一种用于核电换热器的铁素体不锈钢及其制备方法与流程

本发明涉及一种铁素体不锈钢，具体涉及一种用于核电换热器的铁素体不锈钢及其制备方法，主要用于制作核电换热器用热交换管。

背景技术：

换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。换热器在核电、化工、石油、动力、食品及其它许多工业生产中占有重要地位。其中，在航天飞行器、半导体器件、核电常规岛核岛、风力发电机组、太阳能光伏发电、多晶硅生产等领域都需要大量的专业换热器。

目前国内换热器行业在节能增效、提高传热效率、减少传热面积、降低压降、提高装置热强度等方面的研究取得了显著成绩。各行业对换热器稳定的需求增长，我国换热器行业在未来一段时期内将持续稳定增长。预计未来5年，核电设备用不锈钢管将迎来很好的发展机遇。核电站用材中，需要大量的高性能钢管、管件等材料，涉及到的材料种类也非常多，如合金钢、不锈钢、锆合金、钛合金、镍基合金等。

核电厂大多沿海而建，回路使用大量的海水作为冷却介质。由于钛固有的性能，钛焊管凭借优异的耐腐蚀、抗冲刷、热导性、机械性能好等特点，特别适合用作海水或污染严重的淡水作为冷却介质的凝汽器用管。在百万千瓦级的核电机组凝汽器中，每台机组用到的钛管约为200t，但由于钛管加工制造难度大，主要是焊接成型、热处理工艺困难。国外厂家主要有美国和日本等制造企业生产，国内目前核电站凝汽器用钛管大多依赖进口，国内钛焊管市场缺口很大。高压给水加热器是回热系统中重要的给水加热设备，对机组二回路运行的经济性起到重要作用，换热器通常采用u形换热管，传热管材质为08x18h10t不锈钢(对应的中国牌号材料为0cr18ni10ti)，即目前现有的换热器u形管用不锈钢材质主要为奥氏体不锈钢和双相不锈钢，奥氏体不锈钢和双相不锈钢合金成本高。

铁素体不锈钢具有高强度、抗冲刷和磨损性能好，且价格较低，抗氯离子腐蚀性能好，用于作为核电常规岛换热器u形管件的替代选材，相对于奥氏体不锈钢而言，成本低廉，性价比高。如专利号为201410290317.3，授权公告号为cn104120356b的中国发明专利《一种管式换热器用铁素体不锈钢及其制造方法》，该铁素体不锈钢的化学重量百分比为：c≤0.015％，n≤0.020％，si≤0.5％，mn≤0.5％，p≤0.035％，s≤0.01％，cr：22～24％，mo：1.5～3.0％，10(c+n)≤(nb+ti)≤0.6％，al：0.0050～0.050％，其余为fe和不可避免的杂质；上述铁素体不锈钢中的mo和cr元素的含量高，铁素体不锈钢的耐蚀性和抗氧化性差，此外，c+n含量较高，容易发生偏聚或与其他原子结合，形成原子团簇或析出相，造成材料的力学性能的改变，恶化材料的耐晶间腐蚀性能，则本专利中的铁素体不锈钢的耐腐蚀性和抗氧化性较差。

技术实现要素：

本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种具有高抗氧化性、高的高温强度及高耐蚀性的用于核电换热器的铁素体不锈钢。

本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术的现状，提供一种具有高抗氧化性、高的高温强度及高耐蚀性的铁素体不锈钢的制备方法。

本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于核电换热器的铁素体不锈钢，其特征在于：所述铁素体不锈钢各组分按重量百分比为：c＜0.015％，si0.3～0.5％，mn0.3～0.5％，cr为18～20％，n≤0.015％、p≤0.035％，s≤0.01％，ti0.3～0.5％，nb≤0.15％，cu≤0.20％，ni≤0.05％，mo≤0.10％，al≤0.03％，c+n≤0.020％，余量为fe和不可避免杂质。

本发明铁素体不锈钢合金成分的设计如下：

mn的作用：锰含量过高会有损于抗氧化性能和降低蠕变极限，本发明中锰含量小于0.5％。

si的作用：硅在铁素体不锈钢中抑制碳化物的析出，一定程度上增加钢的抗氧化能力，为避免高温脆性，本发明中硅含量≤0.5％。

p和s的作用：磷和硫在不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好。

cr的作用：铬是不锈钢中最重要的合金元素，铬是耐热钢中抗高温氧化和抗高温腐蚀的主要合金元素之一，并提高钢的强度，同时铬形成cr2o3致密的氧化膜，阻碍氧和金属离子的扩散，从而提高钢的抗氧化性，因此，本发明中铬含量在18～20％。

c的作用：碳固溶在钢中可以提高钢的强度，但碳化物析出后强度下降，热强性随碳含量增加而降低，耐蚀性也降低，因此碳含量控制在0.015％以下。

n的作用：氮在不锈钢中的溶解度有限，为了减少氮化物的形成，氮含量控制在0.015％以下。与应力腐蚀破裂相关的材料关键因素之一是碳化物沉淀的分布，晶界上碳化物沉淀越多则破裂抗力越高。因而，通过控制碳化物沉淀的分布可以消除应力腐蚀、晶间腐蚀破裂。此外，n含量也不宜太高，避免形成氮化物沉淀降低耐蚀性能。本发明中c和n含量不能太高。c、n含量太高，容易偏聚，或与其他原子结合，形成原子团簇或析出相，造成材料的力学性能的改变，恶化材料的耐晶间腐蚀性能。本发明中c+n≤0.020％。

mo的作用：在铁素体不锈钢中可以提高不锈钢的耐蚀性和抗氧化性，兼顾经济性，本发明中钼含量控制在0.50％以下。

nb的作用：铌在铁素体不锈钢中以析出物存在，提高钢的室温强度和高温强度。本发明中铌含量控制在0.15％以下。

ti的作用：钛提高铁素体不锈钢的焊接性、耐蚀性能，本发明中钛含量控制在0.3～0.5％。

al的作用：为了控制夹杂物的数量，al含量的加入量控制在0.03％以下。

cu和ni的作用：铜和镍在钢中的控制越低越好。

优选地，在300℃时，该铁素体不锈钢的屈服强度＞150mpa，抗拉强度≥380mpa。在该铁素体不锈钢使用中，要求较高的屈服强度和抗拉强度，以满足在一定温度环境中承受饱和蒸汽运行的要求，提高设备的安全性。

