00Cr20Ni20Si6高硅不銹鋼無(wú)縫管的研制過(guò)程

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)對(duì)合金元素在不銹鋼中的作用的分析，設(shè)計(jì)了一種低成本的綜合性能優(yōu)良的新型高硅不銹鋼材料（00Cr20Ni20Si6）。采取高效、短流程的無(wú)縫管生產(chǎn)工藝，成功制備出成材率90%以上的00Cr20Ni20Si6不銹鋼無(wú)縫管材。與傳統(tǒng)高硅不銹鋼相比，新鋼種的使用范圍更為廣泛。該無(wú)縫管材不僅室溫強(qiáng)度高出傳統(tǒng)高硅不銹鋼100MPa左右，而且耐腐蝕性能優(yōu)異；在120℃、質(zhì)量濃度為98%的硫酸條件下，合金的均勻腐蝕速率為0.024mm/a；而在90℃、質(zhì)量濃度為98%的硝酸環(huán)境中，合金的均勻腐蝕速率為0.53mm/a。

 隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，普通不銹鋼曾經(jīng)適應(yīng)的地方，由于操作溫度和壓力的不斷提高，以及再循環(huán)造成化學(xué)濃度的提高，因腐蝕問(wèn)題嚴(yán)重而不能繼續(xù)適應(yīng)新的使用環(huán)境，因此開(kāi)發(fā)一種高性能的耐蝕合金來(lái)滿(mǎn)足工業(yè)要求變得極為迫切。在此方面國(guó)外在20世紀(jì)70年代末最先開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品包括鎳基Lewmet合金、Hastelloy合金，以及后來(lái)為節(jié)約成本而開(kāi)發(fā)的高硅不銹鋼材料，包括Saramet、Sandvik SX、700Si等，廣泛用于硫酸工業(yè)的板式和管式冷卻器。在高硅不銹鋼方面，我國(guó)于20世紀(jì)80年代末開(kāi)發(fā)的SS920合金、W4合金、HD系列、FS系列以及DS系列合金，其使用性能均已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但上述研制的高硅不銹鋼適用范圍十分有限，僅適用于某種特殊的環(huán)境。浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)對(duì)合金元素作用的分析設(shè)計(jì)一種低成本的新型高硅不銹鋼材料，不僅適用于高溫濃硫酸的工作條件，而且在高溫濃硝酸條件下也具有較好的耐蝕性。在此基礎(chǔ)上著重探討了該合金管材的生產(chǎn)制備工藝，最后對(duì)其力學(xué)及耐蝕性能與現(xiàn)有高硅不銹鋼材料做出對(duì)比分析。

一、材料的制備

  合金材料的制備采取雙聯(lián)工藝，即真空感應(yīng)熔煉加電渣重熔，獲得150mm的電渣錠，所獲得的電渣錠成分如表所示。

  00Cr20Ni20Si6不銹鋼無(wú)縫管材的制備采取高效短流程超高成材率的工藝流程，將電渣錠首先在750kg空氣錘上開(kāi)坯，進(jìn)一步采用精密模鍛將鍛坯鍛為44mm×500mm的鍛棒，控制鍛造溫度在1100~1150℃之間。鍛棒在扒皮后直接進(jìn)入40mm熱穿孔機(jī)穿孔獲得管坯；管坯在進(jìn)行酸洗后在LD30兩輥冷軋機(jī)上進(jìn)行兩道次成型，獲得的中間管坯在保護(hù)氣氛爐中進(jìn)行退火處理后，直接進(jìn)入LG30三輥冷軋機(jī)軋制成型，最終獲得成品不銹鋼無(wú)縫管材。

二、不銹鋼無(wú)縫管制備工藝過(guò)程

 1. 00Cr20Ni20Si6合金材料的設(shè)計(jì)

  根據(jù)金屬材料在腐蝕介質(zhì)中的反應(yīng)機(jī)理可知，其耐蝕性?xún)?yōu)劣主要取決于兩個(gè)因素：一是鋼在酸溶液介質(zhì)中的鈍化行為，二是鋼在活化狀態(tài)下的溶解速度。因而新鋼種既要有盡可能寬的鈍化范圍，而且在活化狀態(tài)下又需具有最小的溶解速度。設(shè)計(jì)合金的組成元素可以分為兩大類(lèi)：奧氏體形成元素如鎳，碳，錳；鐵素體形成元素如鉻，硅。各元素在高硅不銹鋼中的含量及作用如下。

