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(guó)國(guó)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(duì)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(diǎn)，在賦予其較高屈服強(qiáng)度和優(yōu)良耐腐蝕性能的同時(shí)，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(zhǎng)期依賴進(jìn)口。
國(guó)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(zhǎng)、成材率低是國(guó)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(guó)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(duì)，依托國(guó)家轉(zhuǎn)型升級(jí)強(qiáng)基工程項(xiàng)目，歷經(jīng)十二年，從系列雙相不銹鋼鋼種設(shè)計(jì)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(duì)高端裝備用雙相不銹鋼無縫管所提出的更高耐點(diǎn)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(guó)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(jì)-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(shí)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(diǎn)蝕因子的平衡設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)準(zhǔn)確性；通過兩相PREN值平衡準(zhǔn)則的確立，實(shí)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(duì)國(guó)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(shí)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(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)了φ200~φ432mm規(guī)格雙相不銹鋼管坯無中心縮孔澆鑄。
針對(duì)雙相不銹鋼鍛造過程中熱塑性差和組織易粗化的問題，實(shí)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(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。
針對(duì)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(duì)比試驗(yàn)，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(duì)雙相不銹鋼熱穿孔實(shí)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(chǎng)和溫度場(chǎng)和頂頭穿孔過程中溫度場(chǎng)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(shí)產(chǎn)權(quán)的斜底式加熱爐，實(shí)現(xiàn)雙相不銹鋼加熱溫升工藝精控；針對(duì)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(shí)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(shí)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(dú)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(diǎn)腐蝕率≤3.5mdd、-46℃沖擊功KV≥100J。
針對(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)，保證了全系列雙相不銹鋼管材點(diǎn)腐蝕率≤3.5mdd、-46℃沖擊功KV≥100J。
項(xiàng)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(hào)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(diǎn)腐蝕性能等實(shí)物達(dá)到芬蘭Outokumpu、瑞典Sandvik公司等國(guó)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(guó)外同類產(chǎn)品。經(jīng)中國(guó)金屬學(xué)會(huì)組織的科技成果評(píng)價(jià)，項(xiàng)目科技成果總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，其中大口徑冷軋雙相不銹鋼無縫管屬國(guó)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(hào)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(xiàng)目開發(fā)的產(chǎn)品已應(yīng)用于國(guó)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(gè)項(xiàng)目，累計(jì)供貨接近2萬噸。近三年實(shí)現(xiàn)供貨12810噸，累計(jì)銷售額7.32億元，新增利稅1.68億元。項(xiàng)目授權(quán)專利34項(xiàng)（發(fā)明12項(xiàng)）、軟件著作權(quán)4項(xiàng)，制修訂國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，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(zhǎng)期依賴進(jìn)口、特別大口徑雙相不銹鋼管材國(guó)內(nèi)無法生產(chǎn)的“瓶頸”問題，為我國(guó)高端裝備自主化和“走出去”戰(zhàn)略提供了材料保障，帶動(dòng)了我國(guó)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。
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