高品质特殊钢技术开发的背景与目标_陈思联

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2 超超临界火电机组用关键锅炉管材 超超临界火电机组成套技术是我国优化发展 火电结构, 保证国家能源安全, 实现节能减排的最 重要措施之一, 而高品质锅炉钢管材是关键材料。 世界各国投入研究力量最多的是高温高压用耐热 钢管材。日本 20 世纪 50 年代从美国、 德国引进 技术, 1981 年开始超超临界 发电研究计划 , 1997 年政府资助 N I M S 开展 650 蒸汽参数铁素体耐 热钢基础研究 ( 超级钢 项目的课题之一 ) 。欧 洲 实 施 COST 501 计 划 ( 1983 - 1997 年 , 参 数 30M Pa、600 /620 ) 和 COST522 计 划 ( 1998 ), 热效 率达到 50 %。 2003 , 参数 > 30 M Pa 、 650
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图 1 铁素体不锈钢的分类
铁素体不锈钢的生产要求严格, 冶炼、 连铸、 连轧, 退火、 酸洗的每一个工序均要严格控制, 以 保证产品质量。铁素体不锈钢生产技术开发主要 围绕高洁净度冶炼、 高等轴晶连铸、 高效率连续轧 制、 连续退火酸洗等关键工艺, 已经取得了很好的 成绩。 我国学者在不锈钢精炼理论和技术方面开展 了深入研究
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2009 年第 2期 温长时试验数据库。 3 节能微合金非调质钢棒材 源于 20 世纪 70年代初石油危机的微合金非 调质钢三十多年来发展迅速, 其研究、 生产和应用 工作不断加强。其强韧性不断增加 , 从开始的替 代热处理碳结钢 , 到后来的替代热处理合结钢 ; 钢 中的夹杂元素 [ S] 提高切削性能, [ O ] 提高韧性, [ N] 促进析出强化等有利化运用工作; 控制钢中 的主要化学合金元素成分范围不断减小; 基于控 锻控冷的锻件组织控制技术发展迅速 ; 热轧钢材 的表面质量不断提高 ; 在汽车锻件上的应用范围 不断扩大, 几乎可以扩大应用到所有的锻钢件。 非调质钢利用控轧 ( 锻 ) 控 冷来获得所需强 韧性, 化学成分波动和组织均匀性对性能影响较 大。高品质非调质钢生 产采用炉外精炼 控制成 分、 微量元素精确控制、 夹杂元素有利化、 控锻控 冷、 高表面质量等技术 , 保证钢材的冶金质量和性 能稳定。非调质钢零件 一般需要经过机 加工工 序 , 故需要良好的切削性能 , 以保障高生产效率和 良好的表面质量。非调质钢中的硫化物控制技术 非常关键, 除了影响切削性能之外, 利用好它还可 以提高热 锻件的力学性能。在化学成分 的窄范
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1 / 4左右。占镍消耗量 2 / 3 的不锈钢产业快速发 展 , 拉动了镍需求特别是中国 不锈钢 ( 奥 氏体不 锈钢 )生产和消 费的增长, 对镍资源的需 求大幅 度增加。镍价的高位和盘整促进了铁素体不锈钢 的开发。我国不锈钢工业应实现铁素体不锈钢的 全流程工业生产 , 促进铁素体不锈钢的应用, 使不 锈钢的消费结构合理化, 节约镍资源 , 稳定不锈钢 生产和消费。 铁素体 不 锈 钢 是 一类 含 铬 量 在 10 . 5 % ~ 32% 、 在高温和室温均为铁素体组织的不锈钢, 是 不能通过热处理强化的不锈钢。可以按照铬含量 的高低和合金化特点 , 将铁素体不锈钢分为 5 类,
