超纯铁素体不锈钢管具有优良的性能,因此得到了广泛的应用。主要介绍了超纯铁素体不锈钢管中合金元素的作用以及其脱氧精炼方法,分析了其生产工艺和性能,最后对超纯不锈钢管的发展做了展望。

近年来,废钢和镍的价格急剧上涨,严重影响了奥氏体不锈钢管的生产。与奥氏体不锈钢管相比,铁素体不锈钢管不含镍或含有少量镍,因此冶炼成本低,具有广阔的应用前景和发展空间。铁素体不锈钢管的含铬量为11%-30%,具有体心立方晶体结构,在使用状态下组织结构以铁素体为主。铁素体不锈钢管不仅具有良好的耐腐蚀性和不锈性,而且具有优良的耐氯化物应力腐蚀、耐缝隙腐蚀以及耐海水局部腐烛性能"。但是传统的铁素体不锈钢管也存在着一些缺陷,例如脆性转变温度高、加工性能差、焊接性能差以及因本身掺杂杂质导致韧性低和酸洗技术不过关等2,随着铁素体不锈钢管冶炼技术的不断发展,可以把CN含量降到很低,当碳、氮含量降到极低水平后,再加入Ti.NbCuAl微量元素即可得超纯铁素体不锈钢管,超纯铁素体不锈钢管是现代铁素体不锈钢管的发展方向。

超纯铁素体不锈钢管具有许多优点,因此应用广泛。新型超纯铁素体不锈钢管具有成本低、强度高的优点,能够满足高温强度和抗氧化性要求,因此可在汽车行业中用于消声器和排气系统,近年发展的409型、430型铁素体不锈钢管成为排气系统的首选材料;因其具有耐蚀性、加工性、耐污性、抗菌性以及美观性可以用于厨房用具以及家用电器;在建筑行业中可用于建筑围护结构的屋面与墙面系统,在海风侵蚀的条件下可用于大型建筑物的屋面及幕墙,这样可以在严酷环境下长期使用,性价比高问。

1合金元素在超纯铁素体不锈钢管中的应用

1.1耐蚀性元素

铬和钼是提高超纯铁素体不锈钢管耐蚀性的主要元素,其中铬是使不锈钢管取得耐蚀性的根本元素,当钢中含铬量到达1.2%左右时,铬与腐蚀介质中的氧效果,在钢外表构成一层很薄的氧化膜(自钝化膜),可阻碍钢的基体进一步腐蚀。研究表明,铬原子还可以通过阻止一些滑移体系来提高超纯铁素体不锈钢管的塑性应变比,从而提高其深冲性能。除铬外,常用的合金元素还有钥。实验证明,钼可以抑制铁素体不锈钢管的点蚀"。含钼超纯铁素体不锈钢管大多应用于太阳能热水器行业和电热水器行业,其在氯离子水介质环境中,具有良好耐点蚀及应力腐蚀性能1。另外,Cu也可以提高超纯铁素体不锈钢管的耐蚀性。

刘继明等人四通过实验研究表明,把Cu加入到22Cr-0.5Nb铁素体不锈钢管中,Cu可以溶解沉淀在腐蚀表面从而抑制阳极分解达到抗腐蚀的目的;将Cu加入到18Cr-2Mo铁素体不锈钢管中,溶解的可以在不锈钢管表面还原富集,降低铁素体不锈钢管的活性溶解度以达到抗腐蚀作用。

1.2 间隙元素

碳和氮是超纯铁素体不锈钢管的间隙元素,其在铁素体中的溶解度很低,过剩的碳和氮以碳化物和氮化物的形式析出,同时会造成铁素体不锈钢管的晶间腐蚀和晶界贫铬,影响其低温冲击韧性、缺口敏感性和焊接等性能。陈兆平等人(开发了VOD治炼超纯铁素体不锈钢管脱碳脱氮模型,可模拟VOD的脱氮过程,并定性地得出脱氮过程伴随着脱碳过程,脱碳量越大,脱氮效果越好。邹勇等人12研究了VOD精炼工艺参数对超纯铁素体不锈钢管脱碳速度和终点碳含量的影响,结果表明提高冶炼温度、增加吹氧流量和吹氩流量、降低氧枪的供氧压力和枪位有利于提高脱碳速度,获得更低的终点碳含量。

