CN113025891B - 一种双相不锈钢s32101钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双相不锈钢S32101钢板及其制造方法，该钢板的成分设计中以高Mn、高N代替贵重Ni，Mo，钢板以Fe为基础元素并包含如下组分：按质量百分比计C：0.02～0.06％，Si：1.00～1.20％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.030％，S：≤0.015％，Cr：20.00～24.00％，N:0.20～0.40，Ni：1.00～2.00％，Cu：0.10～0.80％，Mo：0.10～0.80％及不可避免的杂质元素；本发明制造工艺包括：坯料冶炼→浇注钢锭→锻造→修磨→加热→轧制→矫直→固溶酸洗；本发明可用于制造腐蚀环境中的工艺设备，例如核电的燃料水池制作等，同时钢板的平均屈服强度≥450MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥30％，综合力学性能优良。

Description

一种双相不锈钢S32101钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种双相不锈钢S32101钢板及其制造方法。属于冶金行业技术领域。
背景技术
双相不锈钢S32101由于在成分设计中以高Mn、高N代替贵重金属Ni、Mo，在降低生产成本的同时，也提高了力学性能和耐腐性能，属于节约性不锈钢，可用于制造中等腐蚀环境中的工艺设备，用途广泛，目前已被大批量应用于第三代核电站AP1000的燃料水池、耐受墙体等制作。
双相不锈钢是一种由铁素体和奥氏体两相组成的不锈钢，在固溶状态下其中一相比例一般约为45％～55％(量少相至少占30％)。由于两相组织的特征使双相不锈钢兼有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的优点，与奥氏体不锈钢相比，固溶状态下双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的近两倍，而耐点腐蚀、耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀及耐疲劳腐蚀能力相比同级别的奥氏体不锈钢有明显改善。
双相不锈钢S32101钢板的生产难度极大，一方面是冶炼过程中氮含量的控制，另一方面是钢板表面极易产生裂纹，且因变形抗力过大，板型容易瓢曲导致轧废。
专利EP2258885(A1)公开了一种低合金双相不锈钢，其化学成分为：C:≤0.06％，Si:0.1-1.5％，Mn:2.0-4.0％，P:≤0.05％，S≤0.005％，Cr:19.0-23.0％，Ni:1.0-4.0％，Mo:≤1.0％，Cu:0.1-3.0％，V:0.05-0.5％，Al:0.003-0.050％，O:≤0.007％，N:0.10-0.25％，Ti:≤0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利将Mn含量控制在2.0-4.0％，且铬含量较高，另外添加了一定量的V，利用V抑制N的活性，从而避免焊缝热影响区中Cr的氮化物析出，从而提高焊缝的耐腐蚀性与冲击韧性，该专利可应用于对耐蚀性特别是焊缝部位耐蚀性有较高要求的领域，但成本较高，且含较高的铜导致加工硬化低。
专利CN101215674涉及一种经济型双相不锈钢合金材料及其制备方法，该合金材料的组成及质量百分比为：0＜C≤0.04％，0＜S≤0.01％，0＜Si≤1.0％，0＜P≤0.015％，Cr：18.0～20.0％，Mn：5.0～7.0％，N：0.15～0.25％，B：0.001～0.01％，稀土Ce或Y：0.005～0.20％，其余部分为铁。该钢是典型的以Mn、N代Ni的经济型双相不锈钢，其Cr含量较低且不含Mo，这种双相不锈钢的PREN值较低，材料的耐蚀性能下降，另外该钢4～7％的Mn以及0.15-0.3％的N完全取代Ni，强度较高，该专利因耐蚀性较差不适用于弹簧等对耐蚀性有较高要求的领域。
