尿素级超低碳奥氏体不锈钢钢管的研制及应用（论文） .pdf

万方数据 美国材料与试验协会牌号u n ss 3 1 0 5 0 美国机械 工程师协会牌号a s m ec o d ec a s e2 0 3 8 和尿素 级31 6 lm o d 中国标准牌号0 2 2 c r l 7 n 订4 m 0 2 欧 洲e n 标准牌号x 2 c r n i m o n l 8 1 4 3 美国材料与 试验协会牌号u n ss 316 0 3 浙江久立特材科技股 份有限公司 简称久立特材 成功研发出尿素级不锈钢 产品 使我国具备生产尿素级不锈钢钢管的生产 能力 满足国内尿素设备厂家对此类钢管的需求 降低了对国外同类产品的依赖程度 本文主要介绍 久立特材研发尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的情况 1 尿素级不锈钢钢管的技术要求及特点 目前 尿素级不锈钢在国内外尚未形成国家级 或协会级标准 只有一些尿素工程公司制定的企业 级标准规范 如中国五环工程有限公司的1 4 一 a 3 2 s 一9 5 尿素厂x 2 c r n i m 0 2 5 2 2 2 不锈钢的材料 要求 3 0 一a 1 0 s 一9 5 尿素厂3 1 6 lm o d 不锈钢的材 料要求 以及意大利s n a m p r o g e t t i 公司的 s p c c r u r 5 1 0r e v 0 3 一般规范尿素装置用奥氏体不 锈钢高压部分 等 上述规范对尿素级不锈钢的化 学成分 金相组织 耐腐蚀性能提出了特殊要求 但其本身不是一个独立的材料标准 应与各国的不 锈钢标准配合使用 由于尿素级不锈钢钢管在尿素生产设备中充当 流体管或者管道 是在高温 高压下的甲铵液强烈 腐蚀介质中服役 因此对尿素级不锈钢钢管的要求 十分苛刻 综合各工程公司的技术条件 对尿素级 不锈钢钢管的特殊要求归纳如下 1 1 化学成分 普通的奥氏体不锈钢在尿素介质中的耐腐蚀性 能并不理想 随着国内特殊钢冶炼新技术的进步 采用 炉外精炼 电渣重熔 工艺冶炼超低碳不锈钢 可提高钢的纯净度 使尿素级不锈钢的国产化成为 可能 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢的主要特点是低碳 低硅 高氮 并具有稳定的奥氏体组织及高抗腐蚀 性 尿素级3 1 6 lm o d 不锈钢的主要特点是低硅 高钼 具有稳定的奥氏体组织 两种尿素级不锈钢 的化学成分见表1 表1两种尿素级不锈钢的化学成分 质量分数 1 2 力学性能 尿素级不锈钢钢管以固溶态交货 其力学性能 见表2 表2 两种尿素级不锈钢钢管的力学 陛能 1 3 组织和耐腐蚀性能 1 成品钢管的组织为奥氏体 铁素体含量 0 6 并且没有其他相析出 f 2 固溶处理状态下 进行休氏试验 6 5 沸 腾硝酸失重检验 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管 4 8 h 1 0 个沸腾周期的平均总腐蚀率不超过1 m 第9 1 0 周期的腐蚀率不得超过第8 9 周期值中 最低值的5 0 休氏试验后 通过显微镜检测测 定的选择性腐蚀的浸蚀在任何地方不超过7 0 m s t e e lp i p eo c t 2 0 1 3 v 0 1 4 2 n o 5 尿素级3 1 6 lm o d 不锈钢钢管 4 8h 5 个沸腾周 期的平均总腐蚀率不超过3 3l l m 第4 5 周期的 腐蚀率不得超过第3 4 周期值中最低值的5 0 休氏试验后 通过显微镜检测测定的选择性腐蚀的 浸蚀在垂直于轧制方向不超过7 0 斗m 在平行于轧 制方向不超过2 0 0l l m 2 2 尿素级不锈钢钢管试制工艺及分析 2 1 管坯工艺 根据尿素级2 5 2 2 2 不锈钢的特点及久立特材 的实际装备情况 制定如下管坯开发工艺 配料 2 0t 电弧炉初炼 2 0ta o d 炉精炼 模铸成中3 5 0 m m 电极棒 电渣重熔 5 0 0m m 钢锭 修磨 加 热 锻造 精整 埘佥验 包装 标记 入库 发货 2 1 1 成分优化设计 基于尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的最终用途 进行化学成分优化设计 实现低碳 低硅 高氮和 稳定奥氏体组织及高抗腐蚀性要求 为了使成品组 万方数据 织中的铁素体含量 o 6 c r 