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不锈钢生产工艺概述 季志雷2009年5月8日 主要内容 一 不锈钢基础知识二 不锈钢炼钢工艺及装备三 不锈钢热轧工艺及装备四 不锈钢冷轧工艺及装备 在大气 水 酸 碱和盐等溶液 或其他腐蚀介质中具有化学稳定性的钢的总称耐大气 蒸汽和水等弱介质腐蚀的通常称为不锈钢耐酸 碱和盐等强介质腐蚀的通常称不锈耐蚀钢耐高温环境中介质腐蚀的通常称为不锈耐热钢不锈钢在石油化工 原子能 轻工 纺织 食品 家用器械 电器 汽车等方面应用广泛 不锈钢的定义 一 不锈钢基础知识 1904 1906年 法国人吉耶 L B Guillet 首先对Fe Cr Ni合金进行了基础研究1907 1911年 法国人波特万 A M Portevin 和英国人吉森 W Giesen 分别发现了Fe Cr和Fe Cr Ni合金耐蚀性1908 1911年 德国人蒙娜尔茨 P Monnartz 揭示了钢的耐蚀性原理并提出了钝化的概念1912 1913年 英国人布里尔利 H Brearly 发明了含12 13 Cr的马氏体不锈钢并获得专利1911 1914年 美国人Dantsizen发明了含14 16 Cr 0 07 0 15 C的铁素体不锈钢1912 1914年 德国人毛雷尔 E Maurer 和施特劳斯 B Strauss 发明了18 8奥氏体不锈钢 并于1929年取得专利权1931年 在法国的Uniex实验室开发了双相不锈钢 一 不锈钢基础知识 不锈钢的历史 不锈钢的耐腐蚀原理 Cr是比Fe更容易氧化的金属Cr与空气中的O2反应生成铬的氧化层稳定的氧化膜要求Cr 12 一 不锈钢基础知识 一 不锈钢基础知识 Cr对不锈钢的耐腐蚀性的影响 Fe Cr二元合金相图 一 不锈钢基础知识 Fe Cr二元相图 碳 氮对Fe Cr二元相图的影响 一 不锈钢基础知识 相界 相界 不锈钢的分类 一 不锈钢基础知识 合金元素与组织的关系 Schaeffler Delong图 420J1 Cr Cr 2Si 13 91 Ni Ni 25C 30N 0 5Mn 5 98BN1P Cr Cr 2Si 15 66 Ni Ni 25C 30N 0 5Mn 0 3Cu 12 37 一 不锈钢基础知识 420J1 BN1P 铬系 AISI400系 铬镍系 AISI300系 马氏体不锈钢 铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢 双相不锈钢 沉淀硬化不锈钢 Fe Cr C Fe Cr Ni 2Cr13 420 1Cr13 410 1Cr17Ni2 431 0Cr17 430 0Cr11Ti 409 AISI200系 0Cr19Ni9 304 0Cr17Ni12Mo2 316 1Cr17Mn6Ni5 201 1Cr18Mn8Ni5N 202 1Cr25Ni5Mo1 5 329 Cr25Ni5Mo3N 0Cr17Ni7Al AISI600系 钢种分类 代表钢种 按组织结构 按化学成分 00Cr25Mo2 446M 一 不锈钢基础知识 奥氏体不锈钢的发展简图 1Cr18Ni9 0Cr19Ni13Mo3 00Cr19Ni13Mo3 超级不锈钢 0Cr17Ni12Mo2 00Cr18Ni14Mo2Cu2 00Cr17Ni14Mo2 00Cr19Ni15Mo4 5N 00Cr17Ni13Mo2N 0Cr17Ni12Mo2N 316NG 0Cr23Ni13 0Cr18Ni10Ti 0Cr18Ni9 0Cr18Ni11Nb 00Cr19Ni10 0Cr18Ni11Nb 