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00Cr25Ni22Mo2、X2CrNiMoN25-22-2、310MoLN、S31050、022Cr17Ni14Mo2、X2CrNiMoN18-14-3、S31603尿素級超低碳奧氏體不銹鋼
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-05-27
00Cr25Ni22Mo2、X2CrNiMoN25-22-2、310MoLN、S31050、022Cr17Ni14Mo2、X2CrNiMoN18-14-3、S31603尿素級超低碳奧氏體不銹鋼
?國內(nèi)外大量采用二氧化碳汽提工藝來生產(chǎn)尿素，一般是在14~25MPa高壓和180~210℃溫度條件下，由二氧化碳和氨合成。在高溫高壓條件下，尿素生產(chǎn)過程中的中間反應(yīng)物——氨基甲酸銨（尿素甲銨液）等，對不銹鋼有強(qiáng)烈的腐蝕性。近年來，我國的化肥生產(chǎn)，尤其是尿素的生產(chǎn)，有了較快發(fā)展。尿素不僅可作化肥使用，而且也是重要的化工原料，以及醫(yī)藥藥劑原材料。但是，尿素設(shè)備廠家制造尿素生產(chǎn)設(shè)備所用的材料，尤其是尿素級超低碳奧氏體不銹鋼（簡稱尿素級不銹鋼），長期依賴進(jìn)口。尿素級不銹鋼材料主要包括鋼管、換熱管、圓棒、鋼板和焊材等。國外的尿素級不銹鋼鋼管生產(chǎn)廠家主要有瑞典Sandvik、瑞典Outokumpu、德國SMST、日本Kobe?Steel等；尿素級不銹鋼圓棒（規(guī)格Ф325mm以下）生產(chǎn)廠家主要有瑞典Sandvik和德國SMST。對于尿素級不銹鋼產(chǎn)品，上述廠家處于壟斷地位，價格昂貴，交貨周期長，甚至廠家不外賣原材料。?
目前，最主要的尿素級不銹鋼牌號是尿素級25.22.2（中國標(biāo)準(zhǔn)牌號00Cr25Ni22Mo2，歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)牌號X2CrNiMoN25-22-2，商業(yè)牌號310MoLN，）美國材料與試驗協(xié)會牌號UNS?S31050，美國機(jī)械工程師協(xié)會牌號ASME?CODE?CASE?2038）和尿素級316L?Mod（中國標(biāo)準(zhǔn)牌號022Cr17Ni14Mo2，歐洲EN標(biāo)準(zhǔn)牌號X2CrNiMoN18-14-3，美國材料與試驗協(xié)會牌號UNS?S31603）。浙江久立特材科技股份有限公司（簡稱久立特材）成功研發(fā)出尿素級不銹鋼產(chǎn)品，使我國具備生產(chǎn)尿素級不銹鋼鋼管的生產(chǎn)能力，滿足國內(nèi)尿素設(shè)備廠家對此類鋼管的需求，降低了對國外同類產(chǎn)品的依賴程度。本文主要介紹久立特材研發(fā)尿素級25.22.2不銹鋼鋼管的情況。
1、尿素級不銹鋼鋼管的技術(shù)要求及特點
目前，尿素級不銹鋼在國內(nèi)外尚未形成國家級或協(xié)會級標(biāo)準(zhǔn)，只有一些尿素工程公司制定的企業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如中國五環(huán)工程有限公司的14-A32S-95《尿素廠X2CrNiMo25-22-2不銹鋼的材料要求》、30-A10S-95《尿素廠316L?Mod不銹鋼的材料要求》，以及意大利Snamprogetti公司的《SPC.CR.UR.510?Rev.03一般規(guī)范尿素裝置用奧氏體不銹鋼高壓部分》等。上述規(guī)范對尿素級不銹鋼的化學(xué)成分、金相組織、耐腐蝕性能提出了特殊要求，但其本身不是一個獨立的材料標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)與各國的不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)配合使用。
