國(guó)內(nèi)外雙相不銹鋼的應(yīng)用進(jìn)展

□張文毓　□侯世忠中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所　河南洛陽(yáng)　471023

國(guó)內(nèi)外雙相不銹鋼的應(yīng)用進(jìn)展

□張文毓□侯世忠
中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司 第七二五研究所河南洛陽(yáng)471023

雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度高一倍，所以使用雙相不銹鋼可以減輕質(zhì)量、減少用量。目前，主要應(yīng)用領(lǐng)域有船舶海水淡化裝置、船用雙相不銹鋼板、船用鍛件、軋制管材和鑄件、運(yùn)輸業(yè)、建筑結(jié)構(gòu)、深海油田、能源與環(huán)保工業(yè)、熱交換器、紙漿和造紙工業(yè)、石油化學(xué)和化肥工業(yè)、食品和輕工工業(yè)、煉油工業(yè)等?？梢灶A(yù)料，雙相不銹鋼的使用比例在今后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，雙相不銹鋼的發(fā)展有著光明的前景。從雙相不銹鋼的概況、應(yīng)用情況、發(fā)展建議幾方面進(jìn)行了綜述，提供了對(duì)國(guó)內(nèi)外雙相不銹鋼最新的應(yīng)用進(jìn)展情況。

雙相不銹鋼系指在鋼的固溶組織中鐵素體和奧氏體相約各占一半，一般最少相的含量也需要達(dá)到30%，并簡(jiǎn)稱(chēng)為α+γ雙相不銹鋼。與鐵素體不銹鋼相比，α+γ雙相不銹鋼具有脆性轉(zhuǎn)變溫度低以及耐晶間腐蝕性能和焊接性能均顯著提高的特性。將奧氏體不銹鋼所具有的較高強(qiáng)度和耐氯化物的應(yīng)力腐蝕性能結(jié)合在一起，且保留了鐵素體不銹鋼熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)小和塑性好等特點(diǎn)。雙相不銹鋼的使用范圍越來(lái)越廣泛，傳統(tǒng)上是利用其優(yōu)越的耐局部腐蝕性尤其是耐應(yīng)力腐蝕性能作為耐蝕材料的應(yīng)用。近年來(lái)又從其強(qiáng)度著眼，出現(xiàn)了作為現(xiàn)代新型結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用，值得重視。

1　雙相不銹鋼概況

雙相不銹鋼根據(jù)成分特點(diǎn)可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是Cr-Ni系雙相不銹鋼，主要特點(diǎn)是含有較高的鉻和較低的鎳；另一類(lèi)是Cr-Mn-N雙相不銹鋼，其成分特點(diǎn)是含鎳量低，且含有較高的氮成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），見(jiàn)表1。

表1　兩類(lèi)雙相不銹鋼的化學(xué)成分/wt%

在眾多的雙相鋼牌號(hào)中，目前工程上應(yīng)用最多的有兩種，即S31803/SAF2205和S32750/SAF2507。

近年來(lái)，國(guó)外雙相不銹鋼的產(chǎn)量在增長(zhǎng)，大致占不銹鋼總產(chǎn)量的1%～2%。中國(guó)的雙相不銹鋼產(chǎn)量也有較大的增長(zhǎng)，2008年國(guó)內(nèi)雙相不銹鋼的粗鋼產(chǎn)量為16 867 t。

隨著先進(jìn)工藝裝備的投產(chǎn)，中國(guó)雙相不銹鋼的規(guī)格品種也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如太鋼的設(shè)備已可生產(chǎn)3 000 mm寬的中厚板、2 000 mm的熱軋卷板和0.6 mm×1 500 mm的冷軋卷板。寶鋼可生產(chǎn)4 000 mm寬的中厚板和1 600 mm的熱軋卷板。

在雙相不銹鋼冶煉工藝技術(shù)方面也有很大的進(jìn)展。太鋼用AOD（氬氧脫碳工藝）爐冶煉含氮不銹鋼，建立了氮合金化工藝模型，能夠精確控制成品中的氮含量達(dá)±0.013 5%。另外，能夠?qū)⒊善分蠵、S含量控制在較低水平，為提高系列雙相不銹鋼產(chǎn)品的性能，尤其是含高氮雙相不銹鋼的性能提供了保證。

