高耐腐蝕022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼無縫管生產工藝

改造者：李國斌

高耐腐蝕022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼無縫管生產工藝

改造者：李國斌

從022Cr18Ni15Mo4N奧氏體無縫不銹鋼管的品質要求著手，對經過成分優化的鋼坯經行冷、熱穿孔、加工成型和熱處理鈍化后處理，研制出符合相應設計要求的高耐海水腐蝕性的022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼無縫管。該不銹鋼鋼管的實物質量和性能與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管相當，且生產加工成本比00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管低30％～40％，可以替代00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管在海水淡化、海洋平臺及深海工程上應用，可以為我國大型海洋工程項目提供管件配套和服務。

高耐腐蝕不銹鋼無縫管材料發展

不銹鋼的技術發展與應用的范圍非常廣泛，目前，國產不銹鋼在石油、化工、海水淡化等高溫、高壓、高腐蝕工況中的應用還不是很廣泛，最主要原因有以下幾個：一是標準不配套問題。我國尚未形成滿足石油、化工、海水淡化等高溫、高壓、高腐蝕工況發展需要的標準體系；國內對高壓、高含硫、二氧化碳含量高的“三高”天然氣生產設備，對硫酸、鹽酸、尿素其中也包含海水淡化處理工況用管道、管件及閥門產品的基材冶煉、產品制造、檢驗、附屬實驗等技術規范和標準尚不完備；二就是產品配套問題。主要是不銹鋼板、管、鍛件、焊接材料不配套；三就是尺寸問題。國內冶金行業對石油、化工、海水淡化等高溫、高壓、高腐蝕工況需要的中厚寬板、大口徑、厚壁或耐高溫、耐高壓、抗酸堿腐蝕不銹鋼管生產能力有限；四就是質量問題。不銹鋼管產品質量不穩定；五是研究開發新材料產品后勁不足問題，國內不銹鋼新品種的研發和生產尚無法滿足石油、化工、海水淡化等高溫、高壓、高腐蝕工況的發展需求。由于類似諸多的原因和因素的限制，石油、化工、海水淡化等高溫、高壓、高腐蝕工況中所需求的不銹鋼品種有很多是國內企業不能和無法提供的，如高硅，硅含量超過7.5％以上的高硅不銹鋼管，高氮不銹鋼管等等，均是我國尚不能生產或技術和工藝不夠成熟，產品質量不夠穩定，無法提供。諸如此類不銹鋼管及其他類型不銹鋼管及其設備是以國外進口的形式給予滿足的。

隨著世界經濟一體化發展，國內外不銹鋼管件生產技術和生產量均有了很大的發展，在社會發展和居民生活中扮演者著重要的角色。國外的工藝技術和裝備水平生產線主要采用現代化的自動控制技術和激光、無損探傷檢測手段以保證不銹鋼最終的產品質量，并不斷優化新的產品種類。我國不銹鋼生產也緊跟世界最前沿技術，無論是無縫管還是焊接管的生產都出現了很多新工藝和高效率設備。不銹鋼產品生產的技術、產量、質量和品種均有不同程度的提高和增加。目前我國不銹鋼生產在新產品研究開發上還存在一定的差距，考慮到不銹鋼企業在國際市場上的競爭，本公司歷年來在不銹鋼管新產品、新工藝投入研發，目前針對海水淡化及海洋平臺、深海工程用工況開發一款抗腐蝕性能高于或等于00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）的產品022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼，加工及生產成本相比較，且降低了30％～40％左右，從使用工況、性能及經濟效益分析，完全能夠替代00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）。

022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼材料成分與性能

普通的奧氏體不銹鋼在海水中的耐腐蝕性能并不理想，隨著國內特殊鋼冶煉新技術的進步，采用“爐外精煉+電渣重熔”工藝冶高鎳、高鉻、高鉬以及高氮的不銹鋼，可提高鋼的純凈度，使海水工況使用的超級奧氏體不銹鋼實現完全國產化成為可能。022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼的主要特點是鎳、鉻、鉬以及氮四種元素含量高，并具有穩定的奧氏體組織及高抗腐蝕性，按其質量計算，022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼的化學成份為：C ≤ 0.02％，Si≤ 0.75％， Mn≤ 2％，P≤ 0.035％，S≤ 0.0153％， Ni=13.5-17％， Cr=16.5-19％，Mo=3.5-5％，Cu ≤ 0.75％，以及余量的Fe，N=0.10-0.25％。

通過實驗測試022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼不同使用溫度下力學性能，如表1所示。

表1　022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼力學性能

通過金相顯微鏡對不銹鋼進行金相組織觀測，并進行材料耐腐蝕性能測試。

（1）成品鋼管的組織主要為奧氏體和鐵素體，其中鐵素體的含量≤0.5％左右。

（2）通過全面腐蝕性實驗，點腐蝕和縫隙腐蝕均優于316不銹鋼、2205不銹鋼，在15℃下，不管是否進行氯化處理，022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼耐點腐蝕性優異；在40℃，當不加氯時，實驗結果為，該類型不銹鋼耐腐蝕性等同于00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L），比316不銹鋼、2205不銹鋼耐腐蝕性能高，此鋼耐點腐蝕性能好。但與00Cr20Ni18Mo6CuN（254 SMO）超級奧氏體不銹鋼比要低。

022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼管坯生產工藝

根據022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼特點，委托第三方鋼鐵廠提供管坯，采用“電弧爐初煉+爐外精煉+電渣重熔”的工藝冶煉022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼。制定如下管坯開發工藝：