由于尿素級不銹鋼鋼管在尿素生產(chǎn)設(shè)備中充當(dāng)流體管或者管道，是在高溫、高壓下的甲銨液強(qiáng)烈腐蝕介質(zhì)中服役，因此對尿素級不銹鋼鋼管的要求十分苛刻。綜合各工程公司的技術(shù)條件，對尿素級不銹鋼鋼管的特殊要求歸納如下。
1.1、化學(xué)成分
普通的奧氏體不銹鋼在尿素介質(zhì)中的耐腐蝕性能并不理想，隨著國內(nèi)特殊鋼冶煉新技術(shù)的進(jìn)步，采用“爐外精煉+電渣重熔”工藝冶煉超低碳不銹鋼，可提高鋼的純凈度，使尿素級不銹鋼的國產(chǎn)化成為可能。尿素級25.22.2不銹鋼的主要特點是低碳、低硅、高氮，并具有穩(wěn)定的奧氏體組織及高抗腐蝕性；尿素級316L?Mod不銹鋼的主要特點是低硅、高鉬，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。兩種尿素級不銹鋼的化學(xué)成分見表1。
1.2、力學(xué)性能
尿素級不銹鋼鋼管以固溶態(tài)交貨，其力學(xué)性能見表2。
1.3、組織和耐腐蝕性能
（1）成品鋼管的組織為奧氏體，鐵素體含量≤0.6%，并且沒有其他相析出。
（2）固溶處理狀態(tài)下，進(jìn)行休氏試驗（65%沸騰硝酸失重檢驗）。尿素級25.22.2不銹鋼鋼管：48h、10個沸騰周期的平均總腐蝕率不超過1μm；第9、10周期的腐蝕率不得超過第8、9周期值中最低值的50%；休氏試驗后，通過顯微鏡檢測測定的選擇性腐蝕的浸蝕在任何地方不超過70μm。尿素級316L?Mod不銹鋼鋼管：48h、5個沸騰周期的平均總腐蝕率不超過3.3μm；第4、5周期的腐蝕率不得超過第3、4周期值中最低值的50%；休氏試驗后，通過顯微鏡檢測測定的選擇性腐蝕的浸蝕在垂直于軋制方向不超過70μm，在平行于軋制方向不超過200μm。
2、尿素級不銹鋼鋼管試制工藝及分析
2.1、管坯工藝
根據(jù)尿素級25.22.2不銹鋼的特點及久立特材的實際裝備情況，制定如下管坯開發(fā)工藝：配料→20t電弧爐初煉→20t?AOD爐精煉→模鑄成Ф350mm電極棒→電渣重熔Ф500mm鋼錠→修磨→加熱→鍛造→精整→檢驗→包裝、標(biāo)記→入庫→發(fā)貨。
2.1.1成分優(yōu)化設(shè)計
基于尿素級25.22.2不銹鋼鋼管的最終用途，進(jìn)行化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)低碳、低硅、高氮和穩(wěn)定奧氏體組織及高抗腐蝕性要求。為了使成品組織中的鐵素體含量≤0.6%，Cr當(dāng)量應(yīng)盡量低一些，而Ni當(dāng)量應(yīng)盡量高一些。若Cr當(dāng)量太低，必然導(dǎo)致Cr含量與Mo含量低，這對耐失重腐蝕及耐點蝕性能不利；若Ni當(dāng)量增高，必然需要增加Ni元素和C元素的含量，這對產(chǎn)品成本及耐腐蝕性能同樣不利。因此，尿素級25.22.2不銹鋼的成分應(yīng)在化學(xué)成分控制范圍內(nèi)，合理搭配。尿素級25.22.2不銹鋼的設(shè)計成分見表3。
2.1.2、冶煉工藝
尿素級25.22.2不銹鋼采用“電弧爐初煉+爐外精煉+電渣重熔”的冶煉工藝。電弧爐初煉的普通奧氏體不銹鋼，進(jìn)行熔化、脫碳保鉻；爐外精煉采用預(yù)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(biāo)值與實際值的誤差在±5×10-3%；電渣重熔采用全程保護(hù)氣氛，設(shè)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尿素級25.22.2管坯，其各項性能滿足技術(shù)要求。
2.1.3、采用微合金化技術(shù)
