一种奥氏体不锈钢及其钢管和钢管的制造方法

专利名称：：一种奥氏体不锈钢及其钢管和钢管的制造方法
技术领域：
：本发明涉及一种奥氏体不锈钢及其钢管和钢管的制造方法。
背景技术：
：在我国的各种能源资源中，煤炭资源最为丰富。燃煤火力发电机组占发电机组总容量的75%以上，占据主导地位。近年来，随着我国国民经济高速发展，电力需求也大幅增加，发展高参数、大容量的超超临界发电技术已经成为我国火电机组提蒿能源利用率、减少污染排放物的必经之路。然而，提高火电机组参数和容量对使用的耐热材料提出非常高的要求，尤其是工作温度最高、运行环境最为恶劣的部件一过热器和再热器，面临着高温高压水蒸气的氧化、高温腐蚀以及烟气中煤粉颗粒的腐蚀，要求材料除了有加工、焊接性能之外，还同时具备良好的抗高温蠕变性能、优异的耐高温蒸汽腐蚀性能、好的抗热疲劳性能以及抗高温氧化性能等。现有的奥氏体不锈钢牌号包括及其钢管达不到上述要求，如亚临界机组上使用的1Crl8Ni9和超临界机组上广泛使用的lCrl9NillNb不锈钢及其钢管，由于其高温强度低，钢管成品晶粒粗大(一般在47级)，耐高温蒸汽腐蚀性能差等缺点，不能满足超超临界锅炉对材料的使用要求。因此，发明一种耐高温、耐高压、耐蒸汽腐蚀奥氏体不锈钢及其制品的制造方法对于我国发展超超临界发电技术是非常必要的。
发明内容为了克服现有奥氏体不锈钢及其钢管的上述不足，本发明提供一种同时具备高温蠕变强度及高温下耐腐蚀性能的奥氏体不锈钢及其奥氏体不锈钢管，同时提供这种钢管的制造方法。本奥氏体不锈钢与奥氏体不锈钢管的成分质量百分配比为C0.060%0.14%0<Si《0.50%0<Mn《1.00%P<0.040%S<0.015%Cr17.00o/o20.00%Ni8.00%11.00%5Cu2.50楊％Nb0.300.60%Mo0.150.50%Co0.150.500/oN0.05~0.14%B0.001%0.01%其余为Fe及不可避免的杂质。本奥氏体不锈钢与奥氏体不锈钢管的较佳成分质量百分配比为0.070%《C《0.09%OKO.30%Mn0.50%1.00%P<0.0250/0S<0.005%Cr17.50%18.50%Ni8.50%9.50%Cu2.803.30%Nb0.400.60%Mo0.150.25%Co0.150.25%N0.080~0.130%B0,003%0.008%其余为Fe及不可避免的杂质。本奥氏体不锈钢与奥氏体不锈钢管的最佳成分质量百佳成分配比为C0.080%Si0.25%Mn0.80%P0.015%S<0.001%Cr18.10%Ni9.0%Cu3.0%Nb0.45%Mo0.20%Co0.18%N0.011%B0.005其余为Fe及不可避免的杂质。钢管的直径一般为①25.4rnrn0101.6mm，长度不小于6000mm。下面就本发明的不锈钢成分机理进行说明。奥氏体不锈钢在高温环境下使用时，C作为间隙固溶元素，可以显著提高奥氏体不锈钢的高温强度。再有，碳与铌作用形成Nb(CN)，使用过程中产生沉淀强化，与Nb、Cr、N—起在晶内形成细小CrNbN(Z相)进行弥散强化，需要有足够的碳发挥强化作用，因此将碳的控制下限由传统的0.04%提高到0.06%以上；另外由于碳与Cr容易形成Cr23Q化合物，使用过程中容易造成晶间贫铬从而造成晶间腐蚀，因此将碳的控制上限控制在0.14%以内。本发明中碳限定在0.060%至0.14%之间。Si在炼钢时作为脱氧剂而添加的，但添加量过大，则会影响到奥氏体的稳定性，增加形成S相及K相倾向，为此限定0<&<0.50%。Mn是作为熔炼时的脱氧、脱硫剂而添加的，是形成奥氏体的元素。若添加量过大，则会影响到使用过程中CrNbN(Z相)的析出，不利于提高材料的高温持久强度。