双相不锈钢基础知识普及

双相不锈钢是指在固溶组织中铁素体相和奥氏体相约各占一半的不锈钢.
通过合理的成分设计以及热处理工艺控制,实现了铁素体相和奥氏体相共存,并兼备了两相各自的优点,如奥氏体不锈钢的优良韧性、焊接性,与铁素体不锈钢的高强度和耐耐氯化物应力腐蚀性能等,与同性能级别的奥氏体相比,明显降低了贵重金属Ni的含量,是低成本与高性能的完美统一.
因此近年来作为可焊接的结构材料,得到快速发展,目前已成为不锈钢的重要组成部分,在石油、化工、造船、造纸、海水淡化、交通运输、核电、桥梁、建筑幕墙等多领域得到成功广泛的应用.

1、双相不锈钢的发展历史和趋势双相不锈钢的发展起源于20世纪30年代,法国人在1935年获得第一个专利.
一般认为,截至上世纪80年代,双相不锈钢的发展经历了三代.

第一代双相不锈钢以开始于美国上世纪40年代开发的329钢,该钢种的典型特征是含有较高的Cr、Mo,改善了耐蚀性,但由于含碳量较高(≤0.
1%),因此焊接时会有碳化物沿晶界析出,导致耐蚀性降低,一般只用于铸件.
期间各国都在降低碳改善焊接性开展了大量工作,开发了一系列新品种,如苏联的钛稳定型的1Cr21Ni5Ti、德国的1.
4582、法国的UR50(Cr21-Ni7.
5-Mo2.
5-Cu1.
5)、日本的329J1(C≤0.
08%,Cr25-Ni4.
5-Mo2).
1960年瑞典开发了著名的3RE60(00Cr18Ni5Mo3Si2),它是第一代双相不锈钢的代表钢种,焊接及成型性能良好,广泛代替304L、316L用作耐氯离子应力腐蚀的材料,但不足的是该钢种焊接热影响区极易出现单相铁素体组织,导致焊接接头的韧性降低,耐蚀性变差.

第二代双相不锈钢是在上世纪70年代,随着AOD、VOD等二次精炼技术的发展,使得超低碳(C≤0.
03%)冶炼普及,同时N在不锈钢中独特作用的深入认识,大大促进了含N、超低碳双相不锈钢的开发应用,在此基础上,通过Mo、Cu、Si等耐蚀性元素的加入,开发了一大批性能优良、应用广泛的双相不锈钢.
典型的代表钢种是瑞典SAF2205、法国UR45N、日本的329J3L、329J4L等.
其中,2205目前占双相不锈钢总量的70%以上.

第三代双相不锈钢一般也称之为超级双相不锈钢(SuperDSS),是在上世纪80年代后期发展起来的.
这类钢的特点是含超低碳,含3-4%的Mo、0.
3%左右的N,部分钢种还加入Cu、W,此类钢具有优良的耐Cl-点蚀性能,点蚀当量指数(PREN=Cr%+3.
3*(Mo+0.
5W)%+16*N%)大于40.
典型钢种有S32750、S32760(Zeron100)、S32550、S32906、DP3、UR52N等.
与第一和第二代双相不锈钢相比,第三代双相不锈钢在耐腐蚀性能方面有很大的提高,不仅耐应力腐蚀破裂.
同时也可以应用在海水环境中.

到了上世纪90年代,由于世界范围内的镍资源紧张,加上镍价上涨等因素的影响,使不锈钢企业纷纷寻找成本更低的新钢种,即开发新型节镍经济型双相不锈钢.
如瑞典LDX2101(Ni含量在1.
35-1.
70%)、美国阿里根尼的AL2003,法国的UR2202、新日铁的NSSC2120等,实现了成本与性能的完美统一,目前已在全球得到了成功应用,并倍受关注.

同时,在SuperDSS的基础上,通过增加Cr、Mo、N的含量(达到5000ppm),SANDVIK开发成功PREN超过50、强度达到1000MPa的特超级双相不锈钢SAF2707HD、SAF3207HD,它们比6%Mo钢种的耐腐蚀性能更好,与Ni基耐蚀合金相当,用于温度较高的天然油气井、深海管线、海水冷却交换器等.

总之,双相不锈钢伴随着钢铁冶金技术的进步、资源高效利用认识的不断提高,经历了不同的发展历程,目前已经形成以2205、2304、2507等传统双相不锈钢为代表的钢种集群,它们在化学成分、性能以及设计、加工制造等方面均有了较为完善的措施.
在今后,双相不锈钢仍将不断发展,其趋势分为两种:一种是开发低Ni双相不锈钢,另一种是高耐蚀性的超级及特超级双相不锈钢.

2、太钢双相不锈钢的发展现状太钢是从上世纪80年代开始双相不锈钢的工艺研究及品种开发.
当时主要的双相不锈钢品种有两种:前苏联的牌号1Cr21Ni5Ti,主要用于制作火箭发动机燃烧室的尾喷管;瑞典的3Re60锻件及中板,主要用于化肥行业(如甲胺泵泵体、制盐复合板等).
随着国家重点工程的建设,特别是长江三峡水利工程不锈钢复合板的设计需求,太钢开始了2205双相不锈钢的研制,此后陆续开发成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列双相不锈钢,在国内多领域及涉外工程中得到批量应用.

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1品种、结构及规模太钢拥有先进的不锈钢精炼设备,在成分控制方面,严格控制有害元素的含量,为了改善使用性能,关键元素如Cr、Ni、Mo的含量均按照中上限控制.
在产品结构方面,已经形成了热轧中厚板、冷轧薄板、复合板、管坯、无缝钢管、线材、螺纹钢、轴类等系列产品.
中厚板最大厚度为80.
0mm,卷板最大宽度为2000mm.
目前太钢已经形成了年产60000吨双相不锈钢成品的生产规模.