電弧爐初煉的普通奧氏體不銹鋼，進行熔化、脫碳保鉻；爐外精煉采用預脫氧和深脫氧的精煉工藝，并控制N元素含量，使N元素含量的目標值與實際值的誤差在±5×10-3％；電渣重熔采用全程保護氣氛，設計出最適宜的電渣重熔工藝，并以鍛坯交貨。按該冶煉工藝冶煉的022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼管坯，其各項性能滿足技術要求。

基于022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管的最終用途，進行化學成份優化設計，通過與904L不銹鋼耐腐蝕性能對比，進行成分優化，添加0.01％～0.03％的La-Ce復合稀土，稀土元素原子通過在晶界上與其他合金元素交互作用，引起晶界結構重組、化學成分偏聚和能量勢壘的變化，并最終影響各元素的擴散、形核及長大，從而優化不銹鋼的性能。稀土元素還可以與不銹鋼中夾雜物形成高熔點化合物從而消除低熔點夾雜導致的不銹鋼高溫性能的降低。

022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼無縫管制備工藝

根據加熱、穿孔、固溶處理、酸洗鈍化等工藝設計，并對022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管化學成份、機械性能及晶間腐蝕性能進行檢測分析，確定其工藝的可行性，將其該工藝產生的經濟效益與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管的生產工藝及制造成本進行對比分析。

注：虛線線框中為關鍵過程即創新點。

熱擠壓工藝

對于一般不銹鋼鋼管產品的研發和生產，我國傳統工藝是采用“熱穿孔+冷軋（拔）”路線，該工藝路線生產成本低、效率高。但對于022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼這種高氮無縫鋼管，由于考慮到其組織結構、熱塑性與一般不銹鋼鋼管產品不同，國際上通常采用熱擠壓工藝方式進行加工制造。通過熱擠壓工藝制造的擠壓鋼管，其表面質量、尺寸精度和鋼管內部組織狀態對后續進行管材冷加工的質量有十分重要的影響。生產022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼無縫管母管，其熱擠壓工藝為：

1）將鋼棒加熱到 1060℃～1080℃，保溫2h；

接著立即將鋼棒溫度降低到990℃～1020℃，保溫4h；

最后鋼棒溫度在1020℃時采用鉬釘頭對鋼棒進行穿孔。

穿孔工藝

鉬含量高會提高硬度，022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼無縫管母管的含鉬量高于3.5％，在傳統工藝下穿孔溫度遠高于1020℃，因此，在熱擠壓工藝步驟1、2 中，對鋼棒在高溫環境下的兩次保溫處理是為了使鋼棒充分固熔，經過兩次固熔后鋼棒物理和化學性能均得到提升，使穿孔工藝有條件在相對低溫的1020℃實施，從而使步驟3的穿孔能夠順利實施，上述穿孔工藝一次穿孔數量最好是10根，每穿孔10根后鉬頂頭一般需要10min冷卻。

熱穿孔工藝技術是批量、穩定生產合格022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管的關鍵，也是難點之一。通過對熱穿孔工藝技術參數，包括鋼管坯料加熱工藝（溫度控制、時間控制等）、穿孔工藝（包括鉬鉆頭和管坯壓比控制、鉆壓時間控制、鉆壓速度控制及溫差比計算）等的研究和摸索，已充分掌握批量生產022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼無縫管母管的技術要點。

冷加工和內外表面處理

經過熱穿工藝孔后，不銹鋼母管還要經過多道冷加工和內外表面處理工藝才能得到最終的不銹鋼產品。022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管冷、熱加工性能較好，適宜的熱加工溫度為1000～1100℃，溫度再高會使鋼的熱加工塑性降低，并導致表面氧化加重，此鋼的冷加工硬化傾向較強，但并不影響此鋼的冷加工性以及鋼管的冷彎曲等冷成型，但是加工變形量大的時候需要及時進行中間軟化熱處理。經過多次冷拉冷拔后，每次都要進行1000～1100℃的固溶處理和酸洗鈍化處理。

固溶處理和酸洗鈍化處理

022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管熱處理及鈍化工藝是采用擁有獨立自主知識產權的發明專利設備及工藝，將鋼管加入到1050℃保溫后利用帶有重金屬廢水噴淋，使鋼管急速快冷。該項工藝不僅能夠增強鋼管強度及鋼管表面的耐腐蝕性能，同時還環保利用了工業廢水資源，降低了工業廢水中的重金屬含量超標對環境的污染，循環利用過的廢水，在排放時候，加上適量的片堿或石灰使酸堿中和后，其重金屬Ni、Cr及氟化物含量遠遠低于國家工業廢水一級排放標準值，實現了節能減排，有效利用廢物資源。在市場中使022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管相比更加具有可比性和競爭力。

結語

從022Cr18Ni15Mo4N奧氏體無縫不銹鋼管的品質要求著手，對經過成分優化的鋼坯經行冷、熱穿孔、加工成型和熱處理鈍化后處理，研究了化學成份、力學性能、耐腐蝕性能的影響，研制出符合相應設計要求的高耐海水腐蝕性的022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼無縫管。該不銹鋼鋼管的實物質量和性能與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管相當，且生產加工成本比00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管低30％～40％，完全可以替代00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管在海水淡化、海洋平臺及深海工程上應用，可以為我國大型海洋工程項目提供管件配套和服務。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.036