1.3稳定化元素

铌、钛是超纯铁素体不锈钢管中常用的稳定化元素,能与钢中碳、氮结合生成碳、氮化物,抑制铬的碳、氮化物的形成,从而提高铁素体不锈钢管耐晶间腐蚀性能,并且固溶铌是提高超纯铁素体不锈钢管初始高温强度的关键,张驰等人(1)通过真空感应炉浇注实验和热力学软件分析研究了铌、钛稳定化元素对超纯铁素体不锈钢管凝固组织影响元素。结果表明,添加铌、钛稳定化元素后钢的结晶区间变宽,结晶区间的增加有利于凝固组织中等轴晶的形成。刘静等人(10通过实验研究及热力学计算得出银和钛的加入可以提高超纯11%Cr铁素体不锈钢管的铸态等轴晶比例并细化晶粒,改善其性能。

2超纯铁素体不锈钢管的生产工艺

2.1冶炼工艺

般情况下超纯铁素体不锈钢管的冶炼工艺可分为两步法和三步法。两步法为初炼炉+二次精炼,三步法为电弧炉+AOD.K-OBMMRP)脱碳+VOD SS-VODVOD-PBRH-OBRHKTB)真空精炼1。其中两步法具有效率高,经济方便,并且可以与连铸配合使用的优点,但也存在着耐火材料寿命低,低碳区进一步脱碳困难等问题,造成冶炼超纯铁素体不锈钢管成本增高;三步法产品夹杂物含量低,可以大幅度提高钢质的纯净度,可用于生产超纯铁素体不锈钢管,但因为增加了精炼设备也会导致成本上升1)。每个企业的具体条件不同,应采用符合自身条件的冶炼工艺。例如太钢结合自身不锈钢管废钢资源紧张的特点,确定了以铁水为主要原料的生产路线:预处理铁水+UHP电弧炉预熔合金K-OBM-S复吹转炉冶炼VOD精炼+LF精炼立弯式方板坯连铸机,取得了显著效果和巨大的社会效益

2.2精炼工艺

炉外精炼的内容包括脱氧,去杂质,调整钢液成分和温度等。超纯铁素体不锈钢管的脱氧精炼主要采用硅铝复合脱氧,这种脱氧方法与纯铝脱氧相比效果基本相同,但是其所形成的脱氧产物具有数量少、尺寸小的优点,尤其是当复合脱氧剂中含有一定量的Al时,可以形成Cao含量高、熔点低的钙长石类夹杂物,这类夹杂物更容易上浮并且被渣吸收,从钢液中去除。另外,硅铝复合脱氧的方法还能间接达到节约铝资源的目的20陈兆平等人(21对超纯铁素体不锈钢管的硅铝复合脱氧的热力学分析表明夹杂物与钢液反应达到平衡条件下,钢液氧含量脱到50x105以下,会形成不同的夹杂物。

超纯铁素体不锈钢管中夹杂物主要包括脱氧产,钛合金化后生成的复合夹杂物以及在钢液凝固过程中析出细小的析出物,钙处理后的球形的复合氧化物20超纯铁素体不锈钢管中夹杂物影响着其冶炼效果,连铸顺行和最终产品的性能和使用。因此,研究其成分、形貌、尺寸分布以及形成机理有重要意义。超纯铁素体不锈钢管的脱氧精炼与夹杂物控制十分重要,同时对于超纯铁素体不锈钢管来说,极低的碳、氮含量是超纯铁素体不锈钢管的最明显的特征,并且可以改善其性能,因此深度脱碳和脱氮是冶炼超纯铁素体不锈钢管的核心技术。由于其含有的较高的铬元素及钼元素会降低钢液中碳、氮的活度,因此会使超纯铁素体不锈钢管脱碳和脱氮变得更加困难

随着冶金工艺技术的不断进步发展,AODVOD等炉外精炼技术在出现后不断改进和创新,出现了SS-VOD AOD-VCRVOD-PB等延伸T艺,可以提高超纯铁素体不锈钢管的脱碳脱氮能力,并且可以降低成本。无论采用哪种设备,它们都可以改善低碳区进一步脱碳的问题,同时进行深脱碳和深脱氮。

