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低成本、高强度新型不锈钢关键技术开发太原钢铁（集团）有限公司2019年9月7日，哈尔滨前言太钢高强度、低成本不锈钢的关键技术开发及应用—双相不锈钢（2205、2101等）—高N奥氏体不锈钢（护环、钢筋）—超级马氏体不锈钢（S-135、S-165）—沉淀硬化不锈钢（15-5PH）结束语主要内容一、前言不锈钢是具有耐蚀、耐热、美观、可百分之百回收的高品质特殊钢和绿色环保材料，可广泛应用于航空航天、能源、建筑等众多领域。2019年国内不锈钢产量1125万吨，而比例最高的是Ni含量较高的奥氏体系列不锈钢，占总量的60%左右。我国是贫Ni国，而Ni是不可再生资源，国际市场Ni价不断攀升及剧烈波动，导致不锈钢行业成本增加的同时，市场风险加剧。材料的强度是使用设计的重要依据，它对设备的安全性至关重要；而单靠厚度增加来达到设计要求，不仅增加了设备的重量，而且也大幅提高了制造、使用过程的成本（如焊接、运输等）。高强度、低成本不锈钢已成为不锈钢发展趋势和研究热点低成本：主要是提升不锈钢耐蚀性能的同时，降低不锈钢中Ni的含量。在成分设计中引入“以N、Mn代Ni”的思路，大幅度降低Ni的消耗。高强度：主要是相对同样耐蚀性级别的材料，其强度大幅度提升。实现的方式:一是N的固溶强化作用；二是细晶强化；三是析出强化；两者的结合，可以实现不锈钢材料的寿命延长、功能性增强和设备轻量化、经济型的完美统一。代表钢种：双相不锈钢、高N奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢一、前言双相不锈钢是指不锈钢的固溶组织中铁素体与奥氏体两相约各占一半。与同级别的单相奥氏体不锈钢相比，大幅度降低Ni含量的同时，材料本身还具有高强度、良好的耐应力腐蚀、耐点腐蚀及焊接性能，在石油化工、造船、造纸、海水淡化、核电等多行业具有广泛的使用前景。双相不锈钢二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢太钢已经形成了不同合金含量、不同性能级别的系列双相不锈钢（包括S32101、S32304、S31803、S32205、S32750、S32906、SUS329J4L等），实物性能达到国际同类产品的水平。双相不锈钢特点成分设计中，降低Ni的含量，具有突出的经济性现代双相不锈钢普遍采取以N代替Ni的方式，实现组织中铁素体与奥氏体的共存。与奥氏体相比，Ni、Mo的含量大幅降低,经济性更为明显。代表牌号主要元素的化学成分（%）CCrNiMoNPREN*低合金型S323040.03234-0.1224S321010.03211.5-0.2225304L0.031910-0.0519中合金型S31803/S322050.0322530.1834316L0.0317122.50.0526超级型S327500.032574.50.2843S329060.03296.52.50.3543254SMO0.02201860.2043*注：点蚀指数PREN=Cr+3.3Mo+16N二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢高的强度屈服强度是普通奥氏体的两倍，可以在材料强度设计时减薄壁厚。316L904L6Mo+NSAF2304SAF2205SAF25070100200300400500600双相不锈钢与奥氏体不锈钢的强度比较Rp0.2(MPa)高屈服强度含铁素体晶粒细含N二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢双相不锈钢在AOD炉氮气合金化技术：实现N含量在500-4000ppm的精确控制。热塑性的控制技术：解决了热加工过程出现的因塑性不良导致的边裂和表面裂纹，并实现了连续大变形条件下的热连轧卷板的顺利生产。热处理工艺控制技术：包括不同合金成分下σ相的析出规律及防止措施，保证热处理后性能合格率达到100%。二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢双相不锈钢关键工艺技术及应用开发双相不锈钢焊接工艺技术：研究了不同热输入、层间温度等对焊接性能的影响，并为用户提供了有力的技术支持。双相不锈钢高效酸洗技术：研究不同成分的条件下，氧化膜的结构以及温度、酸液配比对酸洗效率的影响规律，实现了带钢的高效酸洗。双相不锈钢复合板的制备技术：包括爆炸焊接工艺、异种钢的焊接工艺、复合板的热处理工艺等。二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢双相不锈钢关键工艺技术及应用开发美国ABS船级社英国劳氏船级社中国CCS船级社通过了包括中国CCS、英国劳氏、德国劳氏、美国ABS、法国BV、挪威DNV等多国船级社的认证，并签订了多艘化学品船用S31803双相不锈钢供货合同近万吨，同时具备了“波形板”的配套供应。DNV船级社证书二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢爆炸复合板生产，向三峡工程及向家坝水利工程提供10000余吨复合钢板，用于排沙孔钢衬的制作；向国内百万吨真空制盐工程提供了上千吨复合钢板，用于蒸发罐体的制造。