改造者：李國斌

高耐腐蝕022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼無縫管生產(chǎn)工藝

改造者：李國斌

從022Cr18Ni15Mo4N奧氏體無縫不銹鋼管的品質(zhì)要求著手，對經(jīng)過成分優(yōu)化的鋼坯經(jīng)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(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)物質(zhì)量和性能與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管相當(dāng)，且生產(chǎn)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(yīng)用，可以為我國大型海洋工程項(xiàng)目提供管件配套和服務(wù)。

高耐腐蝕不銹鋼無縫管材料發(fā)展

不銹鋼的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的范圍非常廣泛，目前，國產(chǎn)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(yīng)用還不是很廣泛，最主要原因有以下幾個(gè)：一是標(biāo)準(zhǔn)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(fā)展需要的標(biāo)準(zhǔn)體系；國內(nèi)對高壓、高含硫、二氧化碳含量高的“三高”天然氣生產(chǎn)設(shè)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(chǎn)品的基材冶煉、產(chǎn)品制造、檢驗(yàn)、附屬實(shí)驗(yàn)等技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)尚不完備；二就是產(chǎn)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(nèi)冶金行業(yè)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(chǎn)能力有限；四就是質(zhì)量問題。不銹鋼管產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定；五是研究開發(fā)新材料產(chǎn)品后勁不足問題，國內(nèi)不銹鋼新品種的研發(fā)和生產(chǎn)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(fā)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(nèi)企業(yè)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(chǎn)或技術(shù)和工藝不夠成熟，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)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(shè)備是以國外進(jìn)口的形式給予滿足的。

隨著世界經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展，國內(nèi)外不銹鋼管件生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)量均有了很大的發(fā)展，在社會發(fā)展和居民生活中扮演者著重要的角色。國外的工藝技術(shù)和裝備水平生產(chǎn)線主要采用現(xiàn)代化的自動控制技術(shù)和激光、無損探傷檢測手段以保證不銹鋼最終的產(chǎn)品質(zhì)量，并不斷優(yōu)化新的產(chǎn)品種類。我國不銹鋼生產(chǎn)也緊跟世界最前沿技術(shù)，無論是無縫管還是焊接管的生產(chǎn)都出現(xiàn)了很多新工藝和高效率設(shè)備。不銹鋼產(chǎn)品生產(chǎn)的技術(shù)、產(chǎn)量、質(zhì)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(chǎn)在新產(chǎn)品研究開發(fā)上還存在一定的差距，考慮到不銹鋼企業(yè)在國際市場上的競爭，本公司歷年來在不銹鋼管新產(chǎn)品、新工藝投入研發(fā)，目前針對海水淡化及海洋平臺、深海工程用工況開發(fā)一款抗腐蝕性能高于或等于00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）的產(chǎn)品022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼，加工及生產(chǎn)成本相比較，且降低了30％～40％左右，從使用工況、性能及經(jīng)濟(jì)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(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(shí)現(xiàn)完全國產(chǎn)化成為可能。022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼的主要特點(diǎn)是鎳、鉻、鉬以及氮四種元素含量高，并具有穩(wěn)定的奧氏體組織及高抗腐蝕性，按其質(zhì)量計(jì)算，022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼的化學(xué)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(shí)驗(yàn)測試022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼不同使用溫度下力學(xué)性能，如表1所示。

表1　022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼力學(xué)性能

通過金相顯微鏡對不銹鋼進(jìn)行金相組織觀測，并進(jìn)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(shí)驗(yàn)，點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕均優(yōu)于316不銹鋼、2205不銹鋼，在15℃下，不管是否進(jìn)行氯化處理，022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼耐點(diǎn)腐蝕性優(yōu)異；在40℃，當(dāng)不加氯時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(diǎn)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(chǎn)工藝

根據(jù)022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼特點(diǎn)，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(fā)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(shí)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(jì)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(xiàng)性能滿足技術(shù)要求。