0Cr19Ni9N 00Cr19Ni10N 304NG 0Cr20Ni11 1Cr18Ni12 0Cr18Ni9Cu3 Y1Cr18Ni9 Y1Cr18Ni9Se 1Cr17Mn6Ni5N 2Cr17Mn15NiN 1Cr18Mn10Ni5Mo3N 1Cr17Ni7 强度 N Mn代Ni 强度 CaddedN Mn代Ni 切削性能 Sadded 表面加工 Seadded 降低加工硬化 Niadded 冷加工性 Cuadded 焊后耐蚀性 CLowered 耐晶间腐蚀性 CLowered 强度 Nadded 耐蚀性 强度 耐晶间腐蚀性 Tiadded 耐晶间腐蚀性 Nbadded 焊接性 CrNiincreased 强度 Nadded 核工业 Ta CoLowered 耐蚀性 Moadded 强度 Nadded 耐晶间腐蚀性 Clowered 强度 耐晶间腐蚀性 Nadded 耐还原介质 Cuadded 强度 Nadded 耐蚀性 Moadded 耐晶间腐蚀性 Clowered CrNilowered 加工硬化 一 不锈钢基础知识 低铬系不锈钢的发展简图 410 409L 409SR 410S 410L 耐蚀性 成型性 Clowered 焊接性 成型性 CCrloweredMnCuadded 焊接性 Clowered 焊接性 成型性 CCrloweredTiadded 高温抗氧化性 Siadded 410DH 420J1 420J2 耐磨性 硬度 Cincreased 耐磨性 硬度 Cincreased 420H 429J1 440A Cincreased 耐磨性 硬度 Cradded 硬度 Cadded 耐磨性 硬度 410DB CrloweredMnaddedCNcontrolled 未回火处理下提高硬度 一 不锈钢基础知识 中高铬系不锈钢的发展简图 430 430CuN 430LN 445MT 430LNM 434LN1 SX1 30 2 430UD 430XT 429EX 439L MH1 432LTM 436LT 430AB 430LNAB 18 3SR 20 5USR 高温氧化性 CloweredAladded 高温抗氧化性 CloweredAlincreasedLaZradded 抗细菌性 Agadded 焊接性 耐蚀性 成型性 CloweredNbaddedCrincreased 高温强度 焊接性 成型性 CLoweredNbSiadded 高温强度 Moadded 成型性 CloweredTiadded 耐蚀性 Moadded 耐蚀性 Cuadded 耐蚀性 焊接性 Crincreased 耐蚀性 焊接性 成型性 CloweredCrincreasedNbadded 耐蚀性 Moadded 耐腐蚀性 CloweredMoincreased 耐蚀性 CIncreased 耐蚀性 Moadded 耐蚀性 Cuadded 430J1 436J1 436L 焊接性 耐蚀性 Moadded 焊接性 耐蚀性 Clowered 444 445J1 445J2 447J1 434LN2 MoIncreasedTiadded 耐蚀性 深冲性 耐蚀性 CrMoIncreasedNbadded 深冲性能 Moincreased 耐蚀性 CloweredNbNadded 耐蚀性 Cradded 耐蚀性 CloweredTiadded 耐蚀性 Cradded 耐蚀性 一 不锈钢基础知识 优 良 中 差 一 不锈钢基础知识 钢的物理性能 一 不锈钢基础知识 一 不锈钢基础知识 不锈钢常见表面加工等级 一 不锈钢基础知识 晶间腐蚀 贫Cr理论 Cr是钢耐腐蚀性的重要元素 