中国专利CN102634740A一种高塑性的经济型双相不锈钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C 0.01～0.06％，Si 0.1～1.0％，Mn 0.5～4.0％，Cr 19.5～22.0％，Ni1.8～3.5％，N 0.1～0.18％，Mo 0.5～1.3％，Cu 0.1～1.0％，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明以Mn、N取代Ni从而降低成本，同时调整Cr、Mo的含量使钢具有优异的耐腐蚀性能与更高的塑性，兼具有良好的低温韧性与焊接性能，其制造的板材可大量应用于热交换器、水箱等对耐蚀性和塑性要求较高的环境，该专利合金成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种在4300mm型宽厚板轧机上生产双相不锈钢S32101钢板及其制造方法，本发明生产的钢板经检查表面无裂纹，内部质量稳定，且板型良好，减少了脱合同，节约了成本。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种双相不锈钢S32101钢板，该钢板成分设计以高Mn、高N来代替贵重Ni、Mo；钢板以Fe为基础元素并包含如下组分：按质量百分比计C：0.02～0.06％，Si：1.00～1.20％，Mn：3.00～6.00％，P：≤0.030％，S：≤0.015％，Cr：20.00～24.00％，N:0.20～0.40，Ni：1.00～2.00％，，Cu：0.10～0.80％，Mo：0.10～0.80％及不可避免的杂质元素。
以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：
C：碳含量增加可提高强度。碳可以与不锈钢中的其它元素形成化合物。对耐腐蚀性而言，当固溶奥氏体中的碳与铬形成Cr23C6析出时，使钢对晶间腐蚀、点腐蚀的敏感性急剧上升，因此对耐腐蚀要求高的设备，要采用含碳量低的(在0.03％以下)的不锈钢。碳是强烈的奥氏体形成元素，可显著提高钢的强度，另外碳对耐腐蚀性也有不利的影响。本发明控制其含量为0.02～0.06％。
Si：硅在奥氏体不锈钢中可提高耐酸性能，并以固溶强化形式提高钢的强度。本发明Si含量控制为1.00～1.20％。
Mn：锰可改善耐不锈钢的高温强度，锰在不锈钢中，使腐蚀性和耐氧化性下降。本发明Mn含量控制为3.00～6.00％。
Cr：铬是不锈钢的基本成分，增加铬含量，对提高不锈钢对氧化性酸的耐腐蚀性极为有效，同时也使耐点腐蚀性提高。是主要铁素体形成元素，铬与氧结合能生成耐腐蚀的Cr2O3钝化膜，是不锈钢保持耐蚀性的基本元素之一，铬含量增加可提高钢的钝化膜修复能力，一般不锈钢中的铬含量必须在12％以上。本发明将其含量控制在20.00～24.00％。
N：氮可以改善蠕变性能并使其完全奥氏体化。氮在Cr-Ni奥氏体不锈钢和双相不锈钢中是一种无价且非常有益的合金元素。对氮的强化作用，降低不锈钢的晶间腐蚀敏感性，改善不锈钢的耐蚀性。本发明将其含量控制在0.20～0.40％
Ni：镍是奥氏体不锈钢的基本元素之一，镍在不锈钢中的主要作用在于它改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加镍的一个主要原因就是形成奥氏体晶体结构，从而改善诸如可塑性、可焊接性和韧性等不锈钢的属性，所以镍被称为奥氏体形成元素。随着含镍量的提高，奥氏体钢的硬度，抗拉强度下降，韧性提高，耐应力腐蚀性能提高。含镍量低的奥氏体不锈钢是不稳定的，进行冷加工后，奥氏体显著硬化，韧性下降。另外，镍也是贵重金属，含量过高会增加成本。本发明中将其含量控制在1.00～2.00％。
Cu：铜在耐腐蚀方面，增加对非氧化性酸的耐腐蚀性。减少对点腐蚀的敏感性。塑性好，冷加工性能优良。本发明控制Cu含量为0.10～0.80％。
