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            超純鐵素體不銹鋼品種和精煉技術

            來源: 不銹鋼      更新時間: 2015-03-31     
             

            超純鐵素體不銹鋼品種和精煉技術

            鐵素體不銹鋼系指含11%~30%Cr、在使用狀態下組織結構以鐵素體為主的Fe Cr或Fe Cr Mo合金。它具有比奧氏體不銹鋼好得多的耐氯 化物、苛性堿等應力腐蝕性能,還具有很好的耐海水局部腐蝕(抗點蝕、抗縫隙腐蝕和應力腐蝕開裂)性能和抗高溫氧化性能。普通鐵素體不銹鋼的缺點是對晶間腐 蝕敏感,塑性和韌性較低,延-脆性轉變溫度在室溫以上。又由于焊接熱影響區的晶粒粗化、475℃脆性、高溫脆性以及δ相形成所引起的焊縫韌性不足,焊接裂 紋傾向較大。20世紀60年代的研究表明,鐵素體不銹鋼的上述缺陷是由間隙元素C、N造成的。通過降低鋼液中C、N的含量,可使上述缺陷得到改善。

                  受冶煉和加工技術的制約,鐵素體不銹鋼的生產和消費比例一直較低。2003年全球不銹鋼粗鋼產量2280萬t,400系列不銹鋼約占21%,中國2003 年不銹鋼產量約177 8萬t,400系列約為10%。近幾年鐵素體不銹鋼的開發與應用受到國內外的廣泛重視,其主要原因是:(1)Ni資源嚴重短 缺,Ni價格波動幅度較大,導致300系列不銹鋼的生產成本大幅上升,而且原材料供應沒有保證;(2)隨著生產設備和技術進步,可以生產出性能優異的鐵素 體不銹鋼,替代300系列的一些品種;(3)含Ni不銹鋼對人體有一定危害,如對皮膚有過敏反應等。超純鐵素體不銹鋼主要應用在汽車制造、廚房設施、家用 電器、建筑裝飾、化工設備和五金制品等方面。 
              超純鐵素體不銹鋼品種
                    鐵素體不銹鋼的耐點蝕性首先決定于鋼液中的Cr和Mo,但是鋼液中的穩定化元素如Ti和Nb,雜質元素如S對點蝕也有顯著的影響。因C、N含量的增加,鐵 素體不銹鋼的沖擊韌性下降,脆性轉變溫度上移,鋼的缺口敏感性、冷卻速度效應和尺寸效應顯著惡化。當把C、N總量降到150×10-6以下,即為超純鐵素 體不銹鋼時,鋼的各種性能會有明顯改善。超純鐵素體不銹鋼中的Cr含量一般≤30%。Cu在鐵素體不銹鋼中的作用也越來越受到重視,它提高鋼的耐蝕性和冷 加工性能。

            20世紀70年代,汽車排氣系統用材為鑄鐵和碳鋼等。1980年前后逐漸轉向不銹鋼,并以鐵素體不銹鋼409系列為主。隨著發動機性能的提高和尾氣 排放標準日趨嚴格,409系列難以滿足高溫強度和抗氧化性的要求,特別是離發動機較近的歧管材料。因此開發了430系列,如SUS430JIL和 430LX,并在此基礎上添加Mo、Cu和Nb、Ti等元素,以進一步提高其高溫性能,如SUS436L、SUS436JIL和SUS444等。為了兼顧 材料良好的高溫性能、加工性能和降低成本,以日本的不銹鋼生產企業為代表,研制開發了13%~15%Cr排氣歧管用鐵素體不銹鋼系列。如低碳高鈮無鉬的 R429EX鋼,使之具有高的加工性(接近409系列),并有較好的高溫強度(相當于403JIL)。通過減少Si含量并添加1 6%Mo,研制成功了高 加工性、高耐熱性(高溫氧化性)兼優的鋼種RMH 1(15Cr 0 3Si 0 5Nb 1 6Mo)。具體的鋼種開發見表1。

