我國(guó)節(jié)約型無(wú)錫不銹鋼制備技術(shù)創(chuàng)新與研發(fā)
中國(guó)不銹鋼的消費(fèi)和生產(chǎn)與整個(gè)鋼鐵工業(yè)一樣都發(fā)展得十分迅速，但無(wú)錫不銹鋼昂貴的價(jià)格，使其在中國(guó)的應(yīng)用受到了一定的限制。隨著近幾年國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無(wú)錫不銹鋼除在航空、核能、艦船、石化等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用外，已向交通運(yùn)輸(汽車、火車)、廚房用具、家用電器、建筑裝飾等民用領(lǐng)域發(fā)展。自2001年中國(guó)已成為世界上無(wú)錫不銹鋼第一消費(fèi)大國(guó)，產(chǎn)量從1998年的20萬(wàn)t增加到2004年的236.4萬(wàn)t，6年間翻了近12倍，到2010年達(dá)到了1000萬(wàn)t左右。一直以來(lái)，中國(guó)不銹鋼始終以含鎳奧氏體不銹鋼為主。然而，中國(guó)是一個(gè)鎳資源貧乏的國(guó)家，這種無(wú)錫不銹鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)造成了中國(guó)每年面臨的鎳資源短缺近8萬(wàn)t。
到2007年，中國(guó)不銹鋼粗鋼年產(chǎn)量達(dá)到884萬(wàn)t，如按現(xiàn)有的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，每年需要鎳資源60萬(wàn)t。嚴(yán)重的鎳資源緊缺將成為影響鋼鐵工業(yè)發(fā)展的重大問(wèn)題，這不僅僅是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，還有可能危及無(wú)錫不銹鋼產(chǎn)業(yè)鏈的安全和完整。在世界不銹鋼生產(chǎn)中，奧氏體不銹鋼平均比例為75%，而在發(fā)達(dá)國(guó)家中，美國(guó)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(guó)不銹鋼產(chǎn)業(yè)持續(xù)、良性發(fā)展，中國(guó)不銹鋼產(chǎn)品結(jié)構(gòu)急需做出調(diào)整，要使不銹鋼的成本達(dá)到能使用戶接受的程度，須大力推廣使用節(jié)鎳型不銹鋼。
1、高韌性鐵素體無(wú)錫不銹鋼中厚板研制開(kāi)發(fā)
與奧氏體無(wú)錫不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度(DBTT)高且室溫韌性低、對(duì)缺口敏感。而且后者具有非常明顯的厚度效應(yīng)，即成品板的規(guī)格越厚，DBTT越低，難以作為結(jié)構(gòu)材料而被廣泛應(yīng)用。通過(guò)優(yōu)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(yùn)輸及建筑等行業(yè)代替價(jià)格高昂的304奧氏體不銹鋼中厚板，從而降低成本近萬(wàn)元。
研究結(jié)果表明，采用適用于鐵素體無(wú)錫不銹鋼的控制軋制與控制冷卻技術(shù)后，成品板組織明顯細(xì)化。如圖1為傳統(tǒng)工藝及細(xì)晶工藝條件下成品板的組織觀察。與傳統(tǒng)工藝相比，采用細(xì)晶工藝后鐵素體不銹鋼的DBTT降低高達(dá)40℃。
圖1：傳統(tǒng)工藝(a)及細(xì)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(wú)錫不銹鋼在拉伸過(guò)程中仍能觀察到較為明顯的呂德斯應(yīng)變，導(dǎo)致沖壓成形件表面容易形成呂德斯帶，惡化表面質(zhì)量。通過(guò)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(guān)系，提出一種以超快冷為核心技術(shù)的柔性化退火工藝(專利號(hào)ZL 200910011743.8)，可消除呂德斯應(yīng)變，從而改善沖壓件的表面質(zhì)量，降低工業(yè)生產(chǎn)中較大的平整壓下率，減小精整工序負(fù)荷。
圖2是采用傳統(tǒng)工藝及柔性化退火工藝生產(chǎn)的冷軋退火板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，成品板在拉伸過(guò)程中存在大約2%的呂德斯應(yīng)變。相反，采用柔性化退火工藝后，成品板具有連續(xù)屈服行為，且可以降低成品板的屈強(qiáng)比而改善成形性能。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，鐵素體不銹鋼中形成的Laves相會(huì)導(dǎo)致細(xì)小NbC周圍出現(xiàn)Nb的貧化，從而導(dǎo)致NbC的溶解、間隙碳原子的釋放及柯氏氣團(tuán)的形成。
圖2：傳統(tǒng)工藝及柔性化退火工藝的冷軋退火板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線
3、提高鐵素體無(wú)錫不銹鋼成形性能的軋制技術(shù)開(kāi)發(fā)