本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种上述铁素体不锈钢的制备方法，其特征在于：依次包括以下步骤：

1)冶炼

将铁素体不锈钢各组分重量百分比为c＜0.015％，si0.3～0.5％，mn0.3～0.5％，cr为18～20％，n≤0.015％、p≤0.035％，s≤0.01％，ti0.3～0.5％，nb≤0.15％，cu≤0.20％，ni≤0.05％，mo≤0.10％，al≤0.03％，c+n≤0.020％，余量为fe和不可避免杂质；按照上述成分通过电炉熔炼，再经过连铸获得板坯，板坯冷却后随炉加热，加热到1200±10℃后保温90min～100min进行热轧，热轧成厚度4～6mm的卷料，热卷料空冷；

2)冷轧

热轧卷料经过退火酸洗后进行冷轧加工，冷轧轧制压下率为60～80％；

3)退火

钢卷冷轧后退火，通过控制退火时间使晶粒度等级达到6-8级。

优选地，在步骤2)中，冷轧后的厚度为0.8mm～2.0mm。

进一步优选，在步骤2)中，冷轧后的厚度为1mm。

优选地，在步骤1)中，热轧至厚度为5mm的卷料。优选地，在步骤1)中，热轧的终扎温度控制在900℃以上。

优选地，在步骤3)中，退火温度970℃～1010℃。

改进的，在步骤3)所获得的退火件的表面粗糙度ra为0.10μm～0.50μm。如此，保证了退火件表面的光亮程度。

与现有技术相比，本发明的铁素体不锈钢中ni的添加可以改善钢的耐腐蚀、耐点蚀和缝隙腐蚀性能；c+n≤0.020％，能够有效控制碳化物沉淀的分布可以消除应力腐蚀、晶间腐蚀破裂；同时mo的含量控制在0.50％以下，提高不锈钢的耐蚀性和抗氧化性；而铬含量在18～20％，提高钢的强度，同时铬形成cr2o3致密的氧化膜，阻碍氧和金属离子的扩散，从而提高钢的抗氧化性，如此，本发明中的铁素体不锈钢中各个元素相互配合使得铁素体不锈钢具有高耐腐蚀性能、高的抗氧化性及良好的高温强度。

附图说明

图1为本发明实施例1的换热器的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例的用于核电换热器的铁素体不锈钢各组分按重量百分比为：c＜0.015％，si0.3～0.5％，mn0.3～0.5％，cr为18～20％，n≤0.015％、p≤0.035％，s≤0.01％，ti0.3～0.5％，nb≤0.15％，cu≤0.20％，ni≤0.05％，mo≤0.10％，al≤0.03％，c+n≤0.020％，余量为fe和不可避免杂质。铁素体不锈钢的制备方法，依次包括以下步骤：

1)冶炼

将铁素体不锈钢各组分按照重量百分比通过电炉熔炼，再经过连铸获得板坯，板坯冷却后随炉加热，加热到1200±10℃后保温90min～100min进行热轧，热轧的终扎温度控制在900℃以上，热轧成厚度4～6mm的卷料，热卷料空冷，本实施例中，热轧至厚度为5.0mm；

2)冷轧

热轧卷料经过退火酸洗后进行冷轧加工，冷轧后进行固溶、随后进行水冷；冷轧轧制压下率为60～80％，冷轧后的厚度为0.8mm～2.0mm，本实施例中，冷轧至厚度为1.0mm；

3)退火

钢卷冷轧后退火，退火温度970℃～1010℃，通过控制退火时间使晶粒度等级达到6-8级，并保证所获得的退火件的表面粗糙度ra为0.10μm～0.50μm；如此可以有效保证耐腐蚀性能。

通过上述制备方法得到6炉铁素体不锈钢，铁素体不锈钢实施例成分参见表1所示，其余量为fe和不可避免杂质。

表1本发明实施例和对比例的化学成分对照(wt％)

如图1所示，为tp439铁素体不锈钢制成的换热器。

对最终退火后的样板进行常温和高温力学性能的测试。测试仪器为instron5982，检验依据gb/t4338-2006执行。测试温度为20和300℃。测得的高温强度列于表2中。

表2tp439铁素体不锈钢实施例的常温和高温力学性能

通过表2可知：在300℃时，该铁素体不锈钢的屈服强度大于150mpa，抗拉强度≥380mpa，而本发明实施例在300℃时的高温强度比较高，可以达到用户的使用要求。此外，上述实施例中铁素体不锈钢的抗氧化性较好。

耐晶间腐蚀试验按astma763进行，试样打磨至600#砂纸，倒边倒角，无水乙醇去除油脂；试验溶液制法：100gcuso4·5h2o溶解到700ml蒸馏水中，加入100ml纯硫酸，加入蒸馏水稀释至1000ml；将试样放入试验溶液微沸腾16小时后，弯折180度。耐晶间腐蚀的试验结果见表3。

表3奥氏体耐热钢实施例的耐晶间腐蚀性能

通过表3可知：本发明实施例均未发生晶间腐蚀，表现出优良的耐晶间腐蚀性能。