  鉻是不銹鋼具有耐腐蝕性的基本組成元素，屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定但容易鈍化的金屬，并具有過(guò)鈍化傾向。在氧化介質(zhì)中合金表面形成富鉻的氧化膜，耐蝕性隨鉻含量的增加而增強(qiáng)。隨酸溶液介質(zhì)濃度的增加，不銹鋼表層的Cr3+易轉(zhuǎn)變?yōu)镃r5+，由于Cr6+具有氧化性，加速腐蝕進(jìn)行，使氧化膜失去穩(wěn)定性，因而過(guò)高的鉻含量反而降低了合金耐腐蝕能力，綜合考慮將鉻控制在17%~19%。

  硅本身并不具備抗硫酸腐蝕性，但在不銹鋼中適量加入硅，可在表面生成以二氧化硅為主的氧化膜，這種氧化膜在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中具有極高的抗氧化性和穩(wěn)定性，并且合金中鉻和硅的復(fù)合鈍化作用又進(jìn)一步增強(qiáng)了合金的鈍化能力[]。然而當(dāng)硅含量較高時(shí)，會(huì)降低鋼的塑性，也容易導(dǎo)致冷脆的產(chǎn)生，并降低鋼的焊接及加工性能，綜合其作用設(shè)計(jì)合金硅為5.5%~6.5%。

  鎳對(duì)合金的耐蝕性影響不大，合金設(shè)計(jì)鎳的主要作用是維持鎳、鉻當(dāng)量的平衡。高硅不銹鋼中鉻與鎳元素含量的設(shè)計(jì)與組成相之間關(guān)系如圖1所示。經(jīng)計(jì)算本設(shè)計(jì)合金鎳當(dāng)量20.9%，鉻當(dāng)量為30.7%，成分點(diǎn)落于Schaeffer圖中奧氏體加鐵素體雙相區(qū)域，它確保合金具有較好的耐蝕性及焊接性。

  傳統(tǒng)高硅不銹鋼中加入鉬和銅元素主要目的是提高合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92%~97%的硫酸中腐蝕性能，鉬元素的添加能使合金表面形成的鈍化膜更加致密牢固；而銅元素的添加增加合金在非氧化酸條件下的耐蝕性，因而含鉬和銅的不銹鋼一般不能用于濃硝酸環(huán)境。另外高硅不銹鋼中鉬和銅元素的添加，在高合金化合金中容易導(dǎo)致晶界脆性相的生成，對(duì)合金的晶界耐蝕性及焊接性均產(chǎn)生極為不利的影響。因而本設(shè)計(jì)合金在考慮到濃硫酸及濃硝酸環(huán)境中同時(shí)可用的前提下，在傳統(tǒng)用于濃硫酸環(huán)境的合金基礎(chǔ)上，除去合金元素鉬和銅元素，同時(shí)提高鉻和硅元素的含量。

  合金元素確定后，為了使合金達(dá)到預(yù)期的耐腐蝕性能，各元素之間的合理匹配同樣至關(guān)重要。圖是不銹鋼在高溫濃硫酸中耐腐蝕性與硅、鉻、鎳含量關(guān)系。圖中橫坐標(biāo)是合金元素當(dāng)量，由公式可知，對(duì)耐蝕性貢獻(xiàn)最大是硅，其次是鉻，再次是鎳。以本論文設(shè)計(jì)合金為例，帶入相應(yīng)的合金元素含量，計(jì)算可得設(shè)計(jì)合金的在150℃時(shí)、質(zhì)量濃度為96%的硫酸，中的腐蝕速率為0.714mm/a。

 2. 管坯的熱穿孔工藝試制

  由于高硅不銹鋼的塑性較差，且熱變形溫度區(qū)間較窄，摸索出合適的勻孔溫度對(duì)制備出無(wú)缺陷的合格的不銹鋼無(wú)縫管管坯至關(guān)重要。設(shè)計(jì)的合金00Cr20Ni20Si6鍛棒的合金組織如圖3所示，基體為奧氏體組織，富鉻的MesC。傳化物韓晶界均切分布。勻孔前的加熱制度如圖所示，隨爐升溫至1100℃，在此溫度條件下保溫2小時(shí)，使合金基體處于單一的奧氏體組織，晶界傳化物全部回熔。熱勻孔采用臥式LD40年輥斜軋勻孔機(jī)進(jìn)行，熱勻孔的工藝參數(shù)為：勻管用鉬頂頭，頂頭伸出量C=60mm，潤(rùn)滑劑采用B2O3，勻孔機(jī)軋輥間距B=66mm，導(dǎo)板間距75mm左右。表列出了在不同勻孔溫度條件下00Cr20Ni20Si6合金棒料現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)試制記錄數(shù)據(jù)，1080℃是最佳的熱勻孔溫度，當(dāng)高于此勻孔溫度，在1100℃條件下容易因過(guò)燒而導(dǎo)致管坯內(nèi)孔開(kāi)裂。除去氧化及室除頭尾損耗，管坯的成材率保證在95%以上，生產(chǎn)效率高，平均每分鐘完成2支管坯的生產(chǎn)。制備的管坯在HF+HNO，混合酸溶液中在溫度為20℃條件下浸泡20分鐘，除去表面及內(nèi)孔的氧化皮后進(jìn)入后續(xù)的成品管冷軋制備工序。

