短流程工藝在耐熱不銹鋼無縫管生產中的創新應用

【摘 要】以310S 超級耐高溫不銹鋼無縫管的短流程工藝開發為目標，采用空心鑄坯為原料通過熱擠壓、冷加工、固溶熱處理工藝，在冷加工過程中采用自行研制特種高效潤滑劑和調整固溶熱處理工藝參數，管材的組織和性能達到傳統熱穿孔工藝水平。通過對金屬鑄坯熱擠壓制造含硅不銹鋼荒管短流程工藝研究，以增加含硅不銹鋼荒管強度和塑性，提高了材料的力學性能，為后續冷撥工藝生產310S 超級耐高溫不銹鋼無縫管創造了有利條件；另外針對不銹鋼特種鋼1Cr25Ni20Si2 的不同特點，通過對固溶熱處理工藝的系統性研究，調整其固溶熱處理工藝參數，產品的力學性能得到改善，使產品質量達到國際同類產品水平。

【關鍵詞】310S；不銹鋼無縫管；短流程

隨著科學技術的飛速發展，對鋼質量的要求愈來愈高。作為一種重要的工業材料——不銹鋼的應用，已從原來范圍狹窄的尖端領域，擴展至石油、化工、航天、輕工、食品、醫藥、原子能等工業領域，以及建筑、裝潢等許多方面。從不銹鋼的需求量來看，一般工業發達國家的不銹鋼產量約占鋼材總量的2-3%；我國是發展中國家，不銹鋼產量至少應占到鋼產量的0.8-1.0%。另一方面，發展不銹鋼的生產，是代表一個國家特鋼水平的重要標志。目前，我國人均不銹鋼占有率僅0.3kg/人，與發達國家相比有很大差距，則不銹鋼的生產發展將會有一個大的飛躍?？梢?，在國內具備一定技術和條件的鋼鐵企業內開發和發展不銹鋼的新產品，特別是開發國內尚未起步的建筑用不銹鋼是國民經濟發展的需要，是市場經濟發展趨勢，因而具有廣闊的前景。

耐熱鋼作為航空航天、化工工業中的重要材料，被廣泛用于高溫環境中， 如鍋爐、熱交換器等方面。高溫氧化是高溫下最常見也是最重要的腐蝕破壞形式，因此研究和發展具有抗高溫氧化性能的新材料對于我國的航空工業、化工及國防事業具有深遠的意義。奧氏體耐熱不銹鋼310S(0Cr25Ni20)是高鉻鎳奧氏體不銹鋼，在氧化介質中具有優良的耐蝕性，同時具有良好的高溫力學性能，因此它既可以用于耐蝕部件又可以用于高溫部件。國內外研究表明，在鋼中加入某些合金元素是改善和提高合金抗氧化性能的重要舉措之。能否形成致密的氧化膜是合金抗高溫氧化的關鍵。310S奧氏體耐熱不銹鋼是一種具有良好的應用前景的高合金耐熱鋼。

特別是石化工業對不銹鋼的要求越來越高，主要有耐腐蝕，包括氯化物、硫化物和其他鹽類腐蝕；耐高溫與耐低溫等。而用于原油勘探、開發的不銹鋼則要求抗二氧化碳、硫化氫腐蝕的特性。目前我國在原油勘探，開發中常用的主要是3Cr、9Cr、13Cr、超級13Cr以及含Cr22以上的不銹鋼厚壁無磁鉆挺和鉆桿。310S不銹鋼管作為高級耐熱鋼管的代表，廣泛應用于制造加熱爐的各種構件等受高溫影響環境的器件，如合成氨設備的高溫爐管、高溫加熱爐管等，成為熱處理工業、石油化工等行業不可或缺的金屬管材。

