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00Cr25Ni22Mo2、X2CrNiMoN25-22-2、310MoLN、S31050、022Cr17Ni14Mo2、X2CrNiMoN18-14-3、S31603尿素级超低碳奥氏体不锈钢

发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com 更新时间：2014-05-27

国内外大量采用二氧化碳汽提工艺来生产尿素，一般是在14~25MPa高压和180~210℃温度条件下，由二氧化碳和氨合成。在高温高压条件下，尿素生产过程中的中间反应物——氨基甲酸铵（尿素甲铵液）等，对不锈钢有强烈的腐蚀性。近年来，我国的化肥生产，尤其是尿素的生产，有了较快发展。尿素不仅可作化肥使用，而且也是重要的化工原料，以及医药药剂原材料。但是，尿素设备厂家制造尿素生产设备所用的材料，尤其是尿素级超低碳奥氏体不锈钢（简称尿素级不锈钢），长期依赖进口。尿素级不锈钢材料主要包括钢管、换热管、圆棒、钢板和焊材等。国外的尿素级不锈钢钢管生产厂家主要有瑞典Sandvik、瑞典Outokumpu、德国SMST、日本Kobe Steel等；尿素级不锈钢圆棒（规格Ф325mm以下）生产厂家主要有瑞典Sandvik和德国SMST。对于尿素级不锈钢产品，上述厂家处于垄断地位，价格昂贵，交货周期长，甚至厂家不外卖原材料。

　　目前，最主要的尿素级不锈钢牌号是尿素级25.22.2（中国标准牌号00Cr25Ni22Mo2，欧洲EN标准牌号X2CrNiMoN25-22-2，商业牌号310MoLN，）美国材料与试验协会牌号UNS S31050，美国机械工程师协会牌号ASME CODE CASE 2038）和尿素级316L Mod（中国标准牌号022Cr17Ni14Mo2，欧洲EN标准牌号X2CrNiMoN18-14-3，美国材料与试验协会牌号UNS S31603）。浙江久立特材科技股份有限公司（简称久立特材）成功研发出尿素级不锈钢产品，使我国具备生产尿素级不锈钢钢管的生产能力，满足国内尿素设备厂家对此类钢管的需求，降低了对国外同类产品的依赖程度。本文主要介绍久立特材研发尿素级25.22.2不锈钢钢管的情况。

　　1、尿素级不锈钢钢管的技术要求及特点

　　目前，尿素级不锈钢在国内外尚未形成国家级或协会级标准，只有一些尿素工程公司制定的企业级标准规范，如中国五环工程有限公司的14-A32S-95《尿素厂X2CrNiMo25-22-2不锈钢的材料要求》、30-A10S-95《尿素厂316L Mod不锈钢的材料要求》，以及意大利Snamprogetti公司的《SPC.CR.UR.510 Rev.03一般规范尿素装置用奥氏体不锈钢高压部分》等。上述规范对尿素级不锈钢的化学成分、金相组织、耐腐蚀性能提出了特殊要求，但其本身不是一个独立的材料标准，应与各国的不锈钢标准配合使用。

　　由于尿素级不锈钢钢管在尿素生产设备中充当流体管或者管道，是在高温、高压下的甲铵液强烈腐蚀介质中服役，因此对尿素级不锈钢钢管的要求十分苛刻。综合各工程公司的技术条件，对尿素级不锈钢钢管的特殊要求归纳如下。

　　1.1、化学成分

　　普通的奥氏体不锈钢在尿素介质中的耐腐蚀性能并不理想，随着国内特殊钢冶炼新技术的进步，采用“炉外精炼+电渣重熔”工艺冶炼超低碳不锈钢，可提高钢的纯净度，使尿素级不锈钢的国产化成为可能。尿素级25.22.2不锈钢的主要特点是低碳、低硅、高氮，并具有稳定的奥氏体组织及高抗腐蚀性；尿素级316L Mod不锈钢的主要特点是低硅、高钼，具有稳定的奥氏体组织。两种尿素级不锈钢的化学成分见表1。

　1.2、力学性能

　　尿素级不锈钢钢管以固溶态交货，其力学性能见表2。

1.3、组织和耐腐蚀性能

　　（1）成品钢管的组织为奥氏体，铁素体含量≤0.6%，并且没有其他相析出。

　　（2）固溶处理状态下，进行休氏试验（65%沸腾硝酸失重检验）。尿素级25.22.2不锈钢钢管：48h、10个沸腾周期的平均总腐蚀率不超过1μm；第9、10周期的腐蚀率不得超过第8、9周期值中最低值的50%；休氏试验后，通过显微镜检测测定的选择性腐蚀的浸蚀在任何地方不超过70μm。尿素级316L Mod不锈钢钢管：48h、5个沸腾周期的平均总腐蚀率不超过3.3μm；第4、5周期的腐蚀率不得超过第3、4周期值中最低值的50%；休氏试验后，通过显微镜检测测定的选择性腐蚀的浸蚀在垂直于轧制方向不超过70μm，在平行于轧制方向不超过200μm。

