我國節約型無錫不銹鋼制備技術創新與研發

中國不銹鋼的消費和生產與整個鋼鐵工業一樣都發展得十分迅速，但無錫不銹鋼昂貴的價格，使其在中國的應用受到了一定的限制。隨著近幾年國民經濟的快速發展，無錫不銹鋼除在航空、核能、艦船、石化等工業領域廣泛應用外，已向交通運輸(汽車、火車)、廚房用具、家用電器、建筑裝飾等民用領域發展。自2001年中國已成為世界上無錫不銹鋼第一消費大國，產量從1998年的20萬t增加到2004年的236.4萬t，6年間翻了近12倍，到2010年達到了1000萬t左右。一直以來，中國不銹鋼始終以含鎳奧氏體不銹鋼為主。然而，中國是一個鎳資源貧乏的國家，這種無錫不銹鋼產品結構造成了中國每年面臨的鎳資源短缺近8萬t。
      到2007年，中國不銹鋼粗鋼年產量達到884萬t，如按現有的產品結構，每年需要鎳資源60萬t。嚴重的鎳資源緊缺將成為影響鋼鐵工業發展的重大問題，這不僅僅是一個經濟問題，還有可能危及無錫不銹鋼產業鏈的安全和完整。在世界不銹鋼生產中，奧氏體不銹鋼平均比例為75%，而在發達國家中，美國的奧氏體不銹鋼使用比例小于60%，日本在60%左右。因此，為保證中國不銹鋼產業持續、良性發展，中國不銹鋼產品結構急需做出調整，要使不銹鋼的成本達到能使用戶接受的程度，須大力推廣使用節鎳型不銹鋼。

　　1、高韌性鐵素體無錫不銹鋼中厚板研制開發

　　與奧氏體無錫不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼的韌脆轉變溫度(DBTT)高且室溫韌性低、對缺口敏感。而且后者具有非常明顯的厚度效應，即成品板的規格越厚，DBTT越低，難以作為結構材料而被廣泛應用。通過優化軋制工藝，控制成品板組織，鐵素體不銹鋼中厚板的韌性得到顯著改善，有助于其在化工、交通運輸及建筑等行業代替價格高昂的304奧氏體不銹鋼中厚板，從而降低成本近萬元。

　　研究結果表明，采用適用于鐵素體無錫不銹鋼的控制軋制與控制冷卻技術后，成品板組織明顯細化。如圖1為傳統工藝及細晶工藝條件下成品板的組織觀察。與傳統工藝相比，采用細晶工藝后鐵素體不銹鋼的DBTT降低高達40℃。

 　　圖1：傳統工藝(a)及細晶工藝(b)條件下成品板的組織觀察

　　2、消除表面呂德斯帶

　　超純鐵素體無錫不銹鋼在拉伸過程中仍能觀察到較為明顯的呂德斯應變，導致沖壓成形件表面容易形成呂德斯帶，惡化表面質量。通過研究超純鐵素體不銹鋼的屈服行為、沉淀析出相及加工工藝間的關系，提出一種以超快冷為核心技術的柔性化退火工藝(專利號ZL 200910011743.8)，可消除呂德斯應變，從而改善沖壓件的表面質量，降低工業生產中較大的平整壓下率，減小精整工序負荷。

　　圖2是采用傳統工藝及柔性化退火工藝生產的冷軋退火板的應力-應變曲線。結果表明，采用傳統工藝生產，成品板在拉伸過程中存在大約2%的呂德斯應變。相反，采用柔性化退火工藝后，成品板具有連續屈服行為，且可以降低成品板的屈強比而改善成形性能。進一步的研究發現，鐵素體不銹鋼中形成的Laves相會導致細小NbC周圍出現Nb的貧化，從而導致NbC的溶解、間隙碳原子的釋放及柯氏氣團的形成。

　圖2：傳統工藝及柔性化退火工藝的冷軋退火板的應力-應變曲線

　　3、提高鐵素體無錫不銹鋼成形性能的軋制技術開發

　　目前，鐵素體不銹鋼面臨冷成形過程中發生嚴重的表面起皺及成形性能與奧氏體不銹鋼仍有一定差距等主要問題。針對這些問題，開展了新工藝條件下鐵素體不銹鋼組織、織構和性能演變規律的研究，為熱軋工藝的進一步優化提供了理論依據。最終提出了一種采用“高溫粗軋+中間坯快速冷卻+低溫精軋”工藝思想(專利號：ZL 200910220459.1)。