当量应尽量低一些 而n i 当量应尽量高一些 若c r 当量太低 必然导 致c r 含量与m o 含量低 这对耐失重腐蚀及耐点 蚀性能不利 若n i 当量增高 必然需要增加n i 元 素和c 元素的含量 这对产品成本及耐腐蚀性能 同样不利 因此 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢的成分应在 化学成分控制范围内 合理搭配 引 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢的设计成分见表3 表3 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢的设计成分 质量分数 2 1 2 冶炼工艺 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢采用 电弧炉初炼 炉外 精炼 电渣重熔 的冶炼工艺 电弧炉初炼的普通奥 氏体不锈钢 进行熔化 脱碳保铬 炉外精炼采用 预脱氧和深脱氧的精炼工艺 并控制n 元素含量 使n 元素含量的目标值与实际值的误差在 5 1 0 弓 电渣重熔采用全程保护气氛 设计出最适宜的电渣 重熔工艺 并以锻坯交货 按该冶炼工艺冶炼的尿 素级2 5 2 2 2 管坯 其各项性能满足技术要求 2 1 3 采用微合金化技术 稀土元素原子在晶界上偏聚 并与其他元素交 互作用 可引起晶界结构 化学成分和能量的变 化 并影响其他元素的扩散及新相的形核与长大 最终导致钢的组织与 生能发生变化 稀土元素在钢 中有一定的固溶量 它在晶界上偏聚可抑制硫 磷 及低熔点杂夹物在晶界偏析 并与夹杂物形成高熔 点化合物 消除低熔点夹杂的有害影响 稀土元素 可净化 强化晶界 阻碍晶间裂纹的形成与扩展 有利于钢材的高温塑性和耐腐蚀性 2 2 制管工艺 2 2 1 热加工成型工艺 对于一般不锈钢钢管产品的研发和生产 我国 传统工艺是采用 热穿孔 冷轧 拔 路线 该工艺 路线生产成本低 效率高 但对于高铬 高钼的合 金管产品 由于其组织结构 热塑性与一般不锈钢 钢管产品不同 特别是有特殊要求的尿素级不锈钢 钢管 因此 采用热挤压工艺制造尿素级不锈钢母 管 热挤压工艺是国际上通用的高合金钢管加工方 式 6 挤压管管材表面质量 尺寸精度和组织状态 对后续冷加工管材的质量有重要影响 久立特材采 用锻造大棒料 大的挤压变形比 生产了尿素级 2 5 2 2 2 不锈钢母管 其热挤压工艺参数见表4 表4 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的热挤压工艺参数 热挤压工艺技术是批量 稳定生产合格尿素级 不锈钢钢管的关键 也是难点之一 久立特材通过 对热挤压工艺技术参数 包括挤压坯料加热工艺 润滑技术 润滑剂种类 润滑方式等 热挤压工 艺 包括挤压比控制 挤压力 挤压速度 等的研 究和摸索 已充分掌握批量生产尿素级2 5 2 2 2 不 锈钢母管的技术要点 2 2 2 冷加工工艺 热挤压母管的内外表面处理后 经多道次冷加 工 才能得到成品尺寸的管材 久立特材试生产了 尿素级2 5 2 2 2 换热管 其冷加工及中间热处理工 艺参数见表5 表5 尿素级2 5 2 2 2 换热管的冷加工及中间热处理工艺参数 丁文炎等 尿素级超低碳奥氏体不锈钢钢管的研制及应用 钢管2 0 1 3 年1 0 月第4 2 卷第5 期 万方数据 试制时 需要严格控制管材的尺寸精度和表面 质量 因此对冷加工工艺技术提出了十分严格的要 求 通过对冷加工工艺 包括工模具选型 工艺参 数 包括变形量 变形道次 送进量和轧制速度等 的确定 经多次试验和验证 久立特材已充分掌握 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的冷加工工艺技术 为 大批量生产奠定了良好的基础 2 2 3 热处理工艺 尿素级不锈钢钢管最重要的性能是抗腐蚀能 力 当化学成分固定后 热处理制度对材料的耐腐 蚀性能是至关重要的 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管 的热处理一般采用固溶处理 其工艺参数见表6 久立特材通过对加热速度 保温温度 保温时间 冷却速度等方面的研究 针对不同规格的钢管采取 合适的固溶热处理工艺制度 确保产品的综合性能 满足尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的技术条件要求 