VODVacuum Oxygen Decarburization)法是20世纪60年代由德国开发研究并投入使用的。VOD精炼设备主要由真空罐、氧机、抽气管道以及合金加料等系统构成,具体如图124

VOD法首先通过氧枪吹入纯氧,并采用高枪位和低真空度工艺以减少喷溅。同时由钢包底部的透气砖吹入惰性气体来降低CO的分压从而实现脱碳过程。碳脱至临近终点时,停止吹氧并加强底吹氩的搅拌强度来利用真空氧脱碳,最后加入还原剂和Cao、进行造渣脱硫VOD精炼装置是通过降低系统真空度的方法来实现脱碳的目的,在较低温度下即可得到低含碳量,同时还可以脱氮,因此适合生产低碳及低氮不锈钢管,但不适合冶炼超纯铁素体不锈钢管。

3超纯铁素体不锈钢管的性能研究

超纯铁素体不锈钢管的性能决定着其使用价值,因此很多人对其进行了研究。

刘海涛等人对一种超低碳、氮、铌、钛复合稳定化的铁素体不锈钢管的组织、织构及深拉伸性能进行了研究,重点为冷轧压下率对冷轧、再结晶织构的影响。结果显示,当终轧温度为750℃时,热轧带退火后以1111结品织构为主。随着冷轧压下量的增加,y织构减弱,a织构增强,111再结晶织构明显增强。当冷轧压下率为84%时,111再结晶组分的体积分数达到64.5%,退火板的平均塑性应变比高达1.69,平面各向异性仅为-0.17,深拉伸性能优良。

谷宇等人[27在超纯铁素体不锈钢管热疲劳性能的研究中模拟发动机工况,研究室温到1000℃条件下不同超纯铁素体不锈钢管的热疲劳性能。实验通过将3种不同牌号的不锈钢管放入1000℃加热炉保温3 min,然后室温冷却并保持0.5 min,循环到一定次数后利用显微镜观察试样表面的裂纹长度,取其平均值。结果表明不同的不锈钢管具有不同的抗疲劳性能,对于性能好的超纯铁素体不锈钢管薄弱部位先产生裂纹,在裂纹产生的部位随着铁的氧化物的剥落,形成致密氧化物,抑制裂纹扩展。此外,高温下形成的析出物也会钉扎在裂纹附近,阻碍裂纹的进一步扩展。

李曾超等人超纯铁素体不锈钢管退火工艺的研究中,通过单一变量法,采用透射电镜和光学显微镜就超纯铁素体不锈钢管在不同退火工艺条件下的再结晶过程进行了研究。退火工艺对晶粒尺寸有着重要影响,结果表明,晶界处铌钛碳的析出相是决定其再结晶过程的重要因素,退火时间影响晶粒尺寸的大小,随着退火时间的增长晶粒尺寸增大;退火温度影响晶粒尺寸的增长,随着退火温度的升高品粒会快速生长。

任贤霖等人在纯铁素体不锈钢管热轧生产控制方法中提到超纯铁素体不锈钢管热轧板的主要质量问题为边部翘皮、氧化铁皮咬入、山形鳞状折叠等。由于超纯铁素体不锈钢管板坏宽度控制困难,因此对热轧的宽度控制、边部狭缝以及边裂的控制等提出较高要求。不锈钢管连铸板坏必须进行全修磨,去除板坯表面的夹杂物以及微裂纹,提高轧制合格率。板坏修磨后应尽快装进保温炉,并尽快轧制。应采用混合轧制,选择能形成均匀富铬氧化膜的温度范围,采用较小道次压下率及高速轧辊等。

4超纯铁素体不锈钢管的发展趋势

超纯铁素体不锈钢管性能优良,深受市场欢迎,具有很大的发展空间。目前,超纯铁素体不锈钢管的治炼及精炼方法很多,但都有一定的不容易克服的缺点,还不能够做到低成本、大批量生产超纯铁素体不锈钢管。各国冶金工作者应继续展开更深入的研究,开发新工艺解决生产问题,找到最合适的生产方法,使未来超纯铁素体不锈钢管得到更优良的性能,取得更大的进步和发展。