            表1 近來新開發的汽車排氣系統用超純鐵素體不銹鋼   
            合金類型:409改進型  
               
            鋼種及成分/% : SUS409(0. 01C 0.01N 12Cr 0.6Nb ),   T466(11.5Cr 0.57Si 0.3Mn 0.009C 0.017N) 
                成分設計: SUS409L(11Cr 0.56Si LCN)、SUS410L(12Cr 0.53Si LCN)的基礎上加0 6%Nb和 0 2%Cu,并且增加Mn量至0. 7%。 采用Nb、Ti雙穩定化,m(Nb)∶m(Ti)=2∶1, 其中w(Nb)≥7w(C+N)。 
                性能特點:無晶間腐蝕傾向,400~800℃的高溫強度等同于18Cr鋼,其它性能等同或優于12Cr鋼。550~750℃的高溫強度明顯高于T409, 可行工作溫度比T409高50~100℃。  
            合金類型:429及改進型  
               鋼種及成分 /% :YUS450(14Cr 0.3Nb 0.1Ti 0.5Mo 0.01C 0.01N) ,R429EX(0.01C 14Cr 0.45Nb) ,   RMH 1(0.004C 15Cr 0.3Si 0.5Nb 1.6Mo) ,13Cr Si Mn 0.5Nb 0.01C 0.01N  
                成分設計:綜合考慮到高溫強度、耐鹽腐蝕、加工性能和制鋼成本, 在900℃下使用。以提高加工型為目的, 只加Nb不加Mo。 Mo即提高高溫強度又改善抗氧化性, 而Si僅提高抗氧化性。充分利用Mo減少Si含量,使R429和R444EX之間成分最優。Si改進抗氧化性, 0 .5%Nb提高高溫強度。改善SUS409L高溫強度不足的缺點, 降低SUS430JIL的合金成本。   
                性能特點:高溫強度,耐高溫鹽腐蝕、高溫熱疲勞性能、加工性能均優于  SUS430JIL(19Cr Nb Cu LCN),  950℃以下的抗氧化性能同SUS430JIL。 具有430EX(17Cr Nb LC)的高溫強度;加工性能高于430EX,接近409; 熱疲勞性為SUS430JIL的1 5倍以上, 抗氧化性優于SUS409。 具有R429EX鋼的加工性和R444EX的高耐熱性。與SUS430JIL同等的950℃高溫氧化性、900℃高溫強度、 200~900℃的熱疲勞壽命及加工性。  

            合金類型:444及改進型  

            鋼種及成分/% :YUS190EM(19Cr 2Mo 0.5Nb Ti) ,  R444EX(0.006C 19Cr 2Mo 0.56Nb) , NSSEM3(0.004~0.015)C 18Cr 1Mn 2.1Mo 0.65Nb0.2Cu,  NSSEM1(0.01C 19Cr 1Mn 0.5Nb 0.5Cu) 
                成分設計:19Cr保證了950℃的抗氧化性,較高的Nb、Mo和Ti保證了高溫組織穩定性和高溫強度以及較高的熱疲勞性能。保證950℃的耐實效性能,  比SUS430JIL高的高溫性能。加Nb、Mo改善800~1000℃的高溫強度,  Nb應加入0 .4%以上;  1%Mn保證氧化膜的致密性,  0. 2%Cu改善低溫韌性;赟US430JIL, 降低S≤0 .002%, 添加Mn、Nb、Cu, 開發摩托車排氣歧管用不銹鋼。     
                性能特點:能在950℃的超高溫下服役。高耐熱性。與430JIL相比,950℃高  溫特性達到其900℃高溫性能的水平,加工性、抗氧化性比其優越, 高溫  疲勞性為其2倍。具有優良的800~1000℃高溫強度和抗氧化性,良好的  加工性和韌性。1000℃的抗氧化性優于304鋼,使用溫度 ≥900℃。 

                超純鐵素體不銹鋼冶煉工藝

                  極低的C、N含量是超純鐵素體不銹鋼最顯著的特征,而深度脫碳和脫氮也成為超純鐵素體不銹鋼冶煉的核心技術所在。

            目前,國內外許多學者認為超純鐵素體不銹鋼的冶煉要采用電弧爐+(AOD、K OBM、MRP)脫碳+(VOD、SS VOD、VOD PB、 RH OB、RHKTB)真空精煉三步法工藝。因為兩步法(初煉爐+二次精煉)中的AOD在大氣壓下冶煉,存在著低碳范圍內的脫碳問題,不利于經濟地生產 超低碳氮不銹鋼。但是太鋼曾用兩步法(AOD)冶煉鐵素體不銹鋼,其中C、N含量的情況見表2。