稀土元素原子在晶界上偏聚，并與其他元素交互作用，可引起晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量的變化，并影響其他元素的擴(kuò)散及新相的形核與長大，最終導(dǎo)致鋼的組織與性能發(fā)生變化。稀土元素在鋼中有一定的固溶量，它在晶界上偏聚可抑制硫、磷及低熔點雜夾物在晶界偏析，并與夾雜物形成高熔點化合物，消除低熔點夾雜的有害影響。稀土元素可凈化、強(qiáng)化晶界，阻礙晶間裂紋的形成與擴(kuò)展，有利于鋼材的高溫塑性和耐腐蝕性。
2.2、制管工藝
2.2.1、熱加工成型工藝
對于一般不銹鋼鋼管產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，我國傳統(tǒng)工藝是采用“熱穿孔+冷軋（拔）”路線，該工藝路線生產(chǎn)成本低、效率高。但對于高鉻、高鉬的合金管產(chǎn)品，由于其組織結(jié)構(gòu)、熱塑性與一般不銹鋼鋼管產(chǎn)品不同，特別是有特殊要求的尿素級不銹鋼鋼管；因此，采用熱擠壓工藝制造尿素級不銹鋼母管。熱擠壓工藝是國際上通用的高合金鋼管加工方式。擠壓管管材表面質(zhì)量、尺寸精度和組織狀態(tài)對后續(xù)冷加工管材的質(zhì)量有重要影響。久立特材采用鍛造大棒料、大的擠壓變形比，生產(chǎn)了尿素級25.22.2不銹鋼母管，其熱擠壓工藝參數(shù)見表4。
熱擠壓工藝技術(shù)是批量、穩(wěn)定生產(chǎn)合格尿素級不銹鋼鋼管的關(guān)鍵，也是難點之一。久立特材通過對熱擠壓工藝技術(shù)參數(shù)，包括擠壓坯料加熱工藝、潤滑技術(shù)（潤滑劑種類、潤滑方式等）、熱擠壓工藝（包括擠壓比控制、擠壓力、擠壓速度）等的研究和摸索，已充分掌握批量生產(chǎn)尿素級25.22.2不銹鋼母管的技術(shù)要點。
2.2.2、冷加工工藝
熱擠壓母管的內(nèi)外表面處理后，經(jīng)多道次冷加工，才能得到成品尺寸的管材。久立特材試生產(chǎn)了尿素級25.22.2換熱管，其冷加工及中間熱處理工藝參數(shù)見表5。
試制時，需要嚴(yán)格控制管材的尺寸精度和表面質(zhì)量，因此對冷加工工藝技術(shù)提出了十分嚴(yán)格的要求。通過對冷加工工藝，包括工模具選型、工藝參數(shù)（包括變形量、變形道次、送進(jìn)量和軋制速度等）的確定，經(jīng)多次試驗和驗證，久立特材已充分掌握尿素級25.22.2不銹鋼鋼管的冷加工工藝技術(shù)，為大批量生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)。
2.2.3、熱處理工藝
尿素級不銹鋼鋼管最重要的性能是抗腐蝕能力。當(dāng)化學(xué)成分固定后，熱處理制度對材料的耐腐蝕性能是至關(guān)重要的。尿素級25.22.2不銹鋼鋼管的熱處理一般采用固溶處理，其工藝參數(shù)見表6。久立特材通過對加熱速度、保溫溫度、保溫時間、冷卻速度等方面的研究，針對不同規(guī)格的鋼管采取合適的固溶熱處理工藝制度，確保產(chǎn)品的綜合性能滿足尿素級25.22.2不銹鋼鋼管的技術(shù)條件要求。
久立特材生產(chǎn)的尿素級25.22.2換熱管的化學(xué)成分見表7，常溫拉伸性能見表8，高溫短時拉伸性能見表9，金相組織如圖1所示。注：尿素級25.22.2換熱管常溫拉伸性能目標(biāo)值為Rm≥580MPa，Rp0.2≥270MPa，A≥25%。
注：尿素級25.22.2換熱管高溫短時拉伸性能目標(biāo)值為Rp0.2≥206MPa。
從圖1可以看出：尿素級25.22.2換熱管的金相組織為單相奧氏體組織，晶粒度為7.5級（圖1a）和7.0級（圖1b），通過鐵素體測定儀測定及金相觀察，未發(fā)現(xiàn)鐵素體組織及其他有害相。
