ER307Ti焊接用奧氏體不銹鋼線材研制與開發(fā)

供稿|楊輝, 王建勇, 陳華, 吳明華, 朱雄明, 代雨勃, 曹楓/ YANG Hui, WANG Jian-yong, CHEN Hua, WU Ming-hua, ZHU Xiong-ming, DAI Yu-bo, CAO Feng

ER307Ti焊接用奧氏體不銹鋼線材研制與開發(fā)

Research and Development of ER307Ti Type Austenite Stainless Steel Wire for Welding

供稿|楊輝1, 王建勇1, 陳華1, 吳明華1, 朱雄明1, 代雨勃2, 曹楓3/ YANG Hui1, WANG Jian-yong1, CHEN Hua1, WU Ming-hua1, ZHU Xiong-ming1, DAI Yu-bo2, CAO Feng3

內(nèi)容導(dǎo)讀

通過生產(chǎn)試驗，優(yōu)化了ER307Ti焊接用不銹鋼線材內(nèi)控化學成分，減少鐵素體含量，提高其耐腐蝕性能和熱加工性以及焊接性。摸索出了獨特的精煉渣系，提高了鋼的純潔度；并改造傳統(tǒng)精煉工藝，建立了一套穩(wěn)定鈦元素回收的工藝方法，提高鋼的表面質(zhì)量和成材率；并研制出合理的保護澆鑄工藝確保鋼坯表面質(zhì)量，并摸索出了最佳軋制溫度區(qū)間和熱加工工藝。

ER307Ti焊接用不銹鋼線材主要成分為18Cr-8Ni-6Mn，是一種奧氏體不銹鋼焊接線材，用于焊接具有耐熱、耐蝕要求含鈦不銹鋼或鐵鎳基合金，或用于一些難焊合金、異種鋼的焊接及堆焊。ER307Ti具有良好的抗裂性能，是在ER307基礎(chǔ)上添加Ti，能有效改善耐腐蝕性能，尤其提高抗晶間腐蝕性能[1-2]。由于Ti在焊接中有燒損，為保證焊接處的抗腐蝕性能在其基體中必須提高Ti含量。但是Ti是一種極易氧化元素，在冶煉中回收率不穩(wěn)定，而在澆鑄中又易產(chǎn)生二次氧化，生成TiN夾雜物污染鋼水并且對軋制表面質(zhì)量控制造成很大的困難。

永興特種不銹鋼股份有限公司在開發(fā)此產(chǎn)品過程中著力于解決Ti的合金化工藝，提高和穩(wěn)定Ti的回收率。首先，如果合金化過程控制不當，Ti的質(zhì)量分數(shù)過高，會在鋼的表面形成大量結(jié)疤，增加修磨率及成品的表面質(zhì)量，嚴重的會造成報廢；其次，還需解決高鈦鋼在澆鑄過程中形成的缺陷，一是要保護澆鑄，二是要控制合適的過熱度及較好的耐火材料等。最后是解決線材軋制表面缺陷問題，因其鐵素體質(zhì)量分數(shù)高，軋制寬展大，需采用專用孔型系統(tǒng)及延伸系數(shù)，否則極其易產(chǎn)生耳子，造成折疊的產(chǎn)生。

永興特種不銹鋼股份有限公司在開發(fā)生產(chǎn)含鈦焊接用奧氏體不銹鋼線材具有多年的實踐經(jīng)驗，這為開發(fā)更高要求的焊接用奧氏體不銹鋼線材奠定了良好的基礎(chǔ)。通過對化學成分的優(yōu)化，近一步提高了該鋼種的焊接性和耐腐蝕性，在冶煉上采取了很多措施，來提高鋼水的純凈度等。

生產(chǎn)工藝流程與關(guān)鍵技術(shù)

配料→電爐初煉→AOD爐精煉→模注鋼錠→鋼錠修磨→加熱→熱連軋→酸洗→精整→檢驗→成品入庫

關(guān)鍵技術(shù)：對化學成分進行優(yōu)化設(shè)計，在提高其焊接性能的同時，同時保證熱加工性能；設(shè)計開發(fā)出合適的渣系和精煉工藝，保證含量大于0.6%的鈦元素的穩(wěn)定回收工藝，并確保鋼的純凈度；開發(fā)高鈦奧氏體不銹鋼的保護澆鑄工藝，改善高鈦鋼表面質(zhì)量；在熱加工方面，采用連軋和控制軋制技術(shù)，確保熱加工過程中，無折疊、裂紋等缺陷。