310S鋼系25%Cr-20Ni高合金耐熱不銹鋼， 其熱強性、抗氧化和抗硫化性能均較其他常用的耐熱不銹鋼優良。但據相關報道，進口的310S管道在年度檢修時，進行試樣化學成分、力學性能、金相、掃描電鏡分析，發現材料的強度升高，屈強比也升高，塑性大幅度下降，特別是韌性已經極低，材料已完全喪失奧氏體鋼管的優良韌性， 與一般奧氏體不銹鋼室溫沖擊韌性相差甚大，材質明顯變脆。該管道材料力學性能的劣化已達到非常嚴重的程度。分析材料脆化的原因：有一些部位的由于受力條件惡劣，材質發生蠕變，在晶界上和三晶界交界處從滑移開始直至形成蠕變空洞，在應力較集中處的焊縫，蠕變空洞已發展為沿晶的蠕變微裂紋，從而形成蠕變損傷；在母材和焊縫上大量相和二次碳化物析出，特別是相，不僅在晶界，而且在晶內也以針狀大量析出。

針對上述情況，我國寶鋼等公司，在奧氏體耐熱不銹鋼310S (0Cr25Ni20)不銹鋼的基礎上對冶煉成分加以調整，使其達到24-27%金屬鉻和18-20%金屬鎳的含量并添加了硅材料，生產出310S（1Cr25Ni20Si2）超級耐高溫不銹鋼，該鋼是奧氏體耐熱不銹鋼之一，與具有體心立方結構的鐵素體和馬氏體耐熱鋼及(0Cr25Ni20)不銹鋼相比，由于其具有較高的高溫持久強度和蠕變強度，因而非常適合于制作在900～1200℃高溫下使用的構件，如工業爐構件等。然而在實際加工、生產過程中， 存在著因含硅不銹鋼材料表面硬度高難加工，熱、冷加工中表面出現線狀裂紋以及成品延伸率偏低等問題。

國內太原鋼鐵(集團) 李俊等人通過采用熔點1085℃的保護渣( ST-SP/310 )替代熔點1120℃的保護渣(ST-SP/810)，結晶器寬面和窄面的冷卻水流量分別從4500L/min和460L/min降至4300L/min和430L/min，鋼水過熱度從30～45℃降至20～35℃，拉速從0.95m/min降至0.80～0.90m/min，對310S耐熱不銹鋼連鑄板坯表面縱裂分析和工藝改進，結果鑄坯質量明顯改善，消除了表面縱裂。其原因是310S耐熱不銹鋼Cr，Ni含量高，導熱性差，影響310S鋼鑄坯縱裂的工藝因素主要有保護渣、結晶器冷卻強度、過熱度和拉速。蘭州理工大學有色金屬新材料國家重點實驗室喇培清等人在奧氏體耐熱不銹鋼3105中加鋁，發現隨著鋁含量增加（質量分數2%～10%），碳化物由連續條狀轉變為質點狀；鋁元索固溶于基體中，基體相為γ相；當Al含量大于6%時基體相為α相，合金脆性大幅提高，合金由塑性材料轉變為脆性材料。

美國環球資源公司宣布，其在中國的合資不銹鋼生產廠山東泉信不銹鋼公司已開始采用連鑄的生產方式生產310S不銹鋼，首次交貨在2008年1月。NKK（日本鋼管公司）開發了310S/TEMPALOYA-1復合管，其優良的高溫強度和耐蝕性，可用作超超臨界(USC)鍋爐的過熱器，用于化石燃料動力鍋爐的耐熱鋼和耐蝕鋼復合管。

國外不銹鋼管冷加工的潤滑普遍采用加有不同添加劑的氯化油作為潤滑劑，如英國CASTROL公司的ILOFORM 系列潤滑油。不銹鋼管的冷拔一般采用ILOFORM TDN87拔制油，這是一種以深度精制礦物油為基礎油，油品中有高含量的氯化添加劑以及可以進一步提高油品潤滑性能的脂肪油物質的非乳化性油品；對于高速冷軋管機軋制不銹鋼管，芯棒的內壁潤滑采用ILOFORM TDN90軋制油，這是一種濃厚膏狀極壓輥軋輾用潤滑劑，含氯化物、脂肪化合物及礦物油。而我國冷拔不銹鋼管的歷史與冷拔潤滑劑的發明有著密切的關系。60年代初，上鋼五廠發明的不銹鋼管“牛油+石灰”潤滑劑，由于具有較好的潤滑性能和取材方便及價格低廉等優點，一直襲用至今?！芭Ｓ?石灰”經過精心制作，加上合適的使用工藝，確實有著很好的潤滑性能。但是，隨著對產品質量要求的日益提高和對改善生產環境要求的日益嚴格，這種使環境惡化、鋼管表面產生壓痕等缺陷的潤滑劑，已經難以滿足高質量不銹鋼管生產的要求。