因此，本不锈钢中，0<Mn<1.00%。Cr是提高奥氏体不锈钢耐腐蚀性能和抗氧化性能不可缺少的元素，Cr的含量越高，耐腐蚀性能和抗氧化性能越好，然而如果添加过多，则需要更高的Ni来保证组织的平衡，制造成本也会大幅增加。本发明将Cr的含量定为17.00%20.0%。Ni是作为奥氏体形成添加到钢中的，添加少则组织稳定性破坏，添加过量则制造成本太高。因此，本发明中，Ni的含量为8.00%11.00%。Cu是对改善蠕变断裂强度有很大作用的元素，固溶在钢中的Cu在时效期间以细小、弥散分布的球状富Cu相的形式析出，析出的富Cu相数量、大小和分布直接影响到钢的持久强度。试验结果表明随着钢中Cu含量的增加，富Cu相的析出量增加，其尺寸大小和弥散程度也相应变化，持久强度也不断上升。但是，当Cu含量添加到一定数量时候，析出的富Cu相会聚集长大，强化效果下降，由于Cu是低熔点元素，在进行热加工时会沿着晶界析出而恶化材料的热加工性能。本发明中Cu的含量为2.50%4.00%。Nb添加到合金中，目的在于和C,N形成Nb(CN)化合物，化合物在使用过程中产生沉淀硬化弥散作用从而提高了材料的抗蠕变性能，在制管后期运用二次析出的细小Nb(CN)钉扎晶界的作用从而细化奥氏体不锈钢晶粒，使材料抗高温蒸汽腐蚀性能和抗热温疲劳性能大幅度提高。再有，固溶在钢中的Cr、Nb、N在随后的使用期间形成更加细小CrNbN(Z相)在晶内析出，M23C6附着在CrNbN(Z相)析出，不仅成为提高蠕变断裂强度的主要强化相之一，而且改善了钢的耐晶间腐蚀性能。本发明中Nb的限定范围是0300.60%Mo和Co作为微量元素添加到钢中，除显著提高不锈钢热硬性以外，还能够细化所析出的碳化物，有利于焊接。本发明中Mo和Co的添加量均限定在0.150.50%之间。氮与碳一样，均是间隙固溶元素，除了与Nb、Cr生成Nb(C,N)和NbCrN相以外，还有利于细化晶粒，但氮不会造成晶间腐蚀倾向，因此N的限定范围在0.05~0.14%之间。B作为微量元素添加到钢中，主要起到净化奥氏体不锈钢晶界，减少在使用过程中晶界存在的空穴，以提高合金的高温强度。本发明中，B的限定范围在0.001%0.01%。本发明不锈钢管制造方法包括下述依次步骤7将铁水作为主原料，冶炼成符合本奥氏体不锈钢管的钢水；二、将钢水浇注成钢锭或连铸坯；三、棒材加工将钢锭或连铸坯轧制或锻造成圆钢，将圆钢切割成管坯。四、穿孔或挤压成毛管将管坯经加热后，采用穿孔或挤压后制成毛管；五、钢管深加工将毛管冷拉拔或冷轧成荒管，荒管经退火、酸洗后，最少再经一次冷拉拔或冷轧与退火及酸洗后制成成品。详细讲，本发明不锈钢无缝钢管制造方法包括下述依次的主要步骤-A预处理铁水B顶底复吹转炉冶炼C真空氧气脱碳炉脱碳D钢包精炼炉精炼一、冶炼预处理后的铁水经过顶底复合吹转炉粗炼与真空氧气脱碳炉脱碳并补氮以及钢包精炼炉精炼后，钢水的成分质量百分数达下述要求即可出钢，浇注成钢锭或连铸坯。0.060%<C<0.14%0<Si<0.50%0<Mn<1.00%P<0.040%S<0.015%Cr17.00%20.00%Ni8.00%11.00%Cu2.504.00%Nb0.300.60%Mo0.150.50%Co0.150.50%N0.05~0.14o/o0.001%<B<0.01%，其余为Fe及不可避免的杂质。在顶底复吹转炉冶炼时，脱碳二期采用氮气还原，并达到真空氧气脱碳炉脱碳对N的要求，N的含量《1500ppm;在真空氧气脱碳炉脱碳时，真空度《106.4Pa，目标66.5Pa，真空氧气脱碳炉脱碳中避免过吹，保证终点碳命中。脱碳后进行氮合金化，将氮调整到8001300ppm范围内。