表6 尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的固溶处理工艺参数 2 3 成品分析 久立特材生产的尿素级2 5 2 2 2 换热管的化学 成分见表7 常温拉伸性能见表8 高温短时拉伸 性能见表9 金相组织如图1 所示 表7 尿素级2 5 2 2 2 换热管的化学成分 质量分数 表8 尿素级2 5 2 2 2 换热管的常温拉伸性能 注 尿素级2 5 2 2 2 换热管常温拉伸性能目标值为r 5 8 0 m p a r 2 7 0 m p a a 2 5 表9尿素级2 5 2 2 2 换热管的高温短时拉伸性能 注 尿素级2 5 2 2 2 换热管高温短时拉伸性能目标值为r m z 2 0 6m p a 从图1 可以看出 尿素级2 5 2 2 2 换热管的金 相组织为单相奥氏体组织 晶粒度为7 5 级 图1 a 和7 0 级 图lb 通过铁素体测定仪测定及金相观 察 未发现铁素体组织及其他有害相 尿素级2 5 2 2 2 换热管的非金属夹杂物评级结 果见表1 0 休氏试验结果见表1 1 结果表明 该 尿素级不锈钢钢管在生产过程中得到较好控制 s t e e lp i p e0 c t 2 0 1 3 v 0 1 4 2 n o 5 3 影响尿素级不锈钢钢管质量的因素 对于尿素用钢 耐腐蚀性能是最重要的使用性 能 对耐腐蚀性能的研究也是久立特材开发产品过 程中的研究重点 7 现着重分析钢的纯净度和钢管 表面质量对耐腐蚀性能的影响 3 1 钢的纯净度 在现行的尿素级不锈钢标准和用户技术条件对 万方数据 薪产品 开发3 9 a 晶粒度为7 5 级 b 晶粒度为7 o 级 图l尿素级2 5 2 2 2 换热管的金相组织 表1 0 尿素级2 5 2 2 2 换热管的非金属夹杂物评级结果 级 中1 9 o 2 o o 0 4 2 o 0 4 3 0 0 5 l o 0 4 60 0 6 2o 0 5 9o 0 5 5o 0 3 30 0 4 10 0 4 80 0 4 8 0 1 6 0 中2 5 4 2 50 0 1 5o 0 4 5o 0 3 7o 0 4 7o 0 6 20 0 5 80 0 6 50 0 2 20 0 4 7o 0 5 5o 0 4 5 o 1 6 0 质量要求的内容中 化学成分 力学性能 组织 腐蚀性能 非金属夹杂物 表面质量 无损探伤等 检测结果均与钢的纯净度有关 因此在冶炼尿素级 不锈钢时 需严格控制s p h o n 等元素的 含量以及非金属夹杂物 对于不锈钢的冶炼 普遍且成熟的方法是采取 a o d v o d 等炉外精炼技术 而对于尿素级不锈 钢 提高钢的纯净度最为关键 针对尿素级不锈钢 的特殊要求 采取 电弧炉初炼 a o d 炉外精炼 电 渣重熔 冶炼工艺 使钢中c s p h o 等元素 达到较低水平 实际埘 s 0 0 0 5 埘 p 低于用 户要求的0 0 2 0 h 1 1 0 3 o 2 1 0 3 通过对原材料 造渣材料 脱氧材料的质量控制 以及浇铸系统等用耐火材料的烘烤 提高炼钢气体 纯度等 有效防止杂质进入钢液中 3 2 钢管表面质量 尿素级不锈钢都要求通过晶间腐蚀检验 晶间 腐蚀评定的目的是为了检验钢种的化学成分和钢材 丁文炎等 尿素级超低碳奥氏体不锈钢钢管的研制及应用 在生产过程中工艺控制的好坏 休氏试验是一种检 测晶间腐蚀倾向的方法 8 在某种程度上可反映出 选择性腐蚀和c s i p 等有害元素对晶间腐蚀的 影响 用于评定尿素介质中使用的c 卜n i m o 奥氏 体不锈钢的晶间腐蚀敏感性 现是国际公认的通用 方法 影响尿素级不锈钢休氏试验腐蚀倾向的因 素有很多 可以概括为 钢的内在品质和表面质量 要受钢的冶炼 加工等过程各方面的影响 o 除了 化学成分 金相组织 晶粒度 以及钢的纯净度以 外 尿素级不锈钢钢管的表面质量对腐蚀倾向也有 很大影响 生产尿素级不锈钢钢管时 钢管在热挤 压 冷加工 热处理 酸洗等多个工序有可能接触 到其他污染物 因此 在每个制造环节 控制钢管 表面清洁度至关重要 如 冷轧后去油操作需仔 细 去油后用高压水仔细冲洗 去油 脱脂后钢管 内外表面需干净 无油 无残酸残留 钢管自检合 格后方可送下一道工序退火 在退火前 有些钢管 由于长时间堆放 导致表面污染 操作人员必须重 钢管2 0 1 3 年1 0 月第4 2 卷第5 期 万方数据 新检查钢管内外表面 