基于022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管的最終用途，進(jìn)行化學(xué)成份優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過與904L不銹鋼耐腐蝕性能對比，進(jìn)行成分優(yōu)化，添加0.01％～0.03％的La-Ce復(fù)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(jié)構(gòu)重組、化學(xué)成分偏聚和能量勢壘的變化，并最終影響各元素的擴(kuò)散、形核及長大，從而優(yōu)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(diǎn)化合物從而消除低熔點(diǎn)夾雜導(dǎo)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(jù)加熱、穿孔、固溶處理、酸洗鈍化等工藝設(shè)計(jì)，并對022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管化學(xué)成份、機(jī)械性能及晶間腐蝕性能進(jìn)行檢測分析，確定其工藝的可行性，將其該工藝產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管的生產(chǎn)工藝及制造成本進(jìn)行對比分析。

注：虛線線框中為關(guān)鍵過程即創(chuàng)新點(diǎn)。

熱擠壓工藝

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022Cr18Ni15Mo4N不銹鋼這種高氮無縫鋼管，由于考慮到其組織結(jié)構(gòu)、熱塑性與一般不銹鋼鋼管產(chǎn)品不同，國際上通常采用熱擠壓工藝方式進(jìn)行加工制造。通過熱擠壓工藝制造的擠壓鋼管，其表面質(zhì)量、尺寸精度和鋼管內(nèi)部組織狀態(tài)對后續(xù)進(jìn)行管材冷加工的質(zhì)量有十分重要的影響。生產(chǎn)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(shí)采用鉬釘頭對鋼棒進(jìn)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(tǒng)工藝下穿孔溫度遠(yuǎn)高于1020℃，因此，在熱擠壓工藝步驟1、2 中，對鋼棒在高溫環(huán)境下的兩次保溫處理是為了使鋼棒充分固熔，經(jīng)過兩次固熔后鋼棒物理和化學(xué)性能均得到提升，使穿孔工藝有條件在相對低溫的1020℃實(shí)施，從而使步驟3的穿孔能夠順利實(shí)施，上述穿孔工藝一次穿孔數(shù)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(shù)是批量、穩(wěn)定生產(chǎn)合格022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼鋼管的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)之一。通過對熱穿孔工藝技術(shù)參數(shù)，包括鋼管坯料加熱工藝（溫度控制、時(shí)間控制等）、穿孔工藝（包括鉬鉆頭和管坯壓比控制、鉆壓時(shí)間控制、鉆壓速度控制及溫差比計(jì)算）等的研究和摸索，已充分掌握批量生產(chǎn)022Cr18Ni15Mo4N奧氏體不銹鋼無縫管母管的技術(shù)要點(diǎn)。

冷加工和內(nèi)外表面處理

經(jīng)過熱穿工藝孔后，不銹鋼母管還要經(jīng)過多道冷加工和內(nèi)外表面處理工藝才能得到最終的不銹鋼產(chǎn)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(dǎo)致表面氧化加重，此鋼的冷加工硬化傾向較強(qiáng)，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(shí)候需要及時(shí)進(jìn)行中間軟化熱處理。經(jīng)過多次冷拉冷拔后，每次都要進(jìn)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(dú)立自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)明專利設(shè)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(xiàng)工藝不僅能夠增強(qiáng)鋼管強(qiáng)度及鋼管表面的耐腐蝕性能，同時(shí)還環(huán)保利用了工業(yè)廢水資源，降低了工業(yè)廢水中的重金屬含量超標(biāo)對環(huán)境的污染，循環(huán)利用過的廢水，在排放時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家工業(yè)廢水一級排放標(biāo)準(zhǔn)值，實(shí)現(xiàn)了節(jié)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(jié)語

從022Cr18Ni15Mo4N奧氏體無縫不銹鋼管的品質(zhì)要求著手，對經(jīng)過成分優(yōu)化的鋼坯經(jīng)行冷、熱穿孔、加工成型和熱處理鈍化后處理，研究了化學(xué)成份、力學(xué)性能、耐腐蝕性能的影響，研制出符合相應(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)物質(zhì)量和性能與00Cr20Ni25Mo4.5Cu（904L）不銹鋼鋼管相當(dāng)，且生產(chǎn)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(yīng)用，可以為我國大型海洋工程項(xiàng)目提供管件配套和服務(wù)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.21.036