Mo：钼能使不锈钢的基体强化，并提高不锈钢的高温强度和蠕变性能。钼的加入使不锈钢的钝化膜稳定，能提高耐腐蚀性。同时也是碳化物形成元素，所形成的碳化物极为稳定，能阻止奥氏体加热时的晶粒长大，减小钢的过热敏感性，另外钼元素能使钝化膜更致密牢固，从而有效提高不锈钢的耐Cl腐蚀性；含Mo不锈钢一般不用于耐硝酸腐蚀。本发明中Mo的含量控制在0.10～0.80％。
S、P：在一般不锈钢中都是杂质元素，作为杂质元素会给钢板的韧性和焊接热影响区的韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P≤0.010％、S≤0.003％。
本发明中以高Mn、高N来代替贵重Ni、Mo，是因为Ni、Mo等贵重合金元素资源稀少且价格较高，同时从元素作用上，两者也有替代作用。Mn对于奥氏体的作用Ni、Mo相似，Mn可以降低钢的临界淬火速度，在冷却时增加奥氏体的稳定性，抑制奥氏体的分解，使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。N在钢中稳定奥氏体的作用约为Ni的二分之一，即2％的N在钢中的作用也是稳定奥氏体，并且作用的程度比Ni还要大。
上述双相不锈钢S32101钢板的制造方法，步骤如下：坯料冶炼→浇注钢锭→锻造坯→加热→轧制→矫直→探伤→固溶酸洗；轧制采用4300mm型四辊可逆中厚板轧机，钢板厚度规格8-40mm，宽度规格2000-3500mm
(1)(1)坯料冶炼：将设计好成分配比的原料放入EBT电弧炉熔炼电炉熔炼母合金，经LF精炼、VD精炼、IC氩气保护下注后浇注入模腔内，氮含量的控制实际上是要控制好冶炼过程中的氮气和氩气的吹入量，在冶炼过程中，吹氩气前一直向VD炉中吹入氮气，使氮气达到饱和，最终在氩气的作用下，脱除一部分氮含量，使不锈钢中的氮含量控制在0.20～0.40％之内，冶炼结束获得不锈钢钢锭，钢锭经加热、锻造后为厚度150-250mm坯料。
(2)坯料需经铣床打磨清理，确保表面无裂纹，无缺陷。
(3)加热：坯料采用步进式连续炉加热，加热速率10～14cm/min；其中预热段温度范围650～900℃，预热段时间约1.0-1.5h；加热一段温度范围1000～1180℃，加热一段时间约1.0-1.5h；加热二段温度范围1200～1220℃，加热二段时间约1.0-1.5h，均热段温度范围1200～1230℃，均热段时间约2.0～4.0h；总加热时间约5.0～8.5h。出钢前30分钟，温度提高至1280-1230℃控制。连续炉的加热过程是为了保证不锈钢有良好的加热效果，最终使不锈钢充分奥氏体化，为后续轧制创造条件。
(4)轧制：轧制分两阶段轧制，设备为2台4300mm型四辊可逆中厚板轧机，第一阶段由粗轧机完成；第二阶段为由精轧机完成。第一阶段要全过程快速、闭水轧制(关闭轧机推床对中功能，减少等待时间；关闭辊道冷却水系统、轧机冷却水系统，减少温降)，该工序每道次压下率按25％～35％控制，共轧制5道次结束，粗轧结束温度不低950℃。第二阶段道次变形量按15％～20％控制，重点在于：最后三道次的单道次压下量必须分别控制在2.0～3.0mm、1.0～1.6mm、0.3～0.8mm，终轧温度不低810℃。这是因为越接近轧制末期，随着钢板温度的损失，不锈钢变形抗力就越大，钢板容易出现瓢曲和镰刀弯，造成轧制失败，最后三道次的压下量控制选择尤为重要。
(5)矫直：采用带温、往返矫直方法。
(6)固溶酸洗：固溶工艺温度为1050～1150℃，保温时间2.0小时，经酸洗后得成品钢板，实验证明组织中铁素体组织与奥氏体组织的比例接近1：1，钢板综合力学性能最佳
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明涉及一种双相不锈钢S32101钢板，采用厚度150-300mm坯料，是由模铸钢锭经加热锻造而成，选用锻造坯是因为经钢锭原始组织相对较差，内部疏松、空洞较多，经加热锻造后，内部组织更加均匀致密，经锻造后可更方便对表面进行铣床打磨清理，确保坯料表面无裂纹，无缺陷，最终确保钢板内部质量稳定。
本发明采用4300mm型宽厚板轧机生产，钢板厚度规格8-40mm，宽度规格2000-3500mm，尺寸范围广，可适用于不同钢板规格需求。
