高端裝備用雙相不銹鋼無縫鋼管系列關(guān)鍵工藝技術(shù)開發(fā)及工程應(yīng)用 

一、研究的背景與問題

雙相不銹鋼是我國國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)不可或缺的重要鋼類,油氣輸送、海洋工程及船舶、石油煉化、環(huán)保工程等高端裝備對雙相不銹鋼無縫管耐腐蝕性能和低溫沖擊韌性等關(guān)系到材料及裝備安全和壽命的重要指標(biāo)提出高的要求。

雙相不銹鋼高鉻、高鉬、含氮成分和雙相組織特點,在賦予其較高屈服強(qiáng)度和優(yōu)良耐腐蝕性能的同時,也帶來兩相組織易失調(diào)、熱加工成型困難、低溫沖擊韌性差等問題,以φ≥450mm規(guī)格無縫管為代表的高端大口徑雙相不銹鋼管材長期依賴進(jìn)口。

國內(nèi)大口徑雙相不銹鋼荒管和成品管材組織控制難、性能一致性差、熱加工裝備生產(chǎn)能力不足,以及雙相不銹鋼無縫管傳統(tǒng)制備工藝流程長、成材率低是國內(nèi)雙相不銹鋼無縫管生產(chǎn)面臨的主要困難,成為嚴(yán)重制約我國高端裝備用不銹鋼發(fā)展的瓶頸。

鋼鐵研究總院、江蘇武進(jìn)不銹股份有限公司和山西太鋼不銹鋼股份有限公司組成的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊,依托國家轉(zhuǎn)型升級強(qiáng)基工程項目,歷經(jīng)十二年,從系列雙相不銹鋼鋼種設(shè)計和開發(fā)、冶煉、熱穿孔荒管制備、成品管材軋制熱處理等方面進(jìn)行工藝和技術(shù)研發(fā),針對高端裝備用雙相不銹鋼無縫管所提出的更高耐點腐蝕性能、低溫沖擊韌性要求以及高性能大口徑雙相不銹鋼冷軋管材國內(nèi)無法生產(chǎn)的“瓶頸”問題,突破了高端裝備用雙相不銹鋼“兩相平衡設(shè)計-高純凈度冶煉及澆注-熱穿孔-冷軋-均溫快冷熱處理”全流程組織控制技術(shù),集成了大規(guī)格管坯、大口徑荒管和成品管制造核心裝備,并實現(xiàn)了高品質(zhì)雙相不銹鋼系列無縫鋼管的規(guī)模化生產(chǎn)及應(yīng)用。該技術(shù)思路線如下:

1.提出了系列雙相不銹鋼鋼種的相比例與點蝕因子的平衡設(shè)計準(zhǔn)則,開發(fā)了S32205、S32750等典型鋼種的管坯制備技術(shù),包括低氧控制(全氧含量≤25ppm)、中心縮孔消除及窄溫度區(qū)間鍛造等。

針對雙相不銹鋼兩相比例、兩相PREN值易失調(diào)的問題,通過兩相比例平衡準(zhǔn)則和Cr當(dāng)量、Ni當(dāng)量修正系數(shù)的確立,有效提高了雙相不銹鋼的組織預(yù)測準(zhǔn)確性;通過兩相PREN值平衡準(zhǔn)則的確立,實現(xiàn)了基于N元素的兩相PREN值平衡有效控制方法,并結(jié)合成分控制獲得系列雙相不銹鋼高耐蝕性能所需的精準(zhǔn)等溫控制工藝。

針對國產(chǎn)雙相不銹鋼鋼錠氧含量高、純凈度低、有害夾雜物含量高的問題,開發(fā)了“以Al強(qiáng)化脫氧為核心”的高純凈度冶煉技術(shù),實現(xiàn)系列雙相不銹鋼鋼錠全氧含量≤25ppm;在此基礎(chǔ)上集成開發(fā)了高鋁堿性精煉渣系+高效鈣處理+弱氬氣攪拌工藝,并實現(xiàn)系列雙相不銹鋼低A12O3夾雜含量和Al2O3夾雜改性控制。

針對大規(guī)格雙相不銹鋼鋼錠澆注及冷卻過程中易形成中心縮孔的問題,優(yōu)化了澆鑄溫度和澆鑄減流工藝,實現(xiàn)了φ200~φ432mm規(guī)格雙相不銹鋼管坯無中心縮孔澆鑄。

針對雙相不銹鋼鍛造過程中熱塑性差和組織易粗化的問題,實現(xiàn)了鍛造溫度窄范圍控制,獲得了無析出、組織細(xì)小的雙相不銹鋼高質(zhì)量管坯。

2.發(fā)現(xiàn)了典型雙相不銹鋼熱穿孔敏感溫度區(qū)間,開發(fā)了變形溫度-轉(zhuǎn)速協(xié)同控制技術(shù),自主集成了系列組距熱穿孔裝備,能夠生產(chǎn)最大規(guī)格為φ720mm雙相不銹鋼荒管,一次穿孔的φ610mm雙相不銹鋼荒管屬世界最大并實現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。

針對大口徑雙相不銹鋼管材熱穿孔加工抗力大、塑性差的問題,通過熱扭轉(zhuǎn)模擬熱穿孔變形系列對比試驗,發(fā)現(xiàn)了雙相不銹鋼的熱扭轉(zhuǎn)峰值應(yīng)力-溫度敏感性特性,以及N元素降低熱扭轉(zhuǎn)塑性的機(jī)制,制定了雙相不銹鋼N元素和熱穿孔溫度內(nèi)控區(qū)間。