尿素級25.22.2換熱管的非金屬夾雜物評級結(jié)果見表10，休氏試驗結(jié)果見表11。結(jié)果表明：該尿素級不銹鋼鋼管在生產(chǎn)過程中得到較好控制。
3、影響尿素級不銹鋼鋼管質(zhì)量的因素
對于尿素用鋼，耐腐蝕性能是最重要的使用性能。對耐腐蝕性能的研究也是久立特材開發(fā)產(chǎn)品過程中的研究重點。現(xiàn)著重分析鋼的純凈度和鋼管表面質(zhì)量對耐腐蝕性能的影響。
3.1、鋼的純凈度
在現(xiàn)行的尿素級不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)和用戶技術(shù)條件對質(zhì)量要求的內(nèi)容中，化學(xué)成分、力學(xué)性能、組織、腐蝕性能、非金屬夾雜物、表面質(zhì)量、無損探傷等檢測結(jié)果均與鋼的純凈度有關(guān)；因此在冶煉尿素級不銹鋼時，需嚴(yán)格控制S、P、H、O、N等元素的含量以及非金屬夾雜物。
對于不銹鋼的冶煉，普遍且成熟的方法是采取AOD、VOD等爐外精煉技術(shù)，而對于尿素級不銹鋼，提高鋼的純凈度最為關(guān)鍵。針對尿素級不銹鋼的特殊要求，采取“電弧爐初煉+AOD爐外精煉+電渣重熔”冶煉工藝，使鋼中C、S、P、H、O等元素達(dá)到較低水平，實際w（S）≤0.005%，w（P）低于用戶要求的0.020%，[H]≤1×10-3%，[O]≤2×10-3%。通過對原材料、造渣材料、脫氧材料的質(zhì)量控制，以及澆鑄系統(tǒng)等用耐火材料的烘烤，提高煉鋼氣體純度等，有效防止雜質(zhì)進(jìn)入鋼液中。
3.2、鋼管表面質(zhì)量
尿素級不銹鋼都要求通過晶間腐蝕檢驗。晶間腐蝕評定的目的是為了檢驗鋼種的化學(xué)成分和鋼材在生產(chǎn)過程中工藝控制的好壞。休氏試驗是一種檢測晶間腐蝕傾向的方法，在某種程度上可反映出選擇性腐蝕和C、Si、P等有害元素對晶間腐蝕的影響，用于評定尿素介質(zhì)中使用的Cr-Ni-Mo奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性，現(xiàn)是國際公認(rèn)的通用方法。影響尿素級不銹鋼休氏試驗腐蝕傾向的因素有很多，可以概括為：鋼的內(nèi)在品質(zhì)和表面質(zhì)量要受鋼的冶煉、加工等過程各方面的影響。除了化學(xué)成分、金相組織、晶粒度，以及鋼的純凈度以外，尿素級不銹鋼鋼管的表面質(zhì)量對腐蝕傾向也有很大影響。生產(chǎn)尿素級不銹鋼鋼管時，鋼管在熱擠壓、冷加工、熱處理、酸洗等多個工序有可能接觸到其他污染物；因此，在每個制造環(huán)節(jié)，控制鋼管表面清潔度至關(guān)重要。如：冷軋后去油操作需仔細(xì)，去油后用高壓水仔細(xì)沖洗，去油、脫脂后鋼管內(nèi)外表面需干凈，無油、無殘酸殘留；鋼管自檢合格后方可送下一道工序退火；在退火前，有些鋼管由于長時間堆放，導(dǎo)致表面污染，操作人員必須重新檢查鋼管內(nèi)外表面，表面清潔的鋼管方可退火。
大量的研究和試驗表明：對于尿素級不銹鋼，除化學(xué)成分、組織、性能外，鋼的純凈度和表面質(zhì)量對尿素級不銹鋼的成功研發(fā)有極其重要的影響。
4、結(jié)語
久立特材從尿素級不銹鋼鋼管的質(zhì)量特性要求出發(fā)，通過對材料優(yōu)化、熱擠壓成型、冷加工成型、熱處理等工藝環(huán)節(jié)的控制，研究了化學(xué)成分、熱處理制度、有害元素以及添加元素的含量對產(chǎn)品α相、σ相、碳化物、機(jī)械性能、耐腐蝕性能的影響，研制出符合相應(yīng)設(shè)計要求的尿素級25.22.2不銹鋼鋼管。該尿素級25.22.2不銹鋼鋼管的實物質(zhì)量和性能與國外進(jìn)口材料相當(dāng)，推動了尿素級不銹鋼的國產(chǎn)化，可為我國大型化工項目提供服務(wù)。
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