双相不锈钢复合钢板被评为“国家重点新产品”实物结合区形貌二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢焦化工程煤调湿干燥机石化行业双相不锈钢（主流品种是2205、2507、2101）针对国内石油、化工、压力容器制造企业各种反应器、塔器、热交换器、管板、封头的制作。板式换热器海水淡化行业双相不锈钢（2205、2304、2101）海水淡化蒸发室二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢纸浆、造纸业：2205、2304、2101过氧化氢反应器过去使用2205，最近2101桥梁及水处理行业太钢的2205首次用于大桥与水接触的部件制造，解决了因长时间江水飞溅引起的腐蚀更换问题。目前已经开发成功2205螺纹钢。二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢核电行业（主流品种是2101）目前国内大量在建、拟建的核电工程，采用了美国西屋AP1000的核电技术，其乏燃料水池覆面板材质为S32101双相不锈钢中板。太钢产S32101宽幅中板用于AP1000核电乏燃料水池二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢建筑领域迪拜地标之一ADIC项目的幕墙装饰装饰工程，用于遮阳伞系统的支撑件。二、高强度、低成本不锈钢-双相不锈钢高N奥氏体不锈钢N一般是3000ppm以上，具有高强度、无磁和良好的塑性。在耐磨筛网、桥梁建筑用高强钢筋、护环用钢等具有很好的应用前景。主要的技术工作常压下高N含量的氮气合金化技术：首次在AOD炉常压下实现N含量大于6000ppm的冶炼。热加工控制技术：成功轧制了厚度从10-40mm的热轧中厚板。焊接技术：包括熔池中含氮量的控制、防止形成气孔等技术。典型钢种——10Cr21Mn16NiN、1Cr18Mn18N（%）钢种CSiMnCrNiN10Cr21Mn16NiN0.08-0.130.3-0.615.0-17.021.0-22.01.5-2.00.60-0.701Cr18Mn18N≤0.12≤0.0817.5-20.017.5-20.0---≥0.47二、高强度、低成本不锈钢-高N奥氏体不锈钢低成本高强度不锈钢钢丝特点：高氮含量：N≥0.5%；高强度：钢丝抗拉强度≥1570MPa；高塑性：可满足弯曲、扭转要求；低松弛：适应桥梁高应力状态；耐腐蚀性能；耐点指数PREN达到28。项目规范要求实际值抗拉强度（MPa）≥15701792非比例延伸应力≥11801312伸长率（%）≥46弯曲次数≥419应力松弛（1000h外推）≤84.5疲劳（万次）≥200375太钢开发的低成本高强度不锈钢线材、钢丝代替镀锌钢丝制造斜拉索，拉索耐腐蚀性提高，不仅可以节省拉索防护成本、换索成本，而且延长了桥梁寿命。此外，太钢还开发成功高N护环用钢，各项性能指标均达到进口产品水平。二、高强度、低成本不锈钢-高N奥氏体不锈钢以S-135（0Cr13Ni5Mo)、S-165(00Cr16Ni5Mo)为代表的超级马氏体不锈钢，具有强度硬度高、塑韧性好等优点，主要用于制造水电行业中需要高强度和耐腐蚀的部件及用于机械制造行业的鼓风机、离心机、造纸和纺织机械的制造。解决的关键技术：高质量板坯连铸工艺技术：解决了此类钢连铸易开裂问题。特厚板高强韧化工艺技术：厚板的综合性能达到国际先进水平。改善中厚板热塑性工艺技术：解决了热加工易开裂的难题。热轧厚板板型控制技术：板型不良问题得到大幅度改善。二、高强度、低成本不锈钢-超级马氏体不锈钢S-135中厚板的外观照片太钢生产的超级马氏体热轧中厚板广泛应用于三峡、向家坝、凤仪、深溪沟、银盘、龙开口等国家重点水电工程。二、高强度、低成本不锈钢-超级马氏体不锈钢15－5PH沉淀硬化不锈钢是通过时效处理析出富Cu相，获得高强度的同时，还具有高的横向韧性、高硬度，良好耐蚀性、抗氧化性、焊接性和良好的可锻造性能。解决的关键技术：高纯净度熔炼技术：实现超低夹杂物含量控制。纳米级析出相控制技术：合理的固溶＋时效热处理工艺获得弥散分布的富Nb碳氮化物和富Cu强化相。高致密性、高均匀性组织锻造技术:保证横纵性能均匀性。钢种CSiMnCrNiCuNb15-5PH≤0.07≤1.00≤1.0014.0-15.53.5-5.52.5-4.50.15-0.45二、高强度、低成本不锈钢-沉淀硬化不锈钢应用领域：主要应用于既要求高强度、良好韧性，又要求具有优良耐蚀性能的使用环境。—飞机起落架—飞机主要负荷轴承以及大锻件—运输机发动机装备零件和货舱材料15－5PH钢中的Nb（C，N）析出相及能谱分析15－5PH钢中的富铜相及能谱分析起落架二、高强度、低成本不锈钢-沉淀硬化不锈钢三、结束语低成本、高强度不锈钢材料的开发符合国家节约资源、低碳、循环可持续的政策，近年来在许多关键技术方面取得了重大突破，应用领域得到快速拓展。截止目前，太钢已经形成包括双相不锈钢、高N奥氏体不锈钢、超级马氏体不锈钢、沉淀硬化不锈钢等系列低成本、高强度不锈钢品种，大部分已在石化、海水淡化、造船、核电等领域得到广泛应用，少部分在关键技术取得突破，具有很好的市场推广前景。下一步我们将在有关部委和行业协会，联合上下游企业和科研院所，共同推动低成本、高强度不锈钢的技术进步和应用推广。23END