雙相不銹鋼的優(yōu)勢(shì)之一在于其優(yōu)越的耐腐蝕性能，尤其是耐局部腐蝕性能，在鎳價(jià)波動(dòng)變化較大時(shí)，開(kāi)發(fā)節(jié)鎳經(jīng)濟(jì)型鋼種，成為重點(diǎn)推廣的產(chǎn)品，同時(shí)，由于它的高性價(jià)比，開(kāi)發(fā)高牌號(hào)的鋼種也已成為重要的發(fā)展方向之一。雙相不銹鋼的另一優(yōu)勢(shì)即具有相當(dāng)于奧氏體不銹鋼兩倍的強(qiáng)度和良好的韌性，這恰恰成為近年來(lái)國(guó)外雙相不銹鋼的發(fā)展目標(biāo)，它不僅可以用于傳統(tǒng)的造紙和化工等加工領(lǐng)域中，而且利用它的高強(qiáng)度和良好的抗疲勞性能，也可以用于重要的公用工程，如橋梁和公路建設(shè)等［1］。

2　雙相不銹鋼應(yīng)用

雙相不銹鋼比普通不銹鋼的強(qiáng)度要高，雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的強(qiáng)度高一倍，所以使用雙相不銹鋼可以減輕質(zhì)量、減少用量。在國(guó)外，結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中擴(kuò)大雙相不銹鋼的使用已經(jīng)成為一個(gè)亮點(diǎn)，特別是在橋梁和大的容器如造船和快艇等方面的應(yīng)用。中國(guó)是發(fā)展中國(guó)家，有許多正在進(jìn)行和潛在的建設(shè)項(xiàng)目及工業(yè)項(xiàng)目，所以在抗腐蝕的結(jié)構(gòu)材料方面推廣使用雙相不銹鋼具有重要的實(shí)際意義。目前，國(guó)際上雙相不銹鋼廣泛應(yīng)用于石油化工、運(yùn)輸、紙漿和造紙、建筑等幾大領(lǐng)域（見(jiàn)表2）。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，在研究、生產(chǎn)和應(yīng)用中相對(duì)落后。

2.1船舶海水淡化裝置

芬蘭的歐托昆普（Outokumpu）公司和瑞典的阿維斯塔（Avcsta）公司的Jan Olsson和Malin Snis提出了一種新型的不銹鋼，可應(yīng)用于膜法和蒸餾法的海水淡化裝置中。這種雙相不銹鋼已經(jīng)成功地運(yùn)用在世界各地的海水淡化裝置中，更多高級(jí)合金不銹鋼將會(huì)是多級(jí)閃蒸（MSF）和多效低溫（MED）裝置不二的選擇［2］。

2.2船用雙相不銹鋼板

首制船用雙相不銹鋼是由法國(guó)阿塞洛公司（Areclor Group，F(xiàn)rance）供貨的，2003年續(xù)建第二艘同型船，所需1 200 t雙相不銹鋼則改由瑞典阿維斯塔公司供貨，該廠還將續(xù)建6艘同型船。我國(guó)有電弧爐和中厚板軋機(jī)的合金鋼企業(yè)，如山西太鋼集團(tuán)、上海寶鋼集團(tuán)浦鋼公司等，它們也能供應(yīng)船用雙相不銹鋼板。

高速水翼船的水翼，強(qiáng)度要求高，又長(zhǎng)期浸泡在海水中，且有空泡腐蝕，雙相不銹鋼板是制造這類(lèi)大型水翼的理想材料。

2.3船用鍛件、軋制管材和鑄件

雙相不銹鋼鍛件和管材適用于要求耐腐蝕的高強(qiáng)度船體零件，包括船體、機(jī)械、受壓容器和管系。具體適用于建造船體結(jié)構(gòu)（如管系、舵軸、舵柱、舵梢以及首尾柱等）和傳動(dòng)軸系與機(jī)械結(jié)構(gòu)（如尾軸、中間軸、齒輪、齒輪軸、連桿、尾管軸、套管軸、連軸器和螺旋槳軸等）；當(dāng)使用溫度適合時(shí)，還可用于渦輪機(jī)零件（如主軸、整體轉(zhuǎn)子、葉輪、葉片和渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的電子轉(zhuǎn)子以及空壓機(jī)轉(zhuǎn)子）等。

表2　雙相不銹鋼的主要應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)的裝置設(shè)備

近年來(lái)，國(guó)外已開(kāi)始研制和應(yīng)用耐海水腐蝕的HDR雙相不銹鋼作為海水管系材料，國(guó)內(nèi)對(duì)雙相不銹鋼的研究應(yīng)用也已起步，船用鑄件有海水蝶閥、船用螺旋槳［3］。

2.4運(yùn)輸業(yè)