无Cr不成其为不锈钢Cr23C6在晶界析出 由内而外形成Cr含量的降低梯度晶界附近的Cr含量小于12 形成局部贫Cr区贫Cr区钝化能力不足或完全失去 晶界被腐蚀晶粒间失去结合力 剥落 开裂 一 不锈钢基础知识 晶间腐蚀 对策措施 A钢 室温状态C的溶解度约0 02 合金元素方法 降低碳含量 避免多余的C形成Cr23C6 如 304L添加稳定化元素 Ti Nb 稳定化处理 使多余的C形成TiC或NbC析出 如 321 347热处理方法 对于上述之外的不锈钢 如 304 加热到溶解温度以上 快速冷却 固溶处理 同时 要避免在Cr23C6析出敏感温度长期保温 450 850 一 不锈钢基础知识 晶间腐蚀 试验方法 检验材料是否被正确地进行热处理对于超低碳 稳定化不锈钢 304L 321 必须先对试样进行650 2h的敏化热处理对于普通不锈钢 304 直接进行晶间腐蚀试验 一 不锈钢基础知识 不锈钢的冶炼方法 一步法 二步法 三步法 二 不锈钢炼钢工艺及装备 过程 熔化期 氧化期 还原期 精炼期 连铸 CC 对降低pCO的研究 催生了冶炼技术的进步真空法 VOD VacuumOxygenDecarburization 稀释法 AOD ArgonOxygenDecarburization 2C O2 2CO 1 4 3Cr O2 2 3Cr2O3 2 脱碳保铬 二 不锈钢炼钢工艺及装备 AOD精炼技术 1968年美国联合碳化物公司发明 该工艺生产的不锈钢已占到世界总产量的80 优点可利用廉价的高碳铬铁和返回钢生产不锈钢产能比EAF单炼提高40 50 设备简单 基建投资低 VOD的1 3 操作方便 在大气下稀释脱碳可造渣 测温 取样 脱S好缺点氩气消耗量大耐火材料单耗高 二 不锈钢炼钢工艺及装备 AOD二步法冶炼304L工艺 O2 Ar或N2 电炉熔化 出钢C 1 5 4 脱碳期1Ar O2 1 3C 0 3 还原期加FeSi SiCr石灰 萤石造渣 连铸 脱碳期2Ar O2 1 2C 0 13 0 15 脱碳期3Ar O2 2 1C 0 03 还原期C 0 02 二 不锈钢炼钢工艺及装备 VOD精炼技术 1976年德国Witten发明优点真空下精炼 脱气效果好低碳区真空搅拌脱氧 C N含量低在高真空度和强搅拌下进行自由脱碳缺点要求EAF低的的终点碳 0 5 配料成本高脱S差生产效率低 二 不锈钢炼钢工艺及装备 电炉熔化 粗脱碳C 0 3 0 4 还原脱氧 出钢 钢包除渣 真空吹氧C 0 02 加冷却剂合金料 真空脱气C 0 02 连铸 VOD二步法冶炼304L工艺 二 不锈钢炼钢工艺及装备 AOD与VOD二步法工艺参数 钢质比较 二 不锈钢炼钢工艺及装备 三步法冶炼不锈钢特点 原材料适应性强 适合于吹炼高配碳 C 1 8 4 0 的入炉粗钢水 生产成本降低以N代Ar Ar气消耗大幅度降低 1 0Nm3 t AOD或转炉采用高供氧强度 脱碳速度很高 0 1 min 可快速脱碳至0 2 0 3 温度至1650 1700 Cr的回收率高VOD中真空条件下氮分压很低 低碳区脱碳速度较AOD也高 加上良好的底吹搅拌 有良好的的脱氮效果产品范围广 质量高 可生产超低C N钢 气体及夹杂物含量低 二 不锈钢炼钢工艺及装备 大包回转台钢水包中间包结晶器弧形连铸机二冷火焰切割 不锈钢连铸 二 不锈钢炼钢工艺及装备 连铸关键技术 温度控制T凝固温度 1538 65C 13Si 4 8Mn 1 5Cr 4 3Ni 2 5Mo 5Cu无氧化保护浇注 钢包 中间包 水口 结晶器保护渣结晶器振动M EMS电磁搅拌S EMS电磁搅拌 二 不锈钢炼钢工艺及装备 不锈钢薄带连铸连轧工艺 