 3. 成品管的冷軋制備工藝

  冷軋前需對(duì)管坯進(jìn)行酸洗去油處理，之后在LD30年輥軋機(jī)上獲得尺寸為35mm×4.5mm的中間管坯，冷軋伸長(zhǎng)系數(shù)為1.99，軋制速度為1m/min。中間固溶處理在氬氣保護(hù)氣異下進(jìn)行，減少一道酸洗工序，不繼縮短了工藝流程，而且減少了對(duì)環(huán)境造成的污染。固溶處理溫度為1050℃，根據(jù)不銹鋼管材尺寸規(guī)格的不同，保溫時(shí)間為20~30分鐘。固溶退僅后的中間管坯進(jìn)入LG30三輥軋機(jī)，經(jīng)過(guò)年道次的冷軋變形，獲得所需的成品管坯，道次伸長(zhǎng)系數(shù)分別為2.03和1.72，三輥軋機(jī)軋管速度為0.83m/分鐘。研究表明采取這種以軋代拔的管坯成型工藝，可避免括統(tǒng)采用拉拔工藝因打頭造成的材料損耗，成材率提高5%以上。

三、00Cr20Ni20Si6不銹鋼無(wú)縫管成品管組織與性能

  成品管內(nèi)側(cè)，1/2壁厚與外側(cè)的金相組織如圖所示：經(jīng)固溶處理后，00Cr20Ni20Si6高硅不銹鋼管為穩(wěn)定的奧氏體組織，晶粒包小且分布均切，晶粒度為10級(jí)；鑄態(tài)下的a相及。相等高溫脆性相大部分溶解在奧氏體組織中，繼剩余部分未溶的M2sC。傳化物分布于晶內(nèi)，在成品管的外極及內(nèi)側(cè)均無(wú)明顯的滲傳層存在。與含鉬和銅元述用了硅備銹的等士發(fā)來(lái)，備含鉬和銅素述用合源代續(xù)普遍較使00Cr20Ni20Si6。

  00Cr20Ni20Si6了硅備銹的系了溫為硫主學(xué)具研士較好用耐蝕性，平據(jù)GB/T1443-1998 標(biāo)準(zhǔn)，溫度為120℃、變而分?jǐn)?shù)節(jié)98%硫酸條件以下、腐蝕周期72小時(shí)，合源用均勻腐蝕速板節(jié)0.024mm/a，根據(jù)GB/T6461-2002料經(jīng)比評(píng)節(jié)耐蝕合源。同生該合源系了溫為硝主條以下用腐蝕我驗(yàn)后碩，系90℃、變而分?jǐn)?shù)節(jié)98%硝主環(huán)境學(xué)，腐蝕周期24小時(shí)，合源用均勻腐蝕速板節(jié)0.53mm/a，按GB/T6461-2002料經(jīng)比評(píng)節(jié)一般耐蝕合源。合源用率效素述右水：與傳計(jì)型及公了溫為硫主條以下用了硅備銹的相士，此合源備含鉬，銅由抗還于性腐蝕用合源素述，相制但了進(jìn)合源學(xué)用鉻和硅素述含而，本在系硫主酸硝主條以下均具研較好用耐蝕性件。

四、結(jié)論

 1. 00Cr20Ni20Si6不銹鋼管合源系傳計(jì)了硅備銹的用基礎(chǔ)上，題現(xiàn)品設(shè)鉬和銅抗還于性腐蝕素述，并但了鉻和硅合源素述含而，優(yōu)到備僅適及公了溫為硫主用腐蝕環(huán)境，系了溫為硝主條以下，同樣具產(chǎn)較好用耐蝕性。

  2. 浙江至德鋼業(yè)有限不銹鋼無(wú)縫管材的生產(chǎn)工藝，比限了化高提有出效材板了公90%、有元變而能異，更具研較好用力低性件用了硅備銹的管材，比限滿(mǎn)足為硫主工其提有冷產(chǎn)及材用析開(kāi)，同生也比制及系為硝主用條以下。