目前，鐵素體不銹鋼面臨冷成形過(guò)程中發(fā)生嚴(yán)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(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，開(kāi)展了新工藝條件下鐵素體不銹鋼組織、織構(gòu)和性能演變規(guī)律的研究，為熱軋工藝的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論依據(jù)。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(hào)：ZL 200910220459.1)。
圖3示出的是超純鐵素體無(wú)錫不銹鋼熱軋工藝改進(jìn)示意圖。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出綜合改善中、高鉻鐵素體不銹鋼成形性能和表面質(zhì)量的工藝制度，為高品質(zhì)鐵素體不銹鋼生產(chǎn)探索出了新的技術(shù)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(shí)驗(yàn)鋼拉伸變形15%后的表面形貌。結(jié)果表明，新的工藝對(duì)提高成形性能和抗表面起皺性能均具有明顯的促進(jìn)作用。
圖3：超純21%Cr鐵素體不銹鋼熱軋工藝改進(jìn)示意圖
圖4：不同熱軋工藝下冷軋退火板的r值
圖5：實(shí)驗(yàn)鋼拉伸15%后的表面形貌
4、鐵素體無(wú)錫不銹鋼熱軋粘輥機(jī)理研究及消除技術(shù)
鐵素體無(wú)錫不銹鋼在熱軋過(guò)程中容易發(fā)生熱軋粘輥，嚴(yán)重影響帶鋼表面質(zhì)量。針對(duì)現(xiàn)有熱軋粘輥實(shí)驗(yàn)手段存在的缺陷，開(kāi)發(fā)了新的模擬鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的實(shí)驗(yàn)方法(專利號(hào)200910011680.6)。闡明了鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的形成機(jī)理，揭示了工藝參數(shù)對(duì)超純鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的影響規(guī)律，為后續(xù)開(kāi)發(fā)改善表面質(zhì)量的熱軋工藝找到解決方向
研究發(fā)現(xiàn)，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(huán)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(yīng)力小，容易發(fā)生局部塑性失穩(wěn)，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(guò)程中發(fā)生熱軋粘輥的機(jī)理圖。減弱超純鐵素體不銹鋼熱軋粘輥的手段有：促進(jìn)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(yōu)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(guò)程中發(fā)生熱軋粘輥的示意圖
5、雙相不銹鋼的TMCP生產(chǎn)技術(shù)開(kāi)發(fā)
雙相不銹鋼抵抗氯化物誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)和穿晶腐蝕的能力很強(qiáng)，可以使產(chǎn)品厚度減薄，降低下游客戶的使用成本。此外，由于其優(yōu)異的耐點(diǎn)腐蝕和應(yīng)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(jīng)在船舶工業(yè)、航天航空、電力及冶煉工業(yè)和海洋工程等諸多領(lǐng)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(yù)見(jiàn)雙相不銹鋼中厚板更廣泛的應(yīng)用前景。但是，由于鋼中易產(chǎn)生脆性相，因此雙相不銹鋼熱軋后卷取過(guò)程中極易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，且通常需要進(jìn)行軋后固溶處理以消除脆性相。為降低雙相不銹鋼生產(chǎn)難度及工藝成本，開(kāi)發(fā)出了以超快冷為核心的新的軋后控制冷卻工藝技術(shù)。圖7示出的是以超快冷技術(shù)為核心的軋后冷卻工藝示意圖。采用這種新的TMCP生產(chǎn)工藝，熱連軋2205雙相不銹鋼無(wú)邊裂產(chǎn)生，強(qiáng)度和延伸率均超過(guò)常規(guī)熱軋工藝生產(chǎn)的熱軋態(tài)品種，與離線熱處理狀態(tài)相當(dāng)，且零攝氏度條件下的平均沖擊功可達(dá)到260J。
6、結(jié)語(yǔ)
在自主研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出生產(chǎn)高品質(zhì)節(jié)鎳型不銹鋼的新工藝，并從根本上解決了其在生產(chǎn)和使用中主要面臨的五大問(wèn)題：鐵素體不銹鋼中厚板韌脆轉(zhuǎn)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(yán)重皺折;薄板成形性能有待進(jìn)一步提高;鐵素體不銹鋼熱軋過(guò)程中發(fā)生粘輥現(xiàn)象;雙相不銹鋼熱軋后卷取過(guò)程中極易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。