針對雙相不銹鋼熱穿孔實心坯熱成形至空心荒管階段的熱塑性差、易開裂的問題,在窄區(qū)間穿孔溫度控制的基礎(chǔ)上,通過大碾角斜軋熱穿孔應(yīng)力應(yīng)變場和溫度場和頂頭穿孔過程中溫度場變化分布特征研究,開發(fā)了溫度-轉(zhuǎn)速匹配的雙相不銹鋼荒管熱穿孔工藝技術(shù),并結(jié)合管坯加熱工藝的改進(jìn),開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的斜底式加熱爐,實現(xiàn)雙相不銹鋼加熱溫升工藝精控;針對大口徑雙相不銹鋼熱穿孔溫度制度復(fù)雜的問題和單道/二次穿孔成型的要求,自主集成了大碾角斜軋熱穿孔機(jī)組、管材推管機(jī)、快速輸送裝置、冷卻系統(tǒng)等組成的短流程熱穿孔產(chǎn)線、集成裝備及技術(shù),實現(xiàn)坯料快送和料溫控制。

利用以上熱穿孔工藝技術(shù)及φ55mm～φ720mm組距熱穿孔裝備集成開發(fā),有效提升了大碾角斜軋熱穿孔機(jī)組裝備使用效率,并實現(xiàn)了φ610mm世界最大規(guī)格雙相不銹鋼荒管制備。

3.開發(fā)了“保溫-均勻加熱-快速冷卻”雙相不銹鋼窄窗口冷軋工藝技術(shù),利用獨創(chuàng)的大口徑管材固溶、冷卻裝備,生產(chǎn)了世界最大規(guī)格φ610mm雙相不銹鋼冷軋管材,全系列雙相不銹鋼無縫管的點腐蝕率≤3.5mdd、-46℃沖擊功KV≥100J。

針對雙相不銹鋼冷軋易出現(xiàn)裂紋的問題,發(fā)現(xiàn)了雙相不銹鋼相尺寸粗化規(guī)律、冷加工硬化及軟化規(guī)律,建立了“雙相不銹鋼鋼種-高溫中間退火熱處理-變形量及分配”的關(guān)系,開發(fā)了大口徑雙相不銹鋼無縫管冷變形調(diào)控關(guān)鍵工藝。

針對雙相不銹鋼成品管材力學(xué)性能不穩(wěn)定、易脆斷、耐蝕性能不足的問題,通過開展“熱處理工藝對雙相不銹鋼相組成、相比例及室溫力學(xué)性能影響的研究”、“雙相不銹鋼管材低溫沖擊韌性控制技術(shù)研究”,確定了無有害相析出、兩相平衡的高沖擊韌性、高耐點腐蝕性能的雙相不銹鋼成品管材開發(fā)準(zhǔn)則。利用溫度均勻、冷卻快速的雙相不銹鋼管材固溶熱處理工藝與集成技術(shù),制定了針對不同口徑雙相不銹鋼管材的不同形式、不同參數(shù)固溶處理工藝方法,實現(xiàn)了φ610mm雙相不銹鋼管材均勻加熱、保溫及快速冷卻,保證了無析出相和均勻細(xì)小的組織控制。在實現(xiàn)高端裝備用系列雙相不銹鋼管熱處理裝備及工藝的全覆蓋的同時,保證了全系列雙相不銹鋼管材點腐蝕率≤3.5mdd、-46℃沖擊功KV≥100J。

項目以油氣輸送、海洋工程及船舶、石油煉化、環(huán)保工程等高端裝備制造業(yè)重大需求為導(dǎo)向,開發(fā)的系列牌號S31803、S32205、S32750、S32760和系列規(guī)格(φ8mm~φ610mm)雙相不銹鋼無縫管產(chǎn)品,不僅可滿足GB/T21833、ASTM A789、ASTM A790的要求,其全氧含量、非金屬夾雜物水平、常溫拉伸性能、低溫沖擊韌性、耐點腐蝕性能等實物達(dá)到芬蘭Outokumpu、瑞典Sandvik公司等國外先進(jìn)企業(yè)同類產(chǎn)品水平,其中非金屬夾雜物水平、尺寸精度、最大生產(chǎn)規(guī)格優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。經(jīng)中國金屬學(xué)會組織的科技成果評價,項目科技成果總體達(dá)到國際先進(jìn)水平,其中大口徑冷軋雙相不銹鋼無縫管屬國際首創(chuàng)。

雙相不銹鋼無中心縮孔鋼錠澆注、無縫管荒管的高效低成本熱穿孔等技術(shù)已推廣應(yīng)用于不同牌號及錠型雙相不銹鋼管坯和成品產(chǎn)品,雙相不銹鋼無縫管成材率提高4～10%,荒管制備成本降低約780元/噸。

項目開發(fā)的產(chǎn)品已應(yīng)用于國內(nèi)外油氣輸送、海洋工程及船舶、石油煉化、環(huán)保工程等高端裝備領(lǐng)域的167個項目,累計供貨接近2萬噸。近三年實現(xiàn)供貨12810噸,累計銷售額7.32億元,新增利稅1.68億元。項目授權(quán)專利34項(發(fā)明12項)、軟件著作權(quán)4項,制修訂國家標(biāo)準(zhǔn)4項,發(fā)表論文13篇。

該技術(shù)解決了嚴(yán)重制約高端裝備制造的高品質(zhì)雙相不銹鋼管坯及管材長期依賴進(jìn)口、特別大口徑雙相不銹鋼管材國內(nèi)無法生產(chǎn)的“瓶頸”問題,為我國高端裝備自主化和“走出去”戰(zhàn)略提供了材料保障,帶動了我國高精尖、高附加值不銹鋼無縫管整體技術(shù)水平和制造能力的提升。