　　圖3示出的是超純鐵素體無錫不銹鋼熱軋工藝改進示意圖。在此基礎上，開發出綜合改善中、高鉻鐵素體不銹鋼成形性能和表面質量的工藝制度，為高品質鐵素體不銹鋼生產探索出了新的技術路線。圖4和圖5分別示出的是不同工藝下的冷軋退火板r值及實驗鋼拉伸變形15%后的表面形貌。結果表明，新的工藝對提高成形性能和抗表面起皺性能均具有明顯的促進作用。

　圖3：超純21%Cr鐵素體不銹鋼熱軋工藝改進示意圖

　　圖4：不同熱軋工藝下冷軋退火板的r值

 圖5：實驗鋼拉伸15%后的表面形貌

　　4、鐵素體無錫不銹鋼熱軋粘輥機理研究及消除技術

　　鐵素體無錫不銹鋼在熱軋過程中容易發生熱軋粘輥，嚴重影響帶鋼表面質量。針對現有熱軋粘輥實驗手段存在的缺陷，開發了新的模擬鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的實驗方法(專利號200910011680.6)。闡明了鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的形成機理，揭示了工藝參數對超純鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的影響規律，為后續開發改善表面質量的熱軋工藝找到解決方向

　　研究發現，隨著超純化和高鉻量，鐵素體不銹鋼的高溫抗氧化能力提高。明確了軋輥表面循環疲勞微裂紋是熱軋粘輥的形核源。鐵素體不銹鋼由于高溫流變應力小，容易發生局部塑性失穩，造成部分帶鋼表面撕裂并粘附在帶有裂紋的軋輥表面，形成熱軋粘輥。圖6示出的是鐵素體不銹鋼熱軋過程中發生熱軋粘輥的機理圖。減弱超純鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的手段有：促進帶鋼表面氧化、降低熱軋溫度、降低軋輥表面粗糙度、增加變形速率和采用高溫耐磨性能優異的高速鋼輥代替高鉻軋輥，其中前兩種方法最為有效。

　圖6：鐵素體不銹鋼熱軋過程中發生熱軋粘輥的示意圖

　　5、雙相不銹鋼的TMCP生產技術開發

　　雙相不銹鋼抵抗氯化物誘發的應力腐蝕斷裂(SCC)和穿晶腐蝕的能力很強，可以使產品厚度減薄，降低下游客戶的使用成本。此外，由于其優異的耐點腐蝕和應力腐蝕性能，雙相不銹鋼的使用壽命明顯高于奧氏體不銹鋼。因此，雙相不銹鋼中厚板已經在船舶工業、航天航空、電力及冶煉工業和海洋工程等諸多領域正逐步替代成本較高的奧氏體不銹鋼中厚板，而且可以預見雙相不銹鋼中厚板更廣泛的應用前景。但是，由于鋼中易產生脆性相，因此雙相不銹鋼熱軋后卷取過程中極易出現開裂現象，且通常需要進行軋后固溶處理以消除脆性相。為降低雙相不銹鋼生產難度及工藝成本，開發出了以超快冷為核心的新的軋后控制冷卻工藝技術。圖7示出的是以超快冷技術為核心的軋后冷卻工藝示意圖。采用這種新的TMCP生產工藝，熱連軋2205雙相不銹鋼無邊裂產生，強度和延伸率均超過常規熱軋工藝生產的熱軋態品種，與離線熱處理狀態相當，且零攝氏度條件下的平均沖擊功可達到260J。

　　6、結語

　　在自主研究的基礎上，開發出生產高品質節鎳型不銹鋼的新工藝，并從根本上解決了其在生產和使用中主要面臨的五大問題：鐵素體不銹鋼中厚板韌脆轉變溫度高、室溫韌性差;薄板沖壓成形件表面易形成呂德斯帶及嚴重皺折;薄板成形性能有待進一步提高;鐵素體不銹鋼熱軋過程中發生粘輥現象;雙相不銹鋼熱軋后卷取過程中極易出現開裂現象。