　　2、尿素级不锈钢钢管试制工艺及分析

　　2.1、管坯工艺

　　根据尿素级25.22.2不锈钢的特点及久立特材的实际装备情况，制定如下管坯开发工艺：配料→20t电弧炉初炼→20t AOD炉精炼→模铸成Ф350mm电极棒→电渣重熔Ф500mm钢锭→修磨→加热→锻造→精整→检验→包装、标记→入库→发货。

　　2.1.1成分优化设计

　　基于尿素级25.22.2不锈钢钢管的最终用途，进行化学成分优化设计，实现低碳、低硅、高氮和稳定奥氏体组织及高抗腐蚀性要求。为了使成品组织中的铁素体含量≤0.6%，Cr当量应尽量低一些，而Ni当量应尽量高一些。若Cr当量太低，必然导致Cr含量与Mo含量低，这对耐失重腐蚀及耐点蚀性能不利；若Ni当量增高，必然需要增加Ni元素和C元素的含量，这对产品成本及耐腐蚀性能同样不利。因此，尿素级25.22.2不锈钢的成分应在化学成分控制范围内，合理搭配。尿素级25.22.2不锈钢的设计成分见表3。

2.1.2、冶炼工艺

　　尿素级25.22.2不锈钢采用“电弧炉初炼+炉外精炼+电渣重熔”的冶炼工艺。电弧炉初炼的普通奥氏体不锈钢，进行熔化、脱碳保铬；炉外精炼采用预脱氧和深脱氧的精炼工艺，并控制N元素含量，使N元素含量的目标值与实际值的误差在±5×10-3%；电渣重熔采用全程保护气氛，设计出最适宜的电渣重熔工艺，并以锻坯交货。按该冶炼工艺冶炼的尿素级25.22.2管坯，其各项性能满足技术要求。

　　2.1.3、采用微合金化技术

　　稀土元素原子在晶界上偏聚，并与其他元素交互作用，可引起晶界结构、化学成分和能量的变化，并影响其他元素的扩散及新相的形核与长大，最终导致钢的组织与性能发生变化。稀土元素在钢中有一定的固溶量，它在晶界上偏聚可抑制硫、磷及低熔点杂夹物在晶界偏析，并与夹杂物形成高熔点化合物，消除低熔点夹杂的有害影响。稀土元素可净化、强化晶界，阻碍晶间裂纹的形成与扩展，有利于钢材的高温塑性和耐腐蚀性。

2.2、制管工艺

　　2.2.1、热加工成型工艺

　　对于一般不锈钢钢管产品的研发和生产，我国传统工艺是采用“热穿孔+冷轧（拔）”路线，该工艺路线生产成本低、效率高。但对于高铬、高钼的合金管产品，由于其组织结构、热塑性与一般不锈钢钢管产品不同，特别是有特殊要求的尿素级不锈钢钢管；因此，采用热挤压工艺制造尿素级不锈钢母管。热挤压工艺是国际上通用的高合金钢管加工方式。挤压管管材表面质量、尺寸精度和组织状态对后续冷加工管材的质量有重要影响。久立特材采用锻造大棒料、大的挤压变形比，生产了尿素级25.22.2不锈钢母管，其热挤压工艺参数见表4。

热挤压工艺技术是批量、稳定生产合格尿素级不锈钢钢管的关键，也是难点之一。久立特材通过对热挤压工艺技术参数，包括挤压坯料加热工艺、润滑技术（润滑剂种类、润滑方式等）、热挤压工艺（包括挤压比控制、挤压力、挤压速度）等的研究和摸索，已充分掌握批量生产尿素级25.22.2不锈钢母管的技术要点。

　　2.2.2、冷加工工艺

　　热挤压母管的内外表面处理后，经多道次冷加工，才能得到成品尺寸的管材。久立特材试生产了尿素级25.22.2换热管，其冷加工及中间热处理工艺参数见表5。

　试制时，需要严格控制管材的尺寸精度和表面质量，因此对冷加工工艺技术提出了十分严格的要求。通过对冷加工工艺，包括工模具选型、工艺参数（包括变形量、变形道次、送进量和轧制速度等）的确定，经多次试验和验证，久立特材已充分掌握尿素级25.22.2不锈钢钢管的冷加工工艺技术，为大批量生产奠定了良好的基础。

