双相不锈钢(duplex stainless steel,DSS)是固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,或较少相的含量最少也需要达到30%的一类不锈钢。由于双相不锈钢含有约各占一半的奥氏体相和铁素体相的两相组织特点,通过正确控制化学成分和热处理工艺,将奥氏体
不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起。
双相不锈钢不仅在炼油、化工、石化领域使用,还用于纸浆和造纸、化肥、食品和饮料、制药及建筑、楼房和结构等工业领域。但其最重要的应用是化工、化肥、石化、电力和纸浆、造纸工业中反应容器和其他工业装备。随着双相不锈钢及能源、建筑等行业的发展,双相不锈钢在油气输送、化学品船制造、核电、建筑、海洋工程等领域的应用得以不断拓展,并逐渐拓展至航天、航空、高速轻型客车及信息技术(如软磁高强双相不锈钢)等新领域。
1927年Bain和Griffiths首先发现了双相组织,1930年J.Hochmann 偶然发现提高奥氏体不锈钢中的铬含量不仅使钢具有磁性,而且提高了钢的耐晶间腐蚀性能。自从法国在1935年获得第一个双相不锈钢的专利以来,在20世纪,双相不锈钢的发展经历了三代。70年代以来,随着二次精炼技术AOD和VOD等方法的出现和普及以及连铸技术的发展,氮作为奥氏体形成元素对双相不锈钢重要作用的发现,促进了双相不锈钢在国际上的快速发展。其中,2205双相不锈钢和2507双相不锈钢分别作为第二代双相不锈钢和第三代超级双相不锈钢的典型代表,获得了广泛的应用。
进入21世纪后,特超级双相不锈钢和经济型双相不锈钢成为双相不锈钢两个重要发展方向。特超级双相不锈钢含有更高的合金元素,获得更高强度和更加优良的耐蚀性。经济型双相不锈钢具有低镍量且不含钼或仅含少量钼的成分特点,与304和316类型奥氏体不锈钢相比,这种类型钢具有优异的耐应力腐蚀破裂的能力和更好的耐其他腐蚀性能,以及较高的机械强度、较低成本,使其成为304、316奥氏体不锈钢甚至2205双相不锈钢的有力竞争者,同时,也成为双相不锈钢重要发展方向及增长点。
经过80余年的发展,尽管双相不锈钢年产量只占不锈钢产量的不足1%,但双相不锈钢已经成为不锈钢家族中不可或缺的,与马氏体、铁素体、奥氏体不锈钢并列的钢类。双相不锈钢发展到今天,已经形成了包括三代双相不锈钢、经济型双相不锈钢、特超级双相不锈钢等在内的相对完整的系列。
我国在20世纪70年代开始进行双相不锈钢的研究、开发,钢铁研究总院最早从事这方面的工作。80年代初期在分析国外双相不锈钢发展的基础上,研究了氮元素在改善双相不锈钢耐应力腐蚀和孔蚀的机制,并且结合国内各特殊钢厂生产含氮不锈钢的成熟经验,确立了我国重点开发含氮双相不锈钢的发展方向。
钢铁研究总院先后研制了 00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N、00Cr25Ni6Mo2N、00Cr25Ni6Mo3CuN、00Cr25Ni7Mo3WCuN等数个双相不锈钢牌号。
1999年,由吴玖教授主笔编写了我国第一部双相不锈钢专业技术书籍《双相不锈钢》,这是我国介绍双相不锈钢的第一本专业技术书籍,启蒙了我国科研、生产、使用、设计等单位的众多科技人员,促进了双相不锈钢在我国的传播。受中国国家标准化管理委员会委托,2006年,宝山钢铁股份有限公司、中国钢研科技集团公司、江苏武进不锈钢管厂集团有限公司、浙江久立特材科技股份有限公司、江苏银环精密钢管股份有限公司等单位启动了《奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管》(GB/T21833)起草工作,该标准于2008年5月13日发布,2008年11月1日正式实施,这是我国第一个专门的双相不锈钢标准,极大促进了我国双相不锈钢的生产和使用。2013年,由永兴特种不锈钢股份有限公司、宝钢特钢有限公司、四川六合锻造股份有限公司、冶金工业信息标准研究院、钢铁研究总院等单位还共同制定了《奥氏体-铁素体型双相不锈钢棒》(GB/T 31303),2014年12月5日发布,2015年9月1日实施。随着双相不锈钢在我国的大量应用,越来越多的双相不锈钢牌号被纳入了我国不锈钢的国标体系(GB/T20878)。
随着双相不锈钢在国际上的不断发展,双相不锈钢在中国也在经历相似的发展阶段,并且不断与国际接轨、缩小与世界的距离。中国双相不锈钢在产量不断增加的同时,在2000年后,在双相不锈钢研究、生产、应用、标准制定等方面均得到了较大的发展。
随着对双相不锈钢认识的不断深入,我国双相不锈钢工作者的研究也逐渐深入,在热塑性、有害析出相及氮合金元素控制等影响双相不锈钢生产及应用方面取得的研究进展,促进了我国双相不锈钢的发展。经济型双相不锈钢是一种高性能低成本的氮合金化不锈钢(镍含量一般低于4%、铬含量约为21%、氮含量大于0.15%),具有典型的铁素体-奥氏体双相组织。利用氮取代镍元素的奥氏体化作用,降低成本的同时获得优良的力学性能和耐腐蚀性能。经济型双相不锈钢03Cr22Mn5Ni2MoCuN(2101)、2003、2202等,已用于核电、桥梁、建筑、热交换器等行业,取代传统奥氏体不锈钢304和316不锈钢。由于经济型双相不锈钢具有高强度和优良耐蚀性,同时镍、钼等贵金属的含量都较低,已成为未来不锈钢发展的方向之一。
表2-1-9给出了2005-2020年间中国不锈钢及双相不锈钢粗钢产量的统计数据。十几年间,中国不锈钢的粗钢产量从316.1万吨增长至3014万吨,中国不锈钢的粗钢产量在全球不锈钢粗钢的占比从12.9%增长至50%以上。与此同时,中国双相不锈钢的产量从2005年的828吨增长至2020年的19.14万吨。随着双相不锈钢产量的增长,其在中国不锈钢中的占比也稳步提高,从2005年至2007年的不足0.1%提高至2020年的0.6%左右。
在产量增加的同时,中国双相不锈钢在品种上也发生了较大的变化,其中,板材的产量近年得到较大的增长,以022Cr23Ni5Mo3N和03Cr22Mn5Ni2MoCuN产量增加更为显著。太钢是不锈钢重要的生产企业,其双相不锈钢品种以板材为主,永兴特材和太钢是主要的双相不锈钢管坯生产企业。生产双相不锈钢管材企业较多,多集中在江浙一带,尤以久立特材和武进不锈产量较大。就钢种而言,中国双相不锈钢钢种组成也逐渐演变为以022Cr23Ni5Mo3N为主、多钢种系列协同发展的结构,特别是2010年以后,节约型双相不锈钢和超级双相不锈钢在中国的生产得到迅速增加。
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