化學(xué)品船的波壁狀液貨艙也是利用雙相不銹鋼的典范之一。2007年太鋼首次將國(guó)產(chǎn)2205雙相不銹鋼提供于川東造船廠制造9 000 t級(jí)（使用2205雙相不銹鋼約600 t）、5 500 t級(jí)及3 750 t級(jí)化學(xué)品船的液貨艙，至今已供16艘船用中板，并仍在陸續(xù)簽訂供貨合同。

2.5建筑結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，世界上約有十余座橋梁采用了雙相不銹鋼，多數(shù)是步行橋。如英國(guó)的York橋和瑞典A-parte橋都采用2205鋼。意大利的Rffolo橋用了經(jīng)濟(jì)型2101鋼。雙相不銹鋼也開(kāi)始用于公路橋，尤其是那些對(duì)氯化物誘導(dǎo)腐蝕敏感的結(jié)構(gòu)，如紐約的Brooklyn大橋，用了Alloy 2205鋼筋，該鋼的高強(qiáng)度和較高的伸長(zhǎng)率賦予了它優(yōu)良的抗疲勞性能，壽命比普通鋼筋高2倍以上。

我國(guó)香港的昂船洲大橋，使用約2 000 t的2205鋼板制造橋塔的上部外表面結(jié)構(gòu)，預(yù)計(jì)壽命可達(dá)120年，免于維修。香港至深圳跨海灣長(zhǎng)3.2 km的高速公路通道大轎，約有1 250 t的2205和316用作高速路鋼筋。

西班牙巴塞羅那使用了500 t、4 mm厚的2101鋼建造了面粉儲(chǔ)倉(cāng)。美國(guó)將亞光表面加工的AL2003薄板，約1 500 t用于建造世界上最大的不銹鋼屋頂（卡塔爾多哈國(guó)際機(jī)場(chǎng)屋頂），印度由Outokumpu公司提供的200 t表面電解拋光2101雙相不銹鋼板，制成φ25 mm、φ38 mm、φ50 mm 3種規(guī)格20 km長(zhǎng)的焊管，用于孟買(mǎi)街道過(guò)街天橋的扶手。

2.6深海油田

深海管道纜首選材料應(yīng)是超級(jí)和特超級(jí)雙相不銹鋼，但是由于價(jià)格和制造方面的問(wèn)題，又開(kāi)發(fā)出了鍍鋅的19D雙相不銹鋼（ZCLDSS），其管道纜的設(shè)計(jì)壽命為20年，目前已在推廣應(yīng)用。另外，經(jīng)濟(jì)型低鎳AL2003鋼于2006年應(yīng)用于東馬來(lái)西亞油田深度超過(guò)1 200 m的海底輸油管線，還有加銅的Ferralium225一SD50雙相不銹鋼已成為7 000 m深海底放置設(shè)備和電纜的容器材料，而且被開(kāi)發(fā)用作極精確的海底定位儀和可控深海聲學(xué)釋放應(yīng)答器的壓力外殼和承載部件 （7 000 m海深相當(dāng)700大氣壓，約70 MPa）。瑞典 Sandvik新開(kāi)發(fā)的 SAF2906和SAF3207特超級(jí)雙相不銹鋼更具有超高強(qiáng)度和耐蝕性。

2.7能源與環(huán)保工業(yè)

煙氣脫硫（FGD）系統(tǒng)是用來(lái)消除燃煤電廠煙氣中的SO2，以減少向大氣中排放的數(shù)量，防止酸雨。加拿大Coleson Cove電廠是北美第—個(gè)在吸收塔的頂部采用360 t 2205雙相不銹鋼的。中國(guó)大多數(shù)是燃煤電廠，大量的FGD系統(tǒng)上馬，必將開(kāi)辟雙相不銹鋼新的市場(chǎng)。

2.8雙相不銹鋼在熱交換器中的應(yīng)用

如加氫脫硫廠的水/介質(zhì)熱交換器、油田和油井口的輸送管道、生產(chǎn)純堿用海水熱交換器、盤(pán)管式熱交換器、列管式熱交換器、煉油廠海水熱交換器等。

2.9紙漿和造紙工業(yè)

紙漿和造紙工業(yè)是最早使用雙相不銹鋼的加工工業(yè)，許多鋼種都是根據(jù)這些工業(yè)的需要而發(fā)展起來(lái)的。在紙漿和造紙業(yè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)的硫酸鹽蒸煮法仍多采用低碳鋼制造的蒸煮鍋，而國(guó)外早已普及使用雙相不銹鋼的蒸煮和漂白等設(shè)備，目前國(guó)內(nèi)也有引進(jìn)，但數(shù)量極少。此時(shí)，既耐腐蝕、強(qiáng)度又高的雙相不銹鋼就成了較理想的選擇。