表面清洁的钢管方可退火 大量的研究和试验表明 对于尿素级不锈钢 除化学成分 组织 性能外 钢的纯净度和表面质 量对尿素级不锈钢的成功研发有极其重要的影响 4 结语 久立特材从尿素级不锈钢钢管的质量特性要求 出发 通过对材料优化 热挤压成型 冷加工成 型 热处理等工艺环节的控制 研究了化学成分 热处理制度 有害元素以及添加元素的含量对产品 d 相 盯相 碳化物 机械性能 耐腐蚀性能的影 响 研制出符合相应设计要求的尿素级2 5 2 2 2 不 锈钢钢管 该尿素级2 5 2 2 2 不锈钢钢管的实物质 量和性能与国外进口材料相当 推动了尿素级不锈 钢的国产化 可为我国大型化工项目提供服务 2 5 2 2 2 不锈钢的材料要求 s 1 9 9 6 3 宫一衡 尿素级0 0 c r l 7 n i l 4 m 0 2 挤压管的研制 j 特钢 技术 1 9 9 4 1 5 1 2 9 3 2 4 胡兴军 子阴 稀土在钢中的应用 j 特钢技术 2 0 0 3 4 5 9 6 2 5 王晶 稀土铈对x 7 0 管线钢在西部土壤中腐蚀行为的影 响 d 包头 内蒙古科技大学 2 0 0 9 6 丁文炎 邵羽 苏诚 等 热挤压 冷轧 制造0 2 2 c r 2 5 n i 7 m 0 4 n 无缝钢管的工艺技术研究 j 钢管 2 0 1 2 4 1 1 3 5 3 8 7 宫一衡 尿素级0 0 c r l 7 n i 4 m 0 2 钢材 钢管 棒材及带 材 的开发 j 特钢技术 1 9 9 8 1 4 5 4 8 8 邱立平 梁成祥 尿素高压设备用钢 休氏法 腐蚀检验 方法的探讨 j 大连特殊钢 1 9 9 0 3 5 8 6 5 9 项廷爵 尿素级不锈钢及其应用 j 安庆石化 1 9 9 5 2 2 6 3 0 1 0 杨宜生 尿素级不锈钢的性能及其应用研究 j 特殊 钢 1 9 9 l 1 2 8 8 1 5 5 参考文献 1 陆世英 不锈钢 m 北京 原子能出版社 1 9 9 5 1 3 9 收稿日期 2 叭3 一o l 1 4 修定日期 2 0 1 3 一0 8 1 2 2 中国五环工程有限公司 1 4 一a 3 2 s 一9 5 尿素厂x 2 c r n i m o 口口口口口 t 信息 口口 口口口口q 9 口口 口口 口 口口口 口 口 口 口 口 p 口d 口 口口 口口 口 口口 天津钢管集团股份有限公司高钢级蒸汽输送管首次出口加拿大 2 0 1 3 年8 月1 9 日 天津钢管集团股份有限公司 简称天津钢管 生产的首批8 0 支中4 0 6 4m m 1 2 7m mc a ti ig r 4 4 8 蒸 汽输送管 1 2 3t 发往加拿大客户 这是该新品首次出口加拿大市场 打破了国际知名企业在加拿大市场的长期垄断 加拿大油田用于输送蒸汽 乳剂的管道 工作温度一般在3 2 0 左右 要求管道在服役温度下具有相应的强度 韧性和 承压能力 以保证安全运行 由于产品各项性能要求较高 加拿大高温蒸汽输送管道市场长期被国际知名企业垄断 为抢占 高端产品市场 天津钢管技术中心着手进行该类产品的研发 在现有高钢级管线钢的基础上 技术人员对钢种进行试验筛选 和优化 最终开发出符合加拿大c s az 2 4 5 1 标准技术要求的材质 并争取到了加拿大的试订单 经检验 首批成品钢管的 性能和尺寸完全满足客户要求 天津钢管集团股份有限公司周晓锋 陕西多伦科技发展有限公司设计制造的l g 9 2 0 三辊冷轧管机生产出大规格冷轧无缝钢管 2 0 1 3 年9 月2 8 日 由陕西多伦科技发展有限公司为扬州诚德钢管有限公司设计制造的l g 9 2 0 三辊冷轧管机成功生产 出一批中5 5 9m m 1 7m m 冷轧无缝钢管 早在2 0 1 3 年年初 该冷轧管机已生产出中9 1 4m m 2 5m m 冷轧无缝钢管 且全部 合格 l g 9 2 0 三辊冷轧管机通过更换轧辊和芯棒 能够生产直径9 1 4 8 6 4 7 6 2 7 1 1 6 6 0 6 3 0 6 0 9 5 5 9m m 壁厚1 7 5 0m m 长度大于1 2m 的冷轧无缝钢管 其主要特点是 多辊变断面 长变形区 主机全比例变量泵液压驱动 静压润滑 导轨 芯棒喷油润滑管坯内壁 工艺润滑液循环使用 送进机械同步 回转送进与主机电气联动 设备总重约31 0 0t 可 轧制不锈钢 低合金钢 高合金钢管材 陕西多伦科技发展有限公司阎善武白连海 s t e e lp i p e0 c