在钢包精炼炉精炼调整其他合金成分进入控制范围。二、将钢水浇注成钢锭或连铸坯8在钢包精炼炉保证渣流动性良好的情况下，调温到浇注温度1530±10°C，交出模注或连铸。铸坯规格一般按220mmx220mmx30003300mm控制。三、棒材加工A加热在加热工序，包括钢锭开坯过程中的钢锭均热工序，初轧坯或连铸坯轧制或锻造前的加热工序，加热温度为1250~1300°C，钢锭加热时间不小于11个小时，初轧坯或连铸坯加热时间不小于2.5小时。B轧制或锻造在轧制或锻造工序，将初轧坯或连铸坯轧制或锻造成棒材。开轧温度》1150°C，终轧温度》950°C。轧制变形道次根据棒材规格确定，初始道次变形量不大于30%。保证尺寸规格的同时，表面不得有折迭、拉条、耳子和严重的划伤等缺陷。C管坯准备根据成品钢管的外径、壁厚、长度，合理选择棒材长度，并将短棒料下料切割成管坯，经定中心孔后进行剥皮处理，处理后表面不得有裂纹、凹坑、黑皮、夹杂。四、制备毛管A管坯加热在管坯加热工序，加热温度1100122(TC，加热时间不少于1.5小时。B穿孔或挤压成毛管在穿孔或挤压过程中，初始变形温度不少于1050°C，结束变形温度不大于1300°C。五、钢管深加工A冷轧或冷拔冷轧或冷拔即毛管冷加工是将毛管加工成成品尺寸的荒管的变形工序，成品前道次冷变形量不小于15%，生产过程中防止偏壁和划伤的产生。荒管经退火、酸洗、再次冷轧和退火与酸洗制成成品。B中间工序退火在冷加工过程中的中间工序退火温度不小于1100°C，保温时间根据壁厚确定(不少于壁厚1.5min/ram)，保温后可出炉水冷到室温。C酸洗荒管酸洗是采用HN03+HF酸进行酸洗，酸洗溶液配比按照HN03酸在1520%范围，HF酸在15X范围控制。荒管酸洗后可进行管子的表面检查和清理，消除肉眼可见缺陷。D再次冷轧或冷拔酸洗后荒管根据成品钢管尺寸，选择至少一个道次冷轧或冷拔加工成成品规格。E成品退火固溶温度11201190°C，保温时间根据壁厚确定(不少于壁厚2.5min/mm)，保温后冷却速度要求大于25"C/秒，可水冷。F成品酸洗成品管酸洗是釆用HN03+HF酸进行酸洗，酸洗溶液配比按照HN()3酸在1520%范围，冊酸在15%范围控制。成品钢管酸洗后，要求管子内外表面不允许存在氧化皮、表面残酸、过酸、裂纹、裂缝、折叠、重皮、轧折、分层、发纹和较严重的划伤、撞伤等缺陷。本发明提供出一种耐高温、耐高压、耐蒸汽腐蚀奥氏体不锈钢及其钢管与钢管的制造方法，本方法生产出的无缝钢管，具有良好的抗高温蠕变性能、优异的耐高温蒸汽腐蚀性能、好的抗热疲劳性能以及抗高温氧化性能等，适用于制作长期在高温、高压及腐蚀环境中使用的承压部件或者抗氧化部件，特别适合于高参数、大容量的超超临界火力发电锅炉中过热器和再热器。解决超超临界电站锅炉用关键材料严重短缺的问题，具体实施例方式下面结合实施例详细说明本奥氏体不锈钢及其钢管和钢管的制造方法的具体实施方式，但本奥氏体不锈钢及其钢管和钢管的制造方法的具体实施方式不局限于下述的实施例。奥氏体不锈钢实施例一本奥氏体不锈钢实施例的成分质量百分数为C0.080%Si0.25%Mn0.80%PO.015%S<0.001%Cr18.10%Ni9.0%Cu3.0%Nb0.45%Mo0.20%Co0.18%N0.011%B0.005其余为Fe及不可避免的杂质。奥氏体不锈钢实施例二本奥氏体不锈钢实施例的成分质量百分数为C0.08%Si0.19%Mn0.72%P0.0012%S0.002%Cr18.32%Ni9.11%Cu2.88%Nb0.52%Mo0.19%Co0.22%N0.095%B0.004%，其余为Fe及不可避免的杂质。