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。根 据我国特 殊钢
生产流程和工艺技术发展, 紧密结合产品的市场 需求, 考虑节能减排的国家目标 , 在中国钢铁工业 协会的组织下, 开展了铁素体不锈钢板带材、 超超 临界火电机组用关键锅炉管材、 节能微合金钢棒 材、 高品质模具钢锻材等技术研发工作, 通过此项 工作促进高品质特殊钢生产和应用技术进步。 1 铁素体不锈钢板带材 我国不锈钢产量增长突飞猛进。 2007 年生产 不锈钢 720万 ,t 占世界不锈钢产量 ( 2 900万 t / a)的
世
界 钢
铁
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57 见图 1 。铁素体不锈钢具有良好的 力学性能, 其屈服强度高于奥氏体不锈钢, 延伸率和成型性 与低碳钢相近。铁素体不锈钢冷加工硬化倾向较 低 , 有优良的耐全面腐蚀和耐各种局部腐蚀性能, 特别是耐氯化物应力腐蚀性能优异。铁素体不锈 钢的导热系 数是铬镍奥氏体不锈钢的 135 %, 热 膨胀系数约是铬镍奥氏体不锈钢的 60 % , 适用于 热胀冷缩、 有热循环的场合。铁素体不锈钢有三 方面的缺点和一个方向的不足 : 存在 3 个脆性区 ( 475 脆性、 中温脆性和高温脆性 )、 脆性转变温 度高且室温韧性低、 对晶间腐蚀更敏感、 较 18- 8 型奥氏体不锈钢的冷成型性不足
图 2 电站用耐热钢提高持久强度的发展历程
展
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耐热钢管材课题将在 以下 3 个方面取 得进 : 建立从材料成分设计 冶炼 铸造 热加
围、 硫化物、 组织精细控制等方面还要开展工作。 由于微合金元素的价格居高不下 , 所以还需要考 虑少添加或不添加微合金元素的新型非调质钢。 一般非调质钢的抗拉强度在 700 ~ 900 M Pa (0 . 2 % ~ 0 . 5% C) 内, 与调质钢相当, 高于热轧态 碳结钢。如果在中碳钢的扩散相变中运用组织细 化的思路 (在翁宇庆负责的新一代钢铁材料研发 中成功实践的技术 ), 是否可以提高碳结 钢的强 度 , 达到微合金非调质钢的强度呢 ? 就已有的研 究工作来看 , 可以认为有可能做到这一点 , 如图 3 。这样就可以碳素非调质钢替代微合金非调质 钢 , 节约合金元素 , 进一步降低钢材成本。这项工 作将在此次课题中深入开展。 需要研发 高品质非调质钢 所需的窄 成分 精确控制、 硫化物等第二相细化及均匀分布技术、 铸坯成分偏析控制技术、 控轧 ( 锻 ) 控冷技 术、 锻 轧过程中组织、 性能演变及其预报技术及非调质 钢应用技术等关键技术。典型高品质非调质钢力 学性能达到使用要求: 胀断连杆用高碳钢 C70S6 的 R m = 900~ 1 050 MP a ; 半轴、 花键轴、 离合器分 离叉用中碳钢的 R m = 840~ 1 100 MP a ; 前轴用中
热钢管 ; 日本、 韩国和欧洲 80 % 的汽车锻钢件均 采用省去了热处理工序的微合金非调质钢, 而我 国仅有部分曲轴和连杆等汽车部件使用。市场和 社会发展需要 高性能、 低成本、 高精度、 易加工、 绿色化 等高品质特征的特殊钢产品。 为了提高市场竞争力 , 特殊钢企业结构和流 程结构不断优化。殷瑞钰提出的现代钢厂模式阐 明了这种变化