技術(shù)特征

降低TiN的形成

ER307Ti鋼的化學成分中，除了Cr以外，還有很強的鐵素體形成元素Ti，要合理控制鐵素體量。鐵素體量高會影響熱加工藝性能，但鐵素體太低對焊接不利，焊縫易出現(xiàn)熱裂紋傾向，保證鐵素體質(zhì)量分數(shù)不低于6%。 N元素雖然是奧氏體形成元素，但由于Ti的存在，非常容易形成TiN夾雜，并且容易富集，如圖1和圖2所示，通過降低N質(zhì)量分數(shù)來減少TiN的形成，因此N的質(zhì)量分數(shù)應(yīng)該控制在小于0.025%，冶煉過程全程吹氬，包括脫碳和還原，出鋼和澆注系統(tǒng)用氬氣保護，確保TiN形成降到最低。

提高鋼的純凈度

圖1 ER307Ti中間坯表面缺陷宏觀照片

圖2 ER307Ti中間坯表面缺陷縱向拋光微觀照片

在EAF加AOD冶煉工藝的基礎(chǔ)上對還原脫氧制度及澆注工藝上采取措施。精煉采用全過程吹氬，高堿度渣還原，預(yù)還原利用硅鐵脫氧，去除預(yù)還原渣后再造高堿度渣脫硫脫氧。做好措施保證快速出鋼，防止鋼水的二次污染。提前排凈鋼包中的空氣，減少了氮化鈦形成的幾率，在澆注上保證鎮(zhèn)靜時間，讓夾雜物充分上浮，選用了氧化鋁質(zhì)量分數(shù)大于70%的莫來石流鋼磚，減少鋼液中的外來夾雜。

提高加工性能

提高C、Mn、Ni等奧氏體組織形成元素或減少鐵素體組織形成元素Cr、Mo、Si等來提高鋼中奧氏體含量，結(jié)合奧氏體不銹鋼鉻當量計算公式，制定以下內(nèi)控化學成分，分析結(jié)果如表1所示。

獨特的脫氧脫硫工藝和精煉渣系

鋼液中碳和氧有個平衡關(guān)系，碳越低，對應(yīng)的氧含量越高。為減少還原負擔，一方面在吹煉過程中，隨著鋼液含碳量的下降，結(jié)合鋼液溫度，不斷調(diào)整O2/Ar比例，使脫碳氧氣利用率(CRE)始終保持盡可能高的水平，控制了鋼液的過氧化程度，減輕了還原期的壓力；另一方面在還原操作上強調(diào)了終點碳達到要求后，預(yù)還原脫氧后隨CaO加入一定量的Al。脫氧AOD爐分兩步進行，第一步預(yù)還原，利用硅鐵、電錳作為還原劑，使用高活性石灰，堿度控制在2.0以上；第二步拉掉預(yù)還原渣，再加入Al、CaO和CaF2還原，使堿度大于等于3.5，且使渣具有較好的流動性。此外還原期后期只使用Ca-Si粉脫氧，不再使用Al脫氧以控制鋼中的B類夾雜；在出鋼前吹純Ar氣大于3 min，使脫氧反應(yīng)趨于平衡；出鋼時進一步脫氧，將純Ti金屬放置在鋼包中。冶煉這種鋼要加純Ti金屬而不用含Al的Ti合金，否則容易形成B類夾雜。

表1 標準化學成分及內(nèi)控化學成分(質(zhì)量分數(shù)) %

AOD爐相比其他不銹鋼精煉爐所具有較大優(yōu)勢之處就是能深脫硫，由鋼、渣間硫的分配比可知，高堿度、低氧勢、高溫度對脫硫有利，而在精煉的還原階段，由于加入硅鐵和爐內(nèi)的高堿度和高溫，以及Ar氣的攪拌，使爐渣脫氧充分，促進了充分脫硫。在本鋼種冶煉過程中將還原期的堿度控制在2.5～4.0，并確保爐渣流動性良好；經(jīng)過還原、出鋼渣洗，成品硫含量可控制在0.003%以下。Cr的回收率可達到98%以上，由于含Ti脫氧條件極好，氧含量一般不超過25×10-6。近年來永興特種不銹鋼股份有限公司所冶煉的ER307Ti部分爐號的實際成分列于表2。