奥氏体不锈钢无缝钢管实施例一本奥氏体不锈钢无缝钢管实施例的规格为054X8mm，长lOOOOmm，其成分质量百分数为C0.080%Si0.25%Mn0.80%P0.015%S<0.001%Cr18.10%Ni9.0%Cu3.0%Nb0.45%Mo0.20%Co0.18%N0.011%B0.005其余为Fe及不可避免的杂质。奥氏体不锈钢无缝钢管实施例二本奥氏体不锈钢无缝钢管实施例的规格为054X8mm，长lOOOOmm,其成分质量百分数为-C0.08%Si0.19%Mn0.72%P0.0012%S0.002%Cr18.32%Ni9.11%Cu2.88%NbO.52%Mo0.19%Co0.22%N0.095%B0.004%,其余为Fe及不可避免的杂质。无缝钢管制造方法实施例本实施例制造的是上述奥氏体不锈钢无缝钢管实施例一，其主要制造步骤依次如下一、冶炼预处理后的铁水经过顶底复合吹转炉冶炼与真空氧气脱碳炉脱碳和钢包精炼炉精炼后，钢水的成分质量百分数达下述要求即可出钢模注，C0.080%Si0.25%Mn0.80%P0.015%S<0.001%Cr18.10%Ni9.0%Cu3.0%Nb0.45%Mo0.20%Co0.18%N0.011%B0.005其余为Fe及不可避免的杂质。在顶底复吹转炉冶炼时，脱碳二期采用氮气还原，并达到真空氧气脱碳炉脱碳对N的要求，此时N的含量为1820ppm;在真空氧气脱碳炉脱碳时，真空度《106.4Pa,目标66.5Pa，真空氧气脱碳炉脱碳到0.082%。脱碳后进行氮合金化，将氮调整到920卯m范围。在钢包精炼炉精炼调整其他合金成分进入控制范围。二、将钢水浇注成钢锭或连铸坯在保证渣流动性良好的情况下，调温到浇注温度1535°C，交出模注成5.8吨钢锭。铸坯规格为220mmx220mmx3150mm。三、棒材加工A加热在均热炉中钢锭进行14个小时的加热，加热过程中均热温度按照1250127(TC控制，保证了钢锭烧均烧透。B轧制或锻造经4>1000mm初轧机开坯成2202mm初轧坯。开坯过程中开轧温度1230°C，终轧温度为1012*C，轧后无折迭、耳子等表面缺陷。加工后初轧坯尺寸为220mmX220mmX30003300mm。在连续推钢加热炉中将初轧坯加热，加热温度控制在12501270'C，总加热时间为2小时40分，加热后在(])650mm轧机上经过11个道次变形热轧成4>B0mm棒材，初始道次变形孔型为箱型孔，头道次变形量为19%，开闸温度为124(TC，终轧温度为1030°C，轧后棒材表面无折迭、拉条、耳子和严重的划伤等缺陷。轧制成棒材之后，锯切成尺寸为(H30mmX60008000mm的棒料。C管坯准备根据成品尺寸规格O54mmX8mmX10M，考虑加工过程中烧损、酸损以及切头影响成材率等因素，将棒材料切割成4>130mmX11001250mm管坯，经车床车削掉表面氧化皮后打定芯孔。四、制备毛管管坯陆续放入端进端出斜底炉加热，加热温度为120(TC，加热时间为120分钟，加热后出钢。管坯经传送辊道到达089菌式穿孔机进行热穿孔12制成毛管，热穿孔初始变形温度为108(TC，热穿孔后毛管表面温度为1180°C，穿孔后直接水冷。此时尺寸为0134mmX14mm，毛管内外表面良好，无缺陷。五、钢管深加工'将毛管经酸洗和修磨后，进行两道冷轧和一道冷拉，尺寸由毛管①134mmX14mm陆续变成0114mmX1lmm(第一道冷轧后)、①89mmX9.8mm(第二到冷轧后)以及①76mmX9.8mm,再经过一个道次冷轧成成品规格0>54mmX8mm，再将钢管定尺锯切成10米/支。钢管在冷轧或冷拔过程中，每冷变形一次须进行一次去油、中间工序退火、矫直、切管、酸洗、检验和修磨，直到最后成品前固溶退火。