                表2 AOD冶煉超純鐵素體不銹鋼中的C、N含量/10-6

            元素

            11%~13%Cr鋼

            16%~18%Cr鋼

             

            典型

            最好

            典型

            最好

            C

            70

            30

            70-100

            50

            N

            80-100

            60

            100-130

            70

            國內外三步法冶煉超純鐵素體不銹鋼的工藝路線中,VOD及其延伸工藝如SS VOD、VOD PB, 給AOD加上真空功能的VCR等精煉設備,在 超純鐵素體不銹鋼的冶煉過程中發揮著重要作用。不論設備上是采用真空、強攪拌、還是噴吹氧化劑,它們都是通過改善低碳區脫碳的動力學條件,在深脫碳的同時 促進脫氮的進行。

                SS VOD法是在吹煉的第1階段進行通常的VOD操作,在[C]≤0.01%的第2階段提高真空度,吹氬進行強攪拌促進脫碳和脫氮的方 法。傳統VOD法的降碳、氮效果均以0.005%(甚至0.01%)為界,而SS VOD法采用多個包底透氣磚或者是Φ2~4mm不銹鋼管吹氬,氬氣流量 可由40~150L/min增大到1200~2700L/min。日本川崎西宮廠用50tSS VOD設備精煉17%Cr鐵素體不銹鋼時,底吹氬流量達 1000L/min(常規VOD為100~300L/min),生產出了[C+N]≤100×10-6的超高純鐵素體不銹鋼。

            VOD PB法是日本住友金屬公司開發的,是在真空精煉過程中利用噴槍向鋼水表面噴吹鐵礦石、錳礦石等氧化劑,可在高碳區促進脫氮反應,在低碳區促進脫碳。用此法冶煉19%Cr和29%Cr鐵素體不銹鋼時,鋼中[C+N]分別達到37×10-6、60×10-6。

            VCR(VacuumConverterRefiner)法是基于AOD法在大氣壓下深脫碳受到限制而發展起來的,1991年日本大同特殊鋼公司利 用AOD VCR工藝生產了13%Cr和20%Cr鐵素體不銹鋼,鋼中氮含量可分別達到(20~40)×10-6和(70~90)×10-6的極低水平。 該工藝的實質就是給AOD精煉爐加上真空設備。它充分利用AOD的強攪拌和VCR的真空技術,在低碳范圍內改善脫碳效率。在精煉過程中,當 [C]≥0.10%時,通常與AOD法相同,利用稀釋氣體(Ar或N2)進行脫碳;當[C]≤0.10%時,利用真空進行脫碳,真空度在 (10~50)×133Pa。實際操作表明:低碳區的表觀脫碳速度常數,VCR法是AOD法的2倍,況且用VCR法不需要高真空度,在較短的時間內(一般 處理時間為10~20min),能夠使終點碳達到較低值。

                綜合比較這3種精煉法的效果見表3。在VOD冶煉結束時,[N]有相當大的回升。所以,除了加強深脫碳、脫氮外,還要強調密封,防止吸N2。

               表3 不同精煉工藝冶煉超純鐵素體不銹鋼中C、N含量和主要效果

            工藝

            主要效果

            高純化水平(18Cr)/10-6

            能力

            成本

            純度

            [C]

            [N]

            [C+N]

            VOD

            SS VOD

             

             

            ≤20

            ≤50

            ≤70

            VOD PB

             

             

            32

            48

            80

            AOD

            VCR

            20

            60-80

            80-100

                   現代鐵素體不銹鋼,尤其是超純鐵素體不銹鋼,由于具有合金含量低,耐氯化物應力腐蝕性好等優點,是節鎳鋼種的理想選擇。我國生產的不 銹鋼以奧氏體系列為主,鐵素體系列產量很低,而且品種結構單一,主要是430系列,應大力發展鐵素體系列不銹鋼。高真空、強攪拌和噴吹氧化劑是超純鐵素體 不銹鋼冶煉的有效措施

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