時間)，減少鋼錠的宏微觀偏析，實現(xiàn)電渣過程的均勻化凝固。開發(fā)實心和空心鋼錠半連續(xù)電渣重熔成套技術(shù)和設(shè)備。與傳統(tǒng)的電渣重熔工藝相比，該創(chuàng)新工藝減少了工序，提高了質(zhì)量，降低了成本，實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)、高效率、低成本。創(chuàng)新工藝生產(chǎn)的半連續(xù)固態(tài)鑄錠材料收得率提高10%，生產(chǎn)效率提高60%，成本降低15%~20%。半連續(xù)空心錠質(zhì)量大幅提高，材料成材率提高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)會專家組評定為整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。寶特冶煉廠提供的CRP1000、CAP1400核電站和700示范電站關(guān)鍵材料，為首次探月工程、嫦娥衛(wèi)星和長征三號甲運載火箭、神舟六號載人航天和運載火箭做出了貢獻(xiàn)。
8萬噸模壓機(jī)支架采用WISCO生產(chǎn)的20MnNiMo電渣鋼板，最大厚度390mmSXQ500D等水電鋼板，最大厚度305mm，滿足白鶴灘、烏東德水電站關(guān)鍵部件要求，填補國內(nèi)空白，替代進(jìn)口，進(jìn)口價格由6萬元/噸降至2萬元/噸。
通重工生產(chǎn)的100噸電渣鋼成為世界首條AP1000核電主管道的關(guān)鍵材料，填補了國際空白并出口國外；為中國福建霞浦第四代核電示范工程提供了特厚電渣鋼板，實現(xiàn)了第四代核電用鋼的國產(chǎn)化。
大冶特鋼已成為世界頂級軸承制造商(SKF、FAG、鐵姆肯等)的電渣材料供應(yīng)商。).其供應(yīng)份額占中國準(zhǔn)高速鐵路(160km/h)軸承材料供應(yīng)的60%以上。
中鋼吉星公司的電渣冷軋輥在板帶材市場的國內(nèi)占有率達(dá)70%，并出口到世界50多個國家。
加壓不僅可以強(qiáng)化冶金過程，即增加元素的溶解度，改善熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件，還可以改善凝固組織，即改變凝固過程中的相變，強(qiáng)化冷卻效果，縮短局部凝固時間。
加壓電渣重熔是生產(chǎn)高氮鋼的一種有效的工業(yè)化方法。目前有兩種典型的合金化方法：安裝合金添加裝置(德國)和制造復(fù)合電極(日本)。德國最大的加壓電渣爐為20噸，熔煉室工作壓力為4.2MPa，最大生產(chǎn)錠直徑1米，重20噸。
為促進(jìn)遼寧航空和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，東北大學(xué)鋼鐵通用技術(shù)創(chuàng)新中心與撫順特鋼、沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所、沈陽發(fā)動機(jī)研究所、黎明、沈飛、遼寧忠旺等達(dá)成合作意向。2023-2024年，神府示范區(qū)將實現(xiàn)10噸工業(yè)裝備(10噸加壓鋼包爐、10噸加壓電渣爐)高氮不銹軸承鋼(X30-NEU)。
針對GH4151高溫合金鑄錠冶金質(zhì)量控制技術(shù)，東北大學(xué)鋼鐵通用技術(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(jī)理、均勻化工藝等方面進(jìn)行了研究，并制定了鑄錠質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)擠壓開坯、近等溫鍛造和最終熱處理后，對板材的顯微組織、相和力學(xué)性能進(jìn)行了評價。通過控制GH4151合金鑄錠的冶金質(zhì)量，制備的GH4151盤具有優(yōu)異的拉伸性能、持久性能和疲勞性能等力學(xué)性能，均超過發(fā)動機(jī)設(shè)計制造商提供的技術(shù)指標(biāo)要求。與其他圓盤合金相比，GH4151合金的拉伸和持久性能與國外典型變形和粉末圓盤相當(dāng)。超過國內(nèi)變形盤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合金的疲勞性能超過國產(chǎn)粉末高溫合金。板材的優(yōu)越性能驗證了鑄錠尺寸控制、熱裝退火、裂紋控制、均勻化工藝、元素偏析控制和'相結(jié)構(gòu)控制的正確性和合理性。下一步將在沈撫新區(qū)工業(yè)研究院進(jìn)行中試和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。