薄带连铸技术是冶金及材料研究领域内的一项前沿技术 它的出现正为钢铁工业带来一场革命 它改变了传统治金工业中薄型钢材的生产过程 将连续铸造 轧制 甚至热处理等整合为一体简化了生产工序 缩短了生产周期 最有发展前途的当属双辊薄带连铸技术 该技术在生产0 7 2mm厚的薄钢带方面具有独特的优越性 二 不锈钢炼钢工艺及装备 美国纽克公司 Nucor 薄带连铸Castrip工艺 2002年5月开始热试车 成为世界上第一套全商业化的双辊薄带钢连铸厂 用来生产碳钢和不锈钢 二 不锈钢炼钢工艺及装备 二 不锈钢炼钢工艺及装备 铸机类型 VSB 垂直固态弯曲 Verticalsolidbending 弯曲半径 3250mm钢包容量 180t中间包容量 25t 工作液面1000mm结晶器类型 漏斗形 宽1000 1560mm 长1100mm板坯厚度 70 60或60 50mm 带液芯压下冶金长度 9250mm 5个扇形段浇注速度 5 1m min 意大利AST特钢公司CSP薄板坯连铸连轧生产线 二 不锈钢炼钢工艺及装备 炉卷轧机 不锈钢热轧带钢生产方式 常规热连轧机组 三 不锈钢热轧工艺及装备 加热炉 除鳞箱 四辊粗轧机 热卷箱 连轧机组 层流冷却 卷取机 1780不锈钢热连轧工艺流程 三 不锈钢热轧工艺及装备 1780的产品构成 碳钢 不锈钢混合热连轧机 成品钢卷281 4万t不锈钢69 8万t 2 0 10 0 750 1600 包括200 300 400系列 奥氏体不锈钢约占总量的70 铁素体不锈钢占25 27 马氏体不锈钢占3 5 碳钢211 6万t 1 2 12 7 750 1630 包括双相 多相微合金钢 高强度钢及特殊用途钢等 以薄规格为主 厚度1 2 3 5mm约占80 三 不锈钢热轧工艺及装备 板坯在立轧时形成狗骨 侧压量越大时 狗骨越高温度越低时 狗骨越高且越靠近板坯边缘 三 不锈钢热轧工艺及装备 大侧压时板坯的头 尾部宽度不均 板坯头部由于二侧材料在长度方向上的延伸所受限制较小 所以延伸较大 狗骨较小立轧压缩变形不能穿透整个宽度 板坯二侧的延伸大于中间 板坯的头部二侧形成扣向中间的园弧形 头部宽度收缩随轧出长度的增加 板坯二侧在长度方向上的延伸所受到的限制不断增加 并在轧出长度约等于板宽之半时达到稳定 同时 板坯二侧的狗骨形凸起也从小到大 并达到稳定狗骨凸起越靠近板坯二侧 在随后的水平辊轧制时宽展就越大 反之宽展就越小 三 不锈钢热轧工艺及装备 头 尾形状控制技术 立辊侧压缸带钢压下 板坯头 尾分别轧成楔形 二侧的狗骨凸起也从小到大到稳定随后的水平轧机轧制中 头 尾部的返回宽展最小 向内部逐渐增加 直到稳定值通过立辊与水平轧制的宽度叠加 头 尾部的宽度与正常部位的宽度基本保持一致 可大大减少切废长度 三 不锈钢热轧工艺及装备 随粗轧道次增加 散热面积变大 温降速度快 中间坯厚度25mm时 温降可达1 7 S 80m的中间坯 头 尾温差将大于100 影响带钢头 尾厚度公差精度 影响薄规格品种的轧制 也限制了坯料尺寸的加大及成材率的提高热卷箱的功能是将粗轧的中间坯先卷取再开卷送入精轧机组 中间坯的头尾颠倒 上下表面翻转 并成卷保温 大大减少了温降和头尾温差可缓冲精轧区域短时故障 减少报废 热卷箱技术 COILBOX 三 不锈钢热轧工艺及装备 热卷箱示意图 三 不锈钢热轧工艺及装备 热卷箱的使用特点 缩短轧线长度20米减少中间坯温降 轧件温降可减少95 沿中间坯的长度方向温度趋于均匀 有利于恒速恒温轧制降低能耗 板坯的出炉温度可降低50度 可降低燃耗4 10 同时在无须加速轧制的情况下可降低燃耗5 10 有利于扩大产品范围及提高产品收得率有利于中间坯的除鳞 