　　2.2.3、热处理工艺

　　尿素级不锈钢钢管最重要的性能是抗腐蚀能力。当化学成分固定后，热处理制度对材料的耐腐蚀性能是至关重要的。尿素级25.22.2不锈钢钢管的热处理一般采用固溶处理，其工艺参数见表6。久立特材通过对加热速度、保温温度、保温时间、冷却速度等方面的研究，针对不同规格的钢管采取合适的固溶热处理工艺制度，确保产品的综合性能满足尿素级25.22.2不锈钢钢管的技术条件要求。

　久立特材生产的尿素级25.22.2换热管的化学成分见表7，常温拉伸性能见表8，高温短时拉伸性能见表9，金相组织如图1所示。注：尿素级25.22.2换热管常温拉伸性能目标值为Rm≥580MPa，Rp0.2≥270MPa，A≥25%。

注：尿素级25.22.2换热管高温短时拉伸性能目标值为Rp0.2≥206MPa。

　　从图1可以看出：尿素级25.22.2换热管的金相组织为单相奥氏体组织，晶粒度为7.5级（图1a）和7.0级（图1b），通过铁素体测定仪测定及金相观察，未发现铁素体组织及其他有害相。

尿素级25.22.2换热管的非金属夹杂物评级结果见表10，休氏试验结果见表11。结果表明：该尿素级不锈钢钢管在生产过程中得到较好控制。

　3、影响尿素级不锈钢钢管质量的因素

　　对于尿素用钢，耐腐蚀性能是最重要的使用性能。对耐腐蚀性能的研究也是久立特材开发产品过程中的研究重点。现着重分析钢的纯净度和钢管表面质量对耐腐蚀性能的影响。

　　3.1、钢的纯净度

　　在现行的尿素级不锈钢标准和用户技术条件对质量要求的内容中，化学成分、力学性能、组织、腐蚀性能、非金属夹杂物、表面质量、无损探伤等检测结果均与钢的纯净度有关；因此在冶炼尿素级不锈钢时，需严格控制S、P、H、O、N等元素的含量以及非金属夹杂物。

　　对于不锈钢的冶炼，普遍且成熟的方法是采取AOD、VOD等炉外精炼技术，而对于尿素级不锈钢，提高钢的纯净度最为关键。针对尿素级不锈钢的特殊要求，采取“电弧炉初炼+AOD炉外精炼+电渣重熔”冶炼工艺，使钢中C、S、P、H、O等元素达到较低水平，实际w（S）≤0.005%，w（P）低于用户要求的0.020%，[H]≤1×10-3%，[O]≤2×10-3%。通过对原材料、造渣材料、脱氧材料的质量控制，以及浇铸系统等用耐火材料的烘烤，提高炼钢气体纯度等，有效防止杂质进入钢液中。

　　3.2、钢管表面质量

　　尿素级不锈钢都要求通过晶间腐蚀检验。晶间腐蚀评定的目的是为了检验钢种的化学成分和钢材在生产过程中工艺控制的好坏。休氏试验是一种检测晶间腐蚀倾向的方法，在某种程度上可反映出选择性腐蚀和C、Si、P等有害元素对晶间腐蚀的影响，用于评定尿素介质中使用的Cr-Ni-Mo奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感性，现是国际公认的通用方法。影响尿素级不锈钢休氏试验腐蚀倾向的因素有很多，可以概括为：钢的内在品质和表面质量要受钢的冶炼、加工等过程各方面的影响。除了化学成分、金相组织、晶粒度，以及钢的纯净度以外，尿素级不锈钢钢管的表面质量对腐蚀倾向也有很大影响。生产尿素级不锈钢钢管时，钢管在热挤压、冷加工、热处理、酸洗等多个工序有可能接触到其他污染物；因此，在每个制造环节，控制钢管表面清洁度至关重要。如：冷轧后去油操作需仔细，去油后用高压水仔细冲洗，去油、脱脂后钢管内外表面需干净，无油、无残酸残留；钢管自检合格后方可送下一道工序退火；在退火前，有些钢管由于长时间堆放，导致表面污染，操作人员必须重新检查钢管内外表面，表面清洁的钢管方可退火。

　　大量的研究和试验表明：对于尿素级不锈钢，除化学成分、组织、性能外，钢的纯净度和表面质量对尿素级不锈钢的成功研发有极其重要的影响。

　　4、结语

　　久立特材从尿素级不锈钢钢管的质量特性要求出发，通过对材料优化、热挤压成型、冷加工成型、热处理等工艺环节的控制，研究了化学成分、热处理制度、有害元素以及添加元素的含量对产品α相、σ相、碳化物、机械性能、耐腐蚀性能的影响，研制出符合相应设计要求的尿素级25.22.2不锈钢钢管。该尿素级25.22.2不锈钢钢管的实物质量和性能与国外进口材料相当，推动了尿素级不锈钢的国产化，可为我国大型化工项目提供服务。

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