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201不锈钢管生产的若干问题研究

来源:至德钢业 日期:2018-09-05 20:54:15 人气:274

研究了201不锈钢管生产过程中的若干问题,主要包括:连铸板坯的组织及其在加热过程的变化,形变马氏体的形成和消除规律,表面氧化皮结构受退火工艺的影响关系。根据研究结果,制定了合理的生产工艺,生产出了高质量的201不锈钢管冷轧带钢。

201不锈钢管是在传统304不锈钢的基础上,减少贵金属Ni的使用,添加MnN等元素获得室温下单一奥氏体组织的经济型不锈钢。近年来,该类不锈钢以其优异的机械性能和较好的耐腐蚀性能,受到不锈钢生产企业越来越多的关注,品种开发数量和产品产量均呈逐年快速增长的趋势。然而,对于201不锈钢管生产过程中的相关问题研究及其对产品质量控制的影响,很少有文献公开报道。因此,研究和201不锈钢管生产密切相关的技术问题,为产品生产和质量控制提供科学的依据,具有十分重要的意义。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验用材料均为工业规模化生产的201不锈钢管,其主要成分的范围如表1所示。

1.2 实验方法

1.2.1 加热工艺对连铸板坯组织的影响

从工业生产的连铸板坯上取样,距上(或下)表面不同位置的截面上,每隔20mm取下15×15×15mm的试样,分析连铸坯不同部位的组织。另外,从连铸坯1/4厚度位置取下1215×15×15mm的试样,进行不同时间和温度的热处理,研究加热工艺对连铸坯组织的影响关系。其中,加热温度分别为120012301260℃,保温时间分别为60120180min

1.2.2 形变马氏体的产生和消除规律 切取10块工业生产的200×50×3mm的热轧退火酸洗板,进行不同压下量的冷轧实验,测试不同冷轧压下量材料的机械性能和形变马氏体量。从冷轧压下量为70%的轧硬态钢板上取下1820×20mm的试样,进行不同温度和时间的热处理,研究形变马氏体的消除规律。其中,热处理温度范围从500800℃,每间隔50℃测试一次,保温时间分别为5102060min

1.2.3 退火工艺对氧化皮结构的影响

对轧硬态带钢进行不同时间和温度的退火,研究表面氧化皮结构的变化规律。退火温度分别为960980100010201040℃,保温时间分别为10306090120180240s

2 实验结果和讨论

2.1 连铸坯组织及其在加热过程中的变化

2.1.1 连铸坯原始组织分析

201不锈钢管连铸板坯截面的不同位置进行δ铁素体含量的测量,结果如图1所示。由图可以看出,δ铁素体含量在连铸坯表面附近有一个高点,然后急剧降低,再缓慢升高,并在连铸坯的中心位置(1/2厚度位置)达到最高点。连铸坯表层为细晶区,该区域由于凝固速度快,一部分高温δ铁素体还来不及完全转变为奥氏体而保留在凝固组织中,这部分的铁素体组织比较细小,如图2(a)所示。随着凝固向连铸坯的中心推进,凝固速率降低,高温δ铁素体向奥氏体转变更为彻底,从而板坯中铁素体的含量降低。但从另一方面,随着凝固的进行,成分偏析开始加剧,Cr当量元素(铁素体组织形成元素)在液相中的比例不断增加,从而使越后凝固的铸坯中铁素体相含量增加,并在最后凝固的连铸坯中心区域达到最大值。连铸坯中心区域为粗大晶粒区,该区域的铁素体组织也呈粗大的网状分布在奥氏体晶界,如图2(c)所示。