2.10石油化學(xué)和化肥工業(yè)

1972年瑞典的醫(yī)藥工業(yè)為了解決蒸餾塔中的應(yīng)力、腐蝕、破裂問(wèn)題，采用3RE60型雙相不銹鋼制造了兩臺(tái)蒸餾塔（當(dāng)時(shí)2205還處在發(fā)展階段）。雙相不銹鋼的高強(qiáng)度特點(diǎn)在制造各種儲(chǔ)槽、運(yùn)輸罐和反應(yīng)釜器時(shí)，能更好地體現(xiàn)出來(lái)。雙相不銹鋼在尿素和磷肥工業(yè)中的應(yīng)用在近幾年中也得到了很大的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，化肥生產(chǎn)設(shè)備中的一個(gè)冷凝器，如用雙相不銹鋼制造，費(fèi)用可降低到1/3左右，可見(jiàn)雙相不銹鋼在節(jié)省投資方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。

2.11食品和輕工工業(yè)

食品和飲料生產(chǎn)裝置中含氯離子水的換熱設(shè)備使用較多，在這樣的環(huán)境里，加工設(shè)備很容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕破裂。啤酒廠的熱水槽和加熱器，因介質(zhì)溫度在100℃左右，同時(shí)又含有約0.01%的氯離子。在這類(lèi)設(shè)備中，20世紀(jì)70年代初期用3RE60型雙相不銹鋼，20世紀(jì)80年代初以2205為主，22%鉻型雙相不銹鋼來(lái)代替，20世紀(jì) 90年代初又開(kāi)始用SAF2304型雙相不銹鋼。在選用不同雙相不銹鋼時(shí)，以SAF2304最為便宜，而2205可用于氯離子濃度大于0.05%的溶液中。

2.12煉油工業(yè)

煉油工業(yè)是最早使用國(guó)產(chǎn)雙相不銹鋼的部門(mén)，在南京、鎮(zhèn)海、天津、濟(jì)南等煉化公司，多集中用在常減壓蒸餾塔的塔頂襯里（或復(fù)合板）、塔內(nèi)構(gòu)件、空冷器和水冷器等，最長(zhǎng)的已使用20年。鎮(zhèn)海煉化公司是我國(guó)最大的煉油基地，年加工能力為1 600萬(wàn)t，冷凝冷卻系統(tǒng)中多套設(shè)備使用雙相不銹鋼。

近期，針對(duì)特殊用途開(kāi)發(fā)的用于Stamicarbon尿素汽提塔的含29%Cr、0.4%Ni的新鋼種。為處理氯化物食品槽，日本也開(kāi)發(fā)了含更高2%W的NAR. DP.3W鋼，以及更好的抗蝕性、更高的力學(xué)性能及成型性和焊接性的DP28WTM鋼。

利用雙相不銹鋼的高屈服強(qiáng)度將其作為結(jié)構(gòu)件，用在油氣井的儀表管路、上鉆井架的張拉系統(tǒng)、潛水器、錨的支撐板、海上或陸上運(yùn)輸?shù)鸟g船和槽車(chē)等設(shè)備上，可以開(kāi)拓出雙相不銹鋼值得重視的新用途。同時(shí)雙相不銹鋼在環(huán)保節(jié)能等方面將有更大的應(yīng)用前景。

綜上所述，國(guó)內(nèi)雙相不銹鋼在紙漿和造紙工業(yè)、油氣工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、甚至建筑業(yè)幾個(gè)大的領(lǐng)域涉及得不多，有的還只是剛剛開(kāi)始。根據(jù)國(guó)情，利用雙相不銹鋼的性能優(yōu)勢(shì)，今后除繼續(xù)擴(kuò)大在化工和石化等領(lǐng)域的應(yīng)用外，結(jié)合紙漿和造紙工業(yè)的技術(shù)改造需要，開(kāi)發(fā)在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用；至于油氣管線目前很難推廣，雙相不銹鋼的價(jià)格太高了，但是制造有關(guān)油氣田需要的耐氯離子和硫化氫的裝置，像集氣管線和換熱設(shè)備等還是可以采用雙相不銹鋼，甚至超級(jí)雙相不銹鋼。海上運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，化學(xué)品船制造業(yè)方興未艾，需要大量大張的鋼板，這一缺口有待填平補(bǔ)齊。至于在建筑業(yè)方面的應(yīng)用，至今還完全未涉及，其實(shí)濱海的城市雕塑景觀和開(kāi)發(fā)2304鋼用于民用熱水器方面完全可代替304和316奧氏體不銹鋼。