表2 ER307Ti部分爐號鋼液成分(質(zhì)量分數(shù)) %

微量合金元素的利用

對于ER307Ti鋼種，我們在成品中適度控制殘余元素微量B。微量的B加入可提高奧氏體不銹鋼的熱塑性，改善加工性。

澆鑄工藝

鋼包口清潔，快速出鋼，出鋼前排空包內(nèi)空氣，出鋼溫度控制在1600～1620℃，鋼包上加蓋保溫，Ar氣攪拌，讓包內(nèi)夾雜物充分上浮，鎮(zhèn)靜時間≥10min；Ar氣保護澆鑄，防止鋼液吸N和二次氧化；采用莫來石鑄管磚、中心磚，無碳保護渣澆鑄，減少由于鋼水沖刷形成的外來夾雜物。

軋制技術(shù)要求

ER307Ti熱軋線材的主要質(zhì)量控制點是表面質(zhì)量控制，與常規(guī)的Cr-Ni奧氏體不銹鋼如304鋼相比，其軋制寬展遠遠大于304鋼，約為304鋼的1.5倍，軋制過程中需密切注意各道次寬展變化情況。本公司生產(chǎn)的成品ER307Ti，由金相顯微鏡圖像分析儀測得其鐵素體單位面積含量在8%左右。軋制ER307Ti對橢圓孔做了適當修改，槽口寬度適當增加，以適應(yīng)該鋼種的軋制。

鋼錠開坯的加熱溫度在1200～1250℃之間，保溫1.5 h，有很好的熱塑性，鋼錠開坯軋線材的加熱溫度在1130～1170℃之間，保溫1.5 h，有很好的熱塑性。

另外軋鋼對該鋼種的鋼錠開坯坯料表面要求嚴格，鋼坯表面不能有氣孔、夾渣、翻皮、裂紋等缺陷存在，修磨采用機磨的方式，清除表面夾雜物，否則對成品表面質(zhì)量的控制帶來很大的困難。

ER307Ti軋制對溫度非常敏感，在不同的加熱溫度下，寬展完全不一樣，超過1150℃時，晶粒長大最快，隨著Ti的增加晶粒粗化溫度降低，對軋制造成非常不利的影響。因為該鈦鋼在澆鑄凝固過程中，隨著溫度的下降，TiN的溶解度降低，可能從固溶體中析出，軋前A晶粒大小，在一定程度上決定了軋后再結(jié)晶晶粒大小。軋制溫度相同，低鈦鋼總比高鈦鋼的再結(jié)晶晶粒細，熱塑性好，不易產(chǎn)生缺陷。在軋制溫度和保溫時間相同的情況下，軋前A晶粒粗大，則軋后A晶粒亦粗大。在相同的軋制工藝下隨含Ti量的增加，在再結(jié)體積分數(shù)減少。

低溫軋制1150℃以下，Ti阻止再結(jié)晶形核，延長再結(jié)晶孕育期，并大大降低其長大速度，而在高溫1150℃以上時，Ti原子未能阻止再結(jié)晶成核，僅僅減慢了再結(jié)晶成核后長大速度。

使用情況

永興特鋼開發(fā)生產(chǎn)的ER307Ti焊接用不銹鋼線材，經(jīng)江、浙、滬一帶的不銹鋼拉絲廠、焊材廠等不銹鋼制品廠家使用，性能穩(wěn)定。

結(jié)束語

通過生產(chǎn)試驗，優(yōu)化了ER307Ti焊接用不銹鋼線材內(nèi)控化學成分，減少鐵素體含量，提高其耐腐蝕性能和熱加工性以及焊接性。摸索出了獨特的精煉渣系，提高了鋼的純潔度；并改造傳統(tǒng)精煉工藝，建立了一套穩(wěn)定鈦元素回收的工藝方法，提高鋼的表面質(zhì)量和成材率；并研制出合理的保護澆鑄工藝確保鋼坯表面質(zhì)量，并摸索出了最佳軋制溫度區(qū)間和熱加工工藝。

致 謝: 本課題受浙江省重大科技專項項目資助(No.2010C01005 )。

[1] 曹傳民. 奧氏體不銹鋼儲存罐焊接工藝分析. 現(xiàn)代焊接, 2012, (5):64-66.

[2] 孔建偉,馬川. 奧氏體不銹鋼堆焊層與碳鋼管的手工鎢極氬弧焊封口焊操作技術(shù).現(xiàn)代焊接. 2010, (5): 32-35.

楊輝，高級工程師，主要從事不銹鋼新產(chǎn)品的研發(fā)工作。

■ 攝影 王耀東 北京交通大學

1. 永興特種不銹鋼股份有限公司, 浙江 湖州 313005；2. 湖州眾立不銹鋼管有限公司，浙江 湖州 313012；3. 湖州師范學院湖州市新材料行業(yè)技術(shù)中心, 浙江 湖州 313012

10.3969/j.issn.1000-6826.2014.01.19