湖州高鴻不銹鋼管有限公司以310S（1Cr25Ni20Si2）超級耐高溫不銹鋼無縫管的開發為目標，通過對金屬鑄坯熱擠壓制造含硅不銹鋼荒管短流程工藝研究，以增加含硅不銹鋼荒管強度和塑性，提高了材料的力學性能，為后續冷撥工藝生產310S（1Cr25Ni20Si2）超級耐高溫不銹鋼無縫管創造了有利條件；另外針對不銹鋼特種鋼1Cr25Ni20Si2的不同特點，通過對固溶熱處理工藝的系統性研究，調整其固溶熱處理工藝參數，產品的力學性能得到改善，最終產品質量達到國際同類產品水平。

“含硅不銹鋼荒管短流程”工藝如何來實現，如何縮短工藝流程，如何提高材料力學性能，是主要技術難題之一。在傳統的熱擠壓工藝基礎上，采用金屬模鑄造的空心坯料直接進行熱擠壓，鑄坯在熱擠壓過程中可發生完全動態再結晶，組織由鑄態過渡到變形態，消除了成分偏析，增加含硅不銹鋼荒管強度和塑性，實現“含硅不銹鋼荒管短流程”工藝，生產出質量穩定的310S超級耐高溫不銹鋼無縫管中間品—荒管。

根據自行研發的成果，采用“熱擠壓短流程工藝”，在冷加工過程中采用“自行研制特種高效潤滑劑”和“調整固溶熱處理工藝參數”的新工藝路線，其工藝路線如下表示：

項目主要創新點之一在于通過對金屬鑄坯熱擠壓荒管管坯制造含硅不銹鋼管短流程工藝研究，采用金屬模鑄造的空心坯料直接進行熱擠壓，鑄坯在熱擠壓過程中可發生完全動態再結晶，組織由鑄態過渡到變形態，消除了成分偏析，增加荒管強度和塑性，提高材料的力學性能，利于后續冷加工生產；同時由于采用含硅不銹鋼荒管短流程工藝生產，從而達到減少荒管制作工序，降低生產成本。

創新點之二在于通過對不銹鋼管冷加工工藝及其機械力學性能以及晶界組織形貌影響和國外先進冷撥工藝潤滑劑進行系統性分析研究的基礎上，擬研制新型潤滑劑取代傳統潤滑劑，從而實現簡化潤滑工藝，改善環境條件，提高鋼管的表面質量，降低工模具消耗的目的。同時針對不銹鋼特種鋼1Cr25Ni20Si2的不同特點，通過對固溶熱處理工藝的系統性研究，調整了固溶熱處理工藝參數，提高產品的力學性能。根據標準，310S（0Cr25Ni20）鋼固溶處理溫度應為1030-1180℃，并且水冷。但考慮到進行固溶熱處理的是不銹鋼特種鋼1Cr25Ni20Si2材料硬度大、耐高溫性強、塑性低的特點，因而需要通過試驗試圖找到一最合適的固溶處理工藝。

目前我國人均不銹鋼占有率僅0.3kg/人，與發達國家相比有很大差距，則不銹鋼的生產發展將會有一個大的飛躍。310S不銹鋼是高級耐熱鋼種的代表，可廣泛應用于制造加熱爐的各種構件等受高溫影響環境的器件，如合成氨設備的高溫爐管、高溫加熱爐管等，成為熱處理工業、石油化工等行業不可或缺的金屬管材。項目的實施，迅速提升我國熱處理工業、石油化工的制管水平等級，降低熱處理工業、石油化工生產運行成本具有深遠的影響。對促進我國鋼管制造行業的科技進步和上游鋼材冶煉、冷撥工藝技術升級和對外交流有著長遠的意義。其社會效益也非常明顯。 [科]