本发明轧制分为两阶段完成，第一阶段由粗轧机完成，全过程快速、闭水、高温轧制，防止钢板表面产生裂纹问题；第二阶段由精轧机完成，通过压下道次的分配，主要解决钢板瓢曲问题。在矫直阶段，再借助于带温、往返矫直方法，最终成品钢板板型良好，完全适用于批量规模生产，减少脱合同，节约成本。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明所述的用一种高强高韧低碳齿轮钢及其性能检测作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1
本实施例涉及的适于一种双相不锈钢S32101钢板的厚度为8mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.04％，Si：1.05％，Mn：4.15％，P：0.020％，S：0.010％，Cr：22.17％，N:0.30，Ni：1.05％，，Cu：0.12％，Mo：0.15％及不可避免的杂质元素。
该8mm厚的双相不锈钢S32101钢板采用如下工艺制备：
1)坯料冶炼：将设计好成分配比的原料放入EBT电弧炉熔炼母合金，经LF精炼、VD精炼、IC氩气保护下注后浇注入模腔内，(过程中采用氮气合金化技术进行氮含量的控制)获得不锈钢钢锭，钢锭经加热、锻造后为铸坯规格约150*2100*2500mm(厚*宽*长)。
2)坯料需经铣床打磨清理，表面无裂纹，无缺陷。
3)加热：坯料采用步进式连续炉加热，其中预热段温度范围680～900℃，预热段时间约1.0h；加热一段温度范围1050～1180℃，加热一段时间约1.0h；加热二段温度范围1200～1215℃，加热二段时间约1.0h，均热段温度范围1200～1220℃，均热段时间约2.5h；总加热时间约5.5h，临出钢前20分钟，温度提高至1288℃。
4)轧制工序：分两阶段轧制，设备为2台4300mm型四辊可逆轧机。第一阶段为由粗轧机完成，采用大压下量轧制，全过程快速、闭水(关闭轧机推床对中功能，减少等待时间；关闭辊道冷却水系统、轧机冷却水系统，减少温降)，该工序道次压下率按25％～35％控制，共轧制5道次，粗轧结束温度970℃。第二阶段由精轧机完成，重点在于保证轧制板型，道次变形量按15％～20％控制，共轧制6道次结束，轧制压下量分别为8.2mm、6.4mm、4.1mm、2.3mm、1.3mm、0.3mm。终轧温度826℃。
5)矫直工序：采用带温、往返矫直，矫直后板型良好。
6)固溶酸洗：固溶工艺温度为1150℃，保温时间2.0小时，经酸洗后得成品钢板
经由上述工艺制造的厚度8mm、宽度3000mm的双相不锈钢S32101钢板成品具有优良的综合力学性能、以及高标准的平直度情况，符合行业使用要求，其性能指标见表1所示。
表1
实施例1厚度8mm、宽度3000mm的双相不锈钢S32101钢板的性能指标
Figure BDA0002941659790000061
实施例2
本实施例涉及的适于一种双相不锈钢S32101钢板的厚度为20mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.05％，Si：1.10％，Mn：4.50％，P：0.015％，S：0.008％，Cr：23.15％，N:0.40，Ni：1.07％，，Cu：0.15％，Mo：0.16％及不可避免的杂质元素。
该20mm厚的双相不锈钢S32101钢板采用如下工艺制备：
1)坯料冶炼：将设计好成分配比的原料放入EBT电弧炉熔炼母合金，经LF精炼、VD精炼、IC氩气保护下后浇注入模腔内，(过程中采用氮气合金化技术进行氮含量的控制)获得不锈钢钢锭，钢锭经加热、锻造后为铸坯规格约250*2200*3000mm(厚*宽*长)。
2)坯料需经铣床打磨清理，表面无裂纹，无缺陷。
3)加热：坯料采用步进式连续炉加热，其中预热段温度范围700～900℃，预热段时间约1.2h；加热一段温度范围1060～1190℃，加热一段时间约1.0h；加热二段温度范围1200～1215℃，加热二段时间约1.2h，均热段温度范围1200～1220℃，均热段时间约3.0h；总加热时间约6.4h，临出钢前20分钟，温度提高至1230℃。