0 前言 特殊钢是重大装备制造和国家重点工程建设 所需的关键材料 , 是钢铁材料中的高技术含量产 品 , 其生产和应用代表了一个国家的工业化发展 水平。特殊钢占钢总量的比重、 特殊钢产品结构、 质量和应用等是反映一个国家钢铁工业发展水平 的重要标志。近年来 , 在我国社会和经济快速发 展的带动下 , 我国特殊钢生产和市场发展迅速 , 特 殊钢生产装备和工艺技术不断提高 , 特殊钢产量 和产品质量持续 提高, 市场满足程度不 断增长。 但是, 相比我国快速发展的普通钢行业, 我国特殊 钢行业技术发展速度还是慢一些 , 与国际先进水 平的差距也比普通钢行业大。 我国特殊钢板带材、 管材、 棒线材、 锻材、 线材 专业化生产线正在逐步形成, 拥有了较先进的特 殊钢生产装备。特殊钢技术不断发展 , 先进的特 殊钢冶炼和精炼工艺技术可以准确地将化学成分 控制在较窄的范围内, 特殊钢的凝固工艺技术可 以保证钢坯 ( 锭 ) 的化学成分和组织的高均匀度, 变形工艺技术能够满足钢材精确形状尺寸和组织 状态的控制要求 , 热处理工艺技术可以精确控制 钢材和部件的组织和性能。提高生产工艺技术水 平 , 可以改善特殊钢产品的纯净度、 化学成分控制 精确度、 组织均匀性、 性能的稳定性、 尺寸精度、 表 面质量、 包装质量等。 相比普通钢 , 特殊钢中的合金元素含量高 , 生 产工艺较复杂, 并且需要热处理 , 因此资源和能源 消耗相对较大。例如 , 我国铁素体不锈钢仅占不 锈钢总产量的 25 % 左右 (日本为 40 % , 各工业化 国家均有较大比重 ) , 以 C r- N i系奥氏体钢为主 要品种的我国不锈钢产业, 每年消耗大量的金属 镍资源 ; 我国需要研发满足高效率火电锅炉用耐
58 600 超临界和超超临界机用钢材经十多年的运 行已经可以满足使用 要求, 正在研制 650 蒸汽 温度参数机组用耐热 钢, 预研 700 蒸汽温度参 数机组用耐热钢。 耐热钢的发展水平, 决定了不同时期的火电 机组运行参数, 在 20世纪 20 年代使用碳钢 , 蒸汽 压力 4 M Pa, 温度 370 。随着 M o 钢的出现 , 参 数提高到 10 M Pa 和 480 。直到 20 世纪 50 年 代 , 由于 Cr M o 钢的应用, 参数 提高到 17 M Pa 和 566 。 20 世纪 70 年代能源危机, 为了提高热效 率 , 使美、 日、 欧各国重新开始对高参数用钢的开 发 , 重点发展导热系数大, 热膨胀系数小的铁素体 型 ( 马氏体 ) 钢, 尤 其是 9 % ~ 12% C r 钢的研 究, 替代奥氏体钢。图 2 示出了 600 、 10 h 下耐热 钢持久强度发展的进程。
, 达到以下目标
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课题依托单位 (太钢、 宝钢不锈钢 ) 铁素体不 锈钢所占产量比例由 20 % 提高到 50 % , 产量可达 到 200万 t左右, 节约镍资源; 提高钢的洁净度达 到 ( [C] + [N] ) 150 10 , 提高均匀度 , 高
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成形性能铁素体不锈钢铸坯的等轴晶比例从目前 的 30 % 提高到 50 % ; 低铬 ( 10 % ~ 14 % C r) 铁素体 不锈钢具有优异的成型性 , 平均塑性应变比 r 1 . 3 , 轿车冷凝液系统用材料使用寿命大于 5 年; 中铬 ( 14 % ~ 22 % C r) 铁素体不锈钢的平 均塑性 应变比 r 1 . 2 , 在海洋大气、 工业大气、 自来水中 耐点蚀、 缝 隙腐 蚀、 应力 腐 蚀 性 能 相当 或 优 于 304 、 316 不锈钢 ; 高铬 ( 22 % ~ 30 % C r) 钼铁素体 不锈钢在海洋环境或强氯化物介质中无应力腐蚀 倾 向, 在 6 % F eC l3 溶 液 中 的 临 界 点 蚀 温 度 70 , 在 6 % FeC l3 溶液中的临界缝隙腐蚀温度 40 。