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2关键共性技术双相不锈钢由于是奥氏体、铁素体两相共存,因此其轧制、热处理、酸洗、焊接等关键工艺不同于单相奥氏体、铁素体不锈钢.
在成分设计方面,普遍引入N,既改善了材料的性能,而且取代部分Ni,降低了成本.
围绕双相不锈钢上述工艺特点,太钢主要进行了双相不锈钢控N及AOD炉氮气合金化应用技术研究、铸坯热塑性研究、热处理工艺对组织转变及性能影响规律的研究,此外,还围绕高效酸洗、焊接、成型、双相不锈钢复合板制备、大直径双相不锈钢型材锻造等方面开展了相关的技术工作.

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3市场开发近年来,伴随着太钢双相不锈钢的技术进步,太钢已经实现了双相不锈钢的品种规格系列化,并在国内重点领域、重点工程及涉外的项目中,得到广泛应用,被评为"冶金市场开拓奖".

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1化学品船制造与316L、304L相比,双相不锈钢具有高的强度,实现厚度的减薄,同时耐蚀性增强,可以运输更多种类的化学品,因此是制作液货仓内胆的理想材料.
由于化学品的种类多,因此对船板的表面粗糙度有非常高的要求(一般要求Ra≤5μm),同时考虑到要进行波形板的压制和液货舱的结构,因此要求钢板具有较好的板型、残余应力分布均匀、合格的厚度方向拉伸性能及无脆性相析出等.
太钢先后通过了CCS、LR、GL、BV、DNV、ABS等多国船级社认证,2205已经大批量用于世界上最大吨位的(如需要LR认证的49000吨级)的化学品船制造.

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2纸浆造纸在造纸工业领域中,蒸煮与漂白是两个重要的环节,与之相关的设备均受到不同程度的腐蚀.
太钢产的2101、2304、2205双相不锈钢批量用于国内外的造纸项目,较好解决了防腐问题,同时在壁厚减薄方面具有显著优势.

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3天然气集气管线在油气开采过程中,集气管线要在含有大量H2S、CO2和Cl-甚至很高的Cl-酸性环境中服役.
太钢双相不锈钢通过了壳牌、美孚、BP等国际知名公司的认证,并提供了上万吨的2205卷板,用来制作PDO(阿曼国家石油公司)天然气集气管线.
同时,2205的无缝钢管及焊接钢管,在我国塔里木克拉苏气田建设集气管线工程同样得到成功应用.

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4核电核电做为一种清洁能源,在我国的能源发展战略中具有重要地位,要大力发展.
在众多的核电设备中,乏燃料水池的覆面板材质被确定为S32101经济型双相不锈钢,代替304L不锈钢,主要是利用其高强度、良好的耐腐蚀性以及低Ni含量的经济型,目前已形成了能源领域的核电专用技术条件.
此外,针对核电海水循环泵的使用特点,太钢分别生产了最大厚度为60mm的2507、S32760等超级双相不锈钢中厚板,用于泵体及法兰的制作.

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5桥梁(跨海大桥)对于建筑桥梁,特别是跨海大桥,由于所处的环境恶劣(Cl-浓度高达20000ppm)、海上施工及维护难度大,大桥桥墩的腐蚀破坏成为跨海大桥长寿命、安全、低成本运行的限制环节.
而双相不锈钢钢筋具有高耐腐蚀性、高强韧性及便于岛上施工等优点,目前已成为国际建造跨海大桥关键部位材料的较为理想的解决方案.
太钢的双相不锈钢螺纹钢筋、连接件、折弯件组合产品通过了权威的英国CARES认证,建立了不锈钢钢筋标准和应用技术规范,目前8000余吨双相不锈钢螺纹钢筋在世界最长、设计寿命超过120年的港珠澳跨海大桥得到成功应用,对提升我国海洋桥梁、港口、岛礁等工程设计和建设水平,具有重大的示范效应和战略意义.

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6压力容器双相不锈钢具有高强度、良好的耐蚀性和焊接性能,目前已经成为压力容器行业的重要选材.
特别是在解决传统奥氏体不锈钢遇到的应力腐蚀问题、点腐蚀问题方面,具有显著优势.
根据压力容器行业的特点,太钢的系列双相不锈钢已经在石化、炼油、煤化工等领域的反应器、塔器、换热器、管板等得到成功应用.

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7建筑幕墙由于沿海气候的独特性,普通304、316制作的幕墙支架经常会发生表面锈蚀的现象,影响其美观和安全.
实践证明,选用2205双相不锈钢可以从根本上解决上述问题.

太钢生产的2205双相不锈钢冷板,用于迪拜标志性建筑----ADIC工程(阿布扎比移民局大楼),该建筑位于阿联酋首都阿布扎比,既有沙漠,又面对大海,自然环境下的侵蚀严重.
2205双相不锈钢主要用于2098个遮阳伞(23980平方米)支撑架的制作,较好解决了支撑架要求高强度和经受高温、潮湿、风沙等恶劣环境的防腐问题.

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8海水淡化海水淡化是采用多级闪蒸或多级分馏等工艺,将海水进行处理,变成日常生产生活用水.
双相不锈钢耐Cl-点腐蚀能力好,其需求随设计的日处理海水能力增加而增加.
太钢已经成为国际知名海水淡化工程公司的合格供应商,2304、2205板材已经用于制造海水淡化的主要设备.