中间坯在热卷箱内卷取和开卷 对表面的氧化铁皮有剥落作用 有利提高产品的表面质量 三 不锈钢热轧工艺及装备 精轧机组 F1和F5 F7为常规轧机 F2 F4为PC轧机 采用成对的轧辊交叉来达到对板材的凸度控制F5 F7在线磨辊 采用恒压力控制 可全程磨削和限程磨削 工作方式有空载磨削和轧制中间磨削F2 F4的PC轧机和F5 F7在线磨辊的配置 可实现自由轧制F1 F7机架设有重力工作辊弯辊系统 F1 F5 F7为 150t F2 F4为 120t 控制凸度 带钢平直度 获得良好的板形 三 不锈钢热轧工艺及装备 不锈钢冷轧生产工艺流程图 2D No 1 2E产品 BAF 热轧黑皮卷 HAPL CGL CRM TCM CAPL BAL CGL SPM RCL CTL STL 钢卷 钢板 四 不锈钢冷轧工艺及装备 2B 2B No 3 No 4 HL 冷轧卷 冷轧厂平面布置简图 四 不锈钢冷轧工艺及装备 奥氏体 铁素体单相钢 双相钢 A F 连续退火热轧卷在连续式加热炉中加热到高温 均热然后急冷 在热轧冷却过程中析出的碳化物重新分解 碳固溶于奥氏体中 通过急冷使固溶了碳的奥氏体保持到常温 退火温度根据合金元素含量及含C量来定马氏体 铁素体 带有部分马氏体 罩式退火热轧卷在电热或煤气加热的罩式炉加热到高温 均热 并按规定的速度缓冷 退火后马氏体分解得到均匀的铁素体 C化物组织 热卷退火 四 不锈钢冷轧工艺及装备 冷轧卷的热处理均属于再结晶热处理 在连续炉中进行 除温度不同外 300系和400系没有多大差异 均采用加热 保温 快冷生产工艺氧化退火在空气介质中进行 带钢的表面有氧化层保护退火在保护气体 H2或H2 N2混合 中进行 表面无氧化层 冷卷退火 四 不锈钢冷轧工艺及装备 退火形式选择 四 不锈钢冷轧工艺及装备 退火后氧化层结构 由表及里 Fe2O3 Fe3O4 FeO Cr2O3随钢中Cr含量的增加 Cr2O3层厚度增大 强度越大 Cr2O3和FeO Cr2O3不溶于酸Fe3O4致密 无孔 无裂纹 酸液不易渗透400系Cr2O3含量比300系要大得多 而且Fe3O4的含量较高 因此400系的酸洗更困难 四 不锈钢冷轧工艺及装备 机械除鳞 可去除约80 85的铁鳞 内层破裂弯曲破鳞 破鳞机喷射破鳞 抛丸机化学除鳞电解酸洗 Cr2O3溶解生成Cr OH 3混酸酸洗 去除贫Cr层 钝化生成Cr2O3 热卷酸洗 四 不锈钢冷轧工艺及装备 机械除鳞不可用 会影响冷轧后得到的高光泽表面 因此冷带的酸洗只依靠 电 化学酸洗来进行常用配置 中性盐电解酸洗 HNO3电解酸洗 混酸酸洗中性盐电解酸洗 Cr2O3溶解生成Cr OH 3HNO3电解酸洗 去除贫Cr层 钝化生成Cr2O3混酸酸洗 去除贫Cr层 钝化生成Cr2O3400系不锈钢耐卤族酸性能较差 HF酸会造成酸洗后带钢表面粗糙 使冷带钢表面失去光泽 影响外观质量 因此400系一般采用中性盐电解酸洗 HNO3电解酸洗的方法 对300系可采用中性盐电解酸洗 混酸酸洗 冷卷酸洗 四 不锈钢冷轧工艺及装备 按轧制方式 单张轧制法 成卷轧制法 按轧机型式 单机架可逆式轧机 多机架连续轧机 6辊 12辊 20辊 小批量的特殊钢种 特殊规格 机架刚性好 轧制精度高 工作辊直径小 道次压下率大 2 5机架6辊轧机 工作辊直径较大 乳化液润滑 生产效率高 不锈钢冷轧分类 四 不锈钢冷轧工艺及装备 单机架冷轧生产工艺 四 不锈钢冷轧工艺及装备 单机架冷轧生产工艺特点 多道次冷轧 累积变形率最高可达约85 冷轧工序采用纯矿物油作为润滑介质 冷轧工作辊辊径小 换辊频繁 头尾未轧段长 成材率低 单机架年产量在10万吨左右 四 不锈钢