不锈钢生产工艺概述.ppt

1、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

2、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 19121913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 19121914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Unie

3、x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 =5.98 BN1P Cr=Cr

4、+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

5、),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,0C

6、r19Ni9N,00Cr19Ni10N,304NG,0Cr20Ni11,1Cr18Ni12,0Cr18Ni9Cu3,Y1Cr18Ni9,Y1Cr18Ni9Se,1Cr17Mn6Ni5N,2Cr17Mn15NiN,1Cr18Mn10Ni5Mo3N,1Cr17Ni7,强度,N、Mn 代Ni,强度,C added N、Mn代Ni,切削性能,S added,表面加工,Se added,降低加工硬化,Ni added,冷加工性,Cu added,焊后耐蚀性,C Lowered,耐晶间腐蚀性,C Lowered,强度,N added,耐蚀性、强度,耐晶间腐蚀性,Ti added,耐晶间腐蚀性,Nb add

7、ed,焊接性,Cr Ni increased,强度,N added,核工业,Ta、Co Lowered,耐蚀性,Mo added,强度,N added,耐晶间腐蚀性,C lowered,强度、耐晶间腐蚀性,N added,耐还原介质,Cu added,强度,N added,耐蚀性,Mo added,耐晶间腐蚀性,C lowered,Cr Ni lowered,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,C lowered,焊接性、成型性,C Cr lowered Mn Cu added,焊接性,C lowered,焊接

8、性、成型性,C Cr lowered Ti added,高温抗氧化性,Si added,410DH,420J1,420J2,耐磨性、硬度,C increased,耐磨性、硬度,C increased,420H,429J1,440A,C increased,耐磨性、硬度,Cr added,硬度,C added,耐磨性、硬度,410DB,Cr lowered Mn added C N controlled,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

9、,439L,MH1,432LTM,436LT,430AB,430LNAB,18-3SR,20-5USR,高温氧化性,C lowered Al added,高温抗氧化性,C lowered Al increased La Zr added,抗细菌性,Ag added,焊接性、耐蚀性、成型性,C lowered Nb added Cr increased,高温强度、焊接性、成型性,C Lowered Nb Si added,高温强度,Mo added,成型性,C lowered Ti added,耐蚀性,Mo added,耐蚀性,Cu added,耐蚀性、焊接性,Cr increased,耐蚀性、

10、焊接性、成型性,C lowered Cr increased Nb added,耐蚀性,Mo added,耐腐蚀性,C lowered Mo increased,耐蚀性,C Increased,耐蚀性,Mo added,耐蚀性,Cu added,430J1,436J1,436L,焊接性、耐蚀性,Mo added,焊接性、耐蚀性,C lowered,444,445J1,445J2,447J1,434LN2,Mo Increased Ti added,耐蚀性、深冲性,耐蚀性,Cr Mo Increased Nb added,深冲性能,Mo increased,耐蚀性,C lowered Nb N

11、added,耐蚀性,Cr added,耐蚀性,C lowered Ti added,耐蚀性,Cr added,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

12、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（450850）,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

13、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（ Vacuum Oxygen Decarburization ） 稀释法AOD（Argon Oxygen Decarburization ）,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4050% 设备简单、基建投资低（VOD的1/3） 操作方便

14、，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1 Ar：O2=1：3 C=0.3%,还原期 加FeSi、SiCr 石灰、萤石造渣,连铸,脱碳期2 Ar：O2=1：2 C=0.13-0.15%,脱碳期3 Ar：O2=2：1 C0.03%,还原期 C0.02%,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

15、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 C0.02%,加冷却剂 合金料,真空脱气 C0.02%,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（C1.8%-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

16、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

17、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0.72mm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，Vertical solid bending） 弯曲半

18、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

19、锈钢69.8万t， 2.010.07501600，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2527，马氏体不锈钢占35 碳钢211.6万t， 1.212.77501630，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1.23.5mm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

20、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

21、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。

22、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F5F7为常规轧机，F2F4为PC轧机，采用成对的轧辊交叉来达到对板材的凸度控制 F5F7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 F2F4的PC轧机和F5F7在线磨辊的配置，可实现自由轧制 F1F7机架设有重力工作辊弯辊系统（F1、F5F7为+150t，F2F4为+120t），

23、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

24、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、 FeOCr2O3 随钢中Cr含量的增加，

25、Cr2O3层厚度增大，强度越大。 Cr2O3和FeOCr2O3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8085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

26、解酸洗：Cr2O3溶解生成Cr(OH)3 HNO3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Cr2O3 400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