2.1.2 加热工艺对连铸坯组织的影响

不同加热制度后,试样中铁素体含量的测量结果如图3所示。由图看出,在相同的加热时间120min下,随着加热温度的提高,铁素体含量先减少后增加;在相同的加热温度1200℃下,随着加热时间的延长,铁素体含量逐渐减少。实验用201不锈钢管高温奥氏体组织向铁素体组织转变温度约为1200℃,在转变温度点以下,随着温度的提高,铁素体含量逐渐减少,在转变温度点以上,随着温度的提高,铁素体含量增加。铸坯中的δ铁素体属于不平衡相,在奥氏体区域加热,δ铁素体有向奥氏体转变的趋势,温度越高,时间越长,转变的动力学条件越好,转变的就越彻底。但是,当加热温度超过转变温度点时,奥氏体有向铁素体转变的趋势,因此,铸坯的中铁素体含量会随着温度的提高而增加。

2.2 形变马氏体的产生和消除规律

4给出了一种201不锈钢管的机械性能随冷轧压下量的变化关系,由图可以看出,随着冷轧压下量的增加,材料的强度增加,延伸率则急剧下降。当冷轧压下量为80%时,材料的屈服强度达到了1300MPa,抗拉强度则超过了1600MPa。一方面,201不锈钢管具有较高的N含量,而N是强烈提高材料加工硬化指数的元素,因此,随着冷轧压下量的增加,材料的加工硬化急剧增加,强度增加;另一方面,201不锈钢管属于亚稳定奥氏体不锈钢,在冷轧变形过程中,会产生形变马氏体,起到了相变强化的效果。形变马氏体的含量随着冷轧压下量的增加而增加,如图5所示。因此,201不锈钢管冷轧变形过程中的强化是加工硬化和相变强化的复合作用。

6显示了不同热处理制度对轧硬态钢板中形变马氏体含量的影响关系。由图可以看出,在500℃进行退火处理,即使保温时间达到了60min,钢板中的形变马氏体量没有发生明显变化。当退火温度提高至550℃时,随着保温时间的延长,钢板中的形变马氏体逐渐分解,但是分解的速率仍然较低。随着退火温度的进一步提高,形变马氏体的分解也逐渐加快,当退火温度达到800℃时,钢板中的形变马氏体可以在5~10s的时间内得到消除。材料发生相变需要同时满足热力学和动力学条件,本实验中,形变马氏体的消除需要具备退火温度和保温时间两个条件。在500℃以下退火处理,尽管保温时间很长,但不满足形变马氏体分解的临界动力学条件,相变无法进行,因此,钢板中的形变马氏体含量不随保温时间的延长而减少。

2.3 退火工艺对氧化皮结构的影响

7显示了201不锈钢管轧硬态带钢在1000℃退火时,钢板表面的氧化皮随不同保温时间的变化关系。由图可以看出,氧化皮的颜色随着不同的保温时间而发生变化,表明氧化皮中的元素组成发生了改变。图8是不同保温时间下钢板表面的GDS分析结果,可以看出,随着保温时间的延长,氧化皮的厚度逐渐增加。从图8(a)可以看出,退火过程中,钢板表面优先形成的是Fe的氧化物,随着时间的延长,逐渐形成Mn的氧化物,如图8(b)~8(f)所示。在表层富含FeMn的氧化物里面,存在富Cr的氧化物,见图8Cr元素含量曲线的峰值点位置。

3 结语

连铸板坯在加热过程中的组织变化规律对于制定合理的热轧工艺具有重要的意义。板坯中δ铁素体含量的多少直接影响到热轧带钢的质量,甚至影响冷轧带钢的表面质量,在实际生产过程中需要进行严格控制。 201不锈钢管属于亚稳定奥氏体不锈钢。冷变形过程不可避免地产生形变马氏体,材料的强度增加,塑性下降,在实际生产过程中往往造成冷轧轧制的断带。因此,需要根据形变马氏体量和冷轧压下量的关系,设定合理的冷轧轧制工艺;另外,在冷轧带钢的退火过程中,还要结合热处理对形变马氏体量的影响关系,设定科学的退火工艺或者制定异常生产处置预案。 氧化皮结构的变化规律可以指导退火工艺和酸洗工艺的优化,是获得高质量冷轧成品带钢的根本保证。 根据上述研究结果为指导而制定的201不锈钢管生产工艺,在实践中取得了良好的应用效果,可以稳定地生产出高质量的201不锈钢管冷轧带钢。

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