00Cr20Ni20Si6高硅不銹鋼無縫管的研制過程

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過對合金元素在不銹鋼中的作用的分析，設(shè)計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、短流程的無縫管生產(chǎn)工藝，成功制備出成材率90%以上的00Cr20Ni20Si6不銹鋼無縫管材。與傳統(tǒng)高硅不銹鋼相比，新鋼種的使用范圍更為廣泛。該無縫管材不僅室溫強度高出傳統(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，因腐蝕問題嚴重而不能繼續(xù)適應(yīng)新的使用環(huán)境，因此開發(fā)一種高性能的耐蝕合金來滿足工業(yè)要求變得極為迫切。在此方面國外在20世紀70年代末最先開發(fā)的產(chǎn)品包括鎳基Lewmet合金、Hastelloy合金，以及后來為節(jié)約成本而開發(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，我國于20世紀80年代末開發(fā)的SS920合金、W4合金、HD系列、FS系列以及DS系列合金，其使用性能均已達到國際先進水平。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)有限公司通過對合金元素作用的分析設(shè)計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，最后對其力學(xué)及耐蝕性能與現(xiàn)有高硅不銹鋼材料做出對比分析。

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空氣錘上開坯，進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入40mm熱穿孔機穿孔獲得管坯；管坯在進行酸洗后在LD30兩輥冷軋機上進行兩道次成型，獲得的中間管坯在保護氣氛爐中進行退火處理后，直接進入LG30三輥冷軋機軋制成型，最終獲得成品不銹鋼無縫管材。

二、不銹鋼無縫管制備工藝過程

 1. 00Cr20Ni20Si6合金材料的設(shè)計

  根據(jù)金屬材料在腐蝕介質(zhì)中的反應(yīng)機理可知，其耐蝕性優(yōu)劣主要取決于兩個因素：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)計合金的組成元素可以分為兩大類：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。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，加速腐蝕進行，使氧化膜失去穩(wěn)定性，因而過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)合鈍化作用又進一步增強了合金的鈍化能力[]。然而當硅含量較高時，會降低鋼的塑性，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)計合金硅為5.5%~6.5%。

  鎳對合金的耐蝕性影響不大，合金設(shè)計鎳的主要作用是維持鎳、鉻當量的平衡。高硅不銹鋼中鉻與鎳元素含量的設(shè)計與組成相之間關(guān)系如圖1所示。經(jīng)計算本設(shè)計合金鎳當量20.9%，鉻當量為30.7%，成分點落于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)量分數(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)計合金在考慮到濃硫酸及濃硝酸環(huán)境中同時可用的前提下，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，同時提高鉻和硅元素的含量。

  合金元素確定后，為了使合金達到預(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。圖中橫坐標是合金元素當量，由公式可知，對耐蝕性貢獻最大是硅，其次是鉻，再次是鎳。以本論文設(shè)計合金為例，帶入相應(yīng)的合金元素含量，計算可得設(shè)計合金的在150℃時、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制備出無缺陷的合格的不銹鋼無縫管管坯至關(guān)重要。設(shè)計的合金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，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年輥斜軋勻孔機進行，熱勻孔的工藝參數(shù)為：勻管用鉬頂頭，頂頭伸出量C=60mm，潤滑劑采用B2O3，勻孔機軋輥間距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)場生產(chǎn)試制記錄數(shù)據(jù)，1080℃是最佳的熱勻孔溫度，當高于此勻孔溫度，在1100℃條件下容易因過燒而導(dǎo)致管坯內(nèi)孔開裂。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

  冷軋前需對管坯進行酸洗去油處理，之后在LD30年輥軋機上獲得尺寸為35mm×4.5mm的中間管坯，冷軋伸長系數(shù)為1.99，軋制速度為1m/min。中間固溶處理在氬氣保護氣異下進行，減少一道酸洗工序，不繼縮短了工藝流程，而且減少了對環(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，保溫時間為20~30分鐘。固溶退僅后的中間管坯進入LG30三輥軋機，經(jīng)過年道次的冷軋變形，獲得所需的成品管坯，道次伸長系數(shù)分別為2.03和1.72，三輥軋機軋管速度為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；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，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 標準，溫度為120℃、變而分數(shù)節(jié)98%硫酸條件以下、腐蝕周期72小時，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后碩，系90℃、變而分數(shù)節(jié)98%硝主環(huán)境學(xué)，腐蝕周期24小時，合源用均勻腐蝕速板節(jié)0.53mm/a，按GB/T6461-2002料經(jīng)比評節(jié)一般耐蝕合源。合源用率效素述右水：與傳計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，比限滿足為硫主工其提有冷產(chǎn)及材用析開，同生也比制及系為硝主用條以下。