中间工序退火温度为U20113(TC，保温时间分别为40分钟(第一道冷轧后)、30分钟(第二道冷轧后)、30分钟(第一到冷拉后)。成品固溶温度为1130'C，保温时间为30分钟。中间退火工序及成品固溶退火后钢管立即水冷到室温。经过成品固溶退火后的钢管经过矫直、切管、酸洗、检验后包装入库。本实施例在步骤四中穿孔成型也可用挤压成型，挤压过程中扩孔温度为U60120(TC，扩孔后，再经过感应加热炉迅速将扩孔后的空芯坯加热到11801200°C,在内外表面采用玻璃粉工艺润滑后进行挤压，挤压后的毛管直接水冷。性能对比1、常温力学性能见表l表l对比钢种选用标准Rp0.2，MpaRm，MpaA，％朋B1Crl8Ni9GB5310最新版》205》515》35《90服B1Crl9NillNbGB5310最新版》205>515》35《90服B试验钢太钢技术要求》240》600》35《95服B不锈钢实施例1实测值l弁3706504688.5实测值2#3656504488不锈钢实施例2实测值1#3806604589实测值2井385665438913通过对比，不难看出，本发明的不锈钢的常规性能与传统高压锅炉用不锈钢材料1Crl8Ni9、1Crl9NillNb相比，具有高的室温屈服强度和室温抗拉强度，良好的屈强比，适合用于承压部件。2、高温瞬时性能分别在600。C、65(TC、70(TC下对钢管进行了高温短时拉伸性能测定，试验结果见表2与表3表2<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>通过对比，不难看出，本发明的不锈钢管的试验温度下的屈服强度均高于1Crl8Ni9、1Crl9MllNb，按照许用应力值是按大于该温度下屈服强度的662/3%设计，试验钢具有更高的许用应力。3、高温持久性能对钢管取样进行65(TC的持久试验，钢管实施例一与钢管实施例二的试验数据分别见表4与表5根据320、3101、3020、323、3030、3040试验数据和当时未断的3050试验数据采用釆用最小二乘法进行回归处理的持久曲线，回归处理结果参数A=2.67255，参数B=-0.11704.将A和B代入公式lgo:A+Blgt(其中o为应力，t为时间)，可以外推试验钢管65(TC、IO万小时的持久强度为122.3MPa，远远高于GB5310中1Crl8Ni9650。C的持久强度不小于63MPa以及1Crl9NillNb650。C的持久强度不小于82MPa要求。表4(截止到2009年1月13日)钢管实施例一<table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>权利要求1、一种奥氏体不锈钢，其成分的质量百分数为C0.060％～0.14％0＜Si≤0.50％0＜Mn≤1.00％P＜0.040％S＜0.015％Cr17.00％～20.00％Ni8.00％～11.00％Cu2.50～4.00％Nb0.30～0.60％Mo0.15～0.50％Co0.15～0.50％N0.05～0.14％B0.001％～0.01％其余为Fe及不可避免的杂质。2、根据权利要求l所述奥氏体不锈钢，其特征是它的成分的质量百分数为0.070%《C《0.0线0<Si《0.300/oMnS<0.005%Cr17.50%18.50%Cu2.803.30%Nb0.400,60%Co0.150.25%N0細~0.1300/0其余为Fe及不可避免的杂质。3、根据权利要求2所述的奥氏体不锈钢，其特征是它的成分的质邐百分数为C0.080%Si0.25%Mn0.80%PO.015%S<0.001%Cr18.10%Ni9.0%Cu3.0%Nb0.45%Mo0.20%Co0.18%N0.011%B0.005其余为Fe及不可避免的杂质。