4)轧制工序：分两阶段轧制，设备为2台4300mm型宽厚板轧机。第一阶段为由粗轧机完成，采用大压下量轧制，全过程快速、闭水(关闭轧机推床对中功能，减少等待时间；关闭辊道冷却水系统、轧机冷却水系统，减少温降)，该工序每道次压下率按25％～35％控制，共轧制5道次，粗轧结束温度981℃。第二阶段由精轧机完成，重点在于保证轧制板型。每道次变形量按15％～20％控制，共轧制6道次结束，轧制压下量分别为7.6mm、5.1mm、4.1mm、2.5mm、1.5mm、0.6mm。终轧温度840℃。
5)矫直工序：采用带温、往返矫直，矫直后板型良好。
6)固溶酸洗：固溶工艺温度为1150℃，保温时间2.0小时，经酸洗后得成品钢板
经由上述工艺制造的厚度20mm、宽度3500mm的双相不锈钢S32101钢板成品具有优良的综合力学性能、以及高标准的平直度情况，符合行业使用要求，其性能指标见表2所示。
表2
实施例2厚度20mm、宽度3500mm的双相不锈钢S32101钢板的性能指标
Figure BDA0002941659790000071
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双相不锈钢S32101钢板的制造方法，其特征在于：该钢板成分设计以高Mn、高N来代替贵重Ni、Mo；钢板以Fe为基础元素并包含如下组分：按质量百分比计C：0.02 ～0.06%，Si：1.00 ～ 1.20%，Mn：3.00 ～ 6.00%，P：≤0.030%，S：≤0.015%，Cr：20.00～24.00%，N: 0.20 ～ 0.40，Ni：1.00 ～ 2.00%， Cu：0.10 ～ 0.80%，Mo：0.10 ～ 0.80%及不可避免的杂质元素；所述方法包括步骤如下：坯料冶炼→浇注钢锭→锻造坯→加热→轧制→矫直→探伤→固溶酸洗，所述轧制步骤具体为：轧制分两阶段轧制，设备为2台4300mm型四辊可逆中厚板轧机，第一阶段由粗轧机完成；第二阶段为由精轧机完成，第一阶段要全过程快速、闭水轧制，该工序每道次压下率按25%～35%控制，共轧制5道次结束，粗轧结束温度不低950℃，第二阶段道次变形量按15%～20%控制，重点在于：最后三道次的单道次压下量分别控制在2.0~3.0mm、1.0~1.6mm、0.3~0.8mm，终轧温度不低810℃。
2.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢S32101钢板的制造方法，其特征在于：所述钢板厚度规格为8-40mm，宽度规格为2000-3500mm，屈服强度500MPa以上，抗拉强度700MPa以上，延伸率40%以上。
3. 根据权利要求1所述的一种双相不锈钢S32101钢板的制造方法，其特征在于：所述坯料冶炼→浇注钢锭→锻造坯具体为：将设计好成分配比的原料放入EBT电弧炉熔炼电炉熔炼母合金，经LF精炼、VD精炼、IC氩气保护下浇注入模腔内，在冶炼过程中，吹氩气前一直向VD炉中吹入氮气，使氮气达到饱和，最终在氩气的作用下，脱除一部分氮含量，使不锈钢中的氮含量控制在0.20 ～ 0.40%之内，冶炼结束冷却后获得不锈钢钢锭，钢锭经加热、锻造后为厚度150-250mm坯料。
4.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢S32101钢板的制造方法，其特征在于：所述加热步骤具体为：坯料采用步进式连续炉加热，加热速率10～14cm/min；其中预热段温度范围650～900℃，预热段时间1.0-1.5h；加热一段温度范围1000～1180℃，加热一段时间1.0-1.5h；加热二段温度范围1200～1220℃，加热二段时间1.0-1.5h，均热段温度范围1200～1230℃，均热段时间2.0～4.0h；总加热时间5.0～8.5h，出钢前30分钟，温度提高至1280-1230℃控制。
5.根据权利要求1所述的一种双相不锈钢S32101钢板的制造方法，其特征在于：所述固溶酸洗步骤具体为：固溶工艺温度为1050～1150℃，保温时间2.0小时，经酸洗后得成品钢板。
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