4、一种奥氏体不锈钢管，其成分的质量百分数为-C0.060%0.14%0<Si《0.50%0<Mn《1.00%P<0.040%S<0.015%Cu2.504.00%Co0.150.50%Cr17.00%20.00%Nb0.300.60%N0.050.14%其余为Fe及不可避免的杂质。5、根据权利要求4所述的奥氏不锈钢管，百分数为Ni8.00%11,00%Mo0.150.50%B0.001%0.01%其特征是它的成分的质i,0.070%《C《0.09%0<Si《0.30%Mn0,50o/o1.00%P<0.025%S<0.005%Cr17.50%18.50%Ni8.500/O9.50%Cu2.803.30%Nb0.400.60%Mo0.150.25%Co0.150.25%N0細~0.130%B0細％0篇％其余为Fe及不可避免的杂质。6、根据权利要求5所述的奥氏体不锈钢管，其特征是它的成分的质量百分数为C0.080%Si0.25%Mn0.80%P0.015%S<0.001%Cr18.10%Ni9.0%Cu3.0%Nb0.45%Mo0.20%Co0.18%N0.011%B0.005其余为Fe及不可避免的杂质。7、权利要求4所述的奥氏体不锈钢管的制造方法，它包括下述依次的主要步骤一、冶炼将铁水作为主原料，冶炼成符合本奥氏体不锈钢管的钢水；二、将钢水浇注成钢锭或连铸坯；三、棒材加工将钢锭或连铸坯轧制或锻造成圆钢，将圆钢切割成管坯；四、制备毛管将管坯经加热后，采用穿孔或挤压后制成毛管；五、钢管深加工将毛管冷拉拔或冷轧成荒管，荒管经退火、酸洗后，最少再经一次冷轧或冷拉拨与退火及酸洗后制成成品，其步骤特征是冶炼预处理后的铁水经过顶底复合吹转炉粗炼与真空氧气脱碳炉脱碳并补氮以及钢包精炼炉精炼后，钢水的成分质量百分数达奥氏体不锈钢管的成分要求；棒材加工加热过程中，加热温度按照1250127(TC控制，开轧温度^115(TC，终轧温度>950°C;制备毛管管坯加热工序一加热温度11001220°C，加热时间不少于1.5小时；穿孔或挤压成毛管一在热穿孔或热挤压工序，初始变形温度不少于105CTC，结束变形温度不大于130(TC;冷轧或冷拔一成品前道次冷变形量不小于15%;成品固溶——温度11201190°C，保温时间根据壁厚确定，不少于壁厚2.5min/mm，保温后出炉水冷到室温。全文摘要一种奥氏体不锈钢及其钢管和钢管的制造方法，奥氏体不锈钢与不锈钢管的成分质量百分配比为C0.060％～0.14％；0＜Si≤0.50％；0＜Mn≤1.00％；P＜0.040％；S＜0.015％；Cr17.00％～20.00％；Ni8.00％～11.00％；Cu2.50～4.00％；Nb0.30～0.60％；Mo0.15～0.50％；Co0.15～0.50％；N0.05～0.14％；B0.001％～0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。钢管的制造方法包括冶炼、浇注成钢锭或连铸坯、棒材加工、制备毛管与钢管深加工，其步骤特征是棒材加工的加热温度为1250～1270℃，制备毛管的加热温度为1100～1220℃，成品固溶温度1120～1190℃。本发明制备的奥氏体不锈钢管具备高温蠕变强度及高温下耐腐蚀性能。文档编号C22C38/54GK101633999SQ20091007449公开日2010年1月27日申请日期2009年5月26日优先权日2009年5月26日发明者吕云山,方旭东,王立新,田晓青,范光伟,赵建伟申请人:山西太钢不锈钢股份有限公司