3　發(fā)展建議

近年來(lái)，隨著Ni價(jià)的不斷上漲和大幅波動(dòng)，雙相不銹鋼呈現(xiàn)出兩頭發(fā)展的趨勢(shì)。其一，充分發(fā)揮雙相不銹鋼資源節(jié)約的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展以2101等經(jīng)濟(jì)型雙相不銹鋼，其發(fā)展方向?yàn)榇鎮(zhèn)鹘y(tǒng)的300系列奧氏體不銹鋼，其設(shè)計(jì)思想以Mn、N元素代替Ni、Mo等貴金屬。其二，充分發(fā)揮雙相不銹鋼高強(qiáng)度、良好耐腐蝕性能的特點(diǎn)，發(fā)展以2507和2906為代表的超級(jí)雙相不銹鋼，以部分代替超級(jí)奧氏體不銹鋼904L、254Mo等［5］。

新型稀土雙相不銹鋼SG52已取得較大進(jìn)展，該鋼以稀土改性，并以氮代鎳，經(jīng)濟(jì)有效，在冶金和石化等行業(yè)具有廣闊的生產(chǎn)與應(yīng)用前景。為促進(jìn)我國(guó)雙相不銹鋼的發(fā)展，建議如下。

①利用多種宣傳手段，加大宣傳力度。

②重點(diǎn)發(fā)展需要量大、用途廣、工藝較成熟的牌號(hào)，例如2205、2304等常規(guī)鋼號(hào)。積極推廣經(jīng)濟(jì)型不銹鋼，如2101鋼的生產(chǎn)和應(yīng)用。進(jìn)一步研發(fā)生產(chǎn)特超級(jí)雙相不銹鋼，滿足更高耐蝕性、更高強(qiáng)度、更高溫度應(yīng)用的需求。在用途上，除繼續(xù)發(fā)展在水處理工業(yè)、石化、制鹽、化學(xué)品船等領(lǐng)域的用途外，還需要擴(kuò)大在油氣、環(huán)保、海水淡化、海洋工程、建筑結(jié)構(gòu)，以及制造業(yè)的換熱器、容器、儲(chǔ)罐等工業(yè)用途的發(fā)展，開(kāi)發(fā)潛在巨大的民用市場(chǎng)。

③當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要產(chǎn)品是采用4輥軋機(jī)單張生產(chǎn)的中厚板，為提高效率，多用連軋和爐卷軋機(jī)生產(chǎn)熱軋卷板（剪切板）。擴(kuò)大應(yīng)用的關(guān)鍵需加快試制和供應(yīng)薄規(guī)格的冷軋雙相不銹鋼卷板，還應(yīng)加速生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)管材、長(zhǎng)材，以及鑄、鍛件、焊材等配套產(chǎn)品。

④為適應(yīng)雙相不銹鋼日漸廣泛的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)雙相不銹鋼焊接技術(shù)的普及和配套焊接材料的研制。

⑤組織生產(chǎn)企業(yè)與使用單位上下游結(jié)合及產(chǎn)學(xué)研的聯(lián)合攻關(guān)，加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外技術(shù)的交流，推進(jìn)雙相不銹鋼生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。

4　結(jié)束語(yǔ)

從雙相不銹鋼國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況可以看出，雙相不銹鋼是一種資源節(jié)約型的高性能的不銹鋼產(chǎn)品，它的生產(chǎn)和應(yīng)用符合不銹鋼未來(lái)發(fā)展的方向。同時(shí)，雙相不銹鋼又是一種高技術(shù)、高附加值的產(chǎn)品，它的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)不僅體現(xiàn)了不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)水平，同時(shí)也可為企業(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益?？梢灶A(yù)料，雙相不銹鋼的使用比例在今后會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，雙相不銹鋼的發(fā)展有著光明的前景。

［1］吳玖，劉爾華.國(guó)內(nèi)外雙相不銹鋼材料和應(yīng)用的發(fā)展［J］.不銹，2010（1）：1-8.

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Duplex stainless steel has double strength compared with austenitic stainless steel，so the use of duplex stainless steel can reduce its weight and volume.Currently，the main application areas are sea water desalting plant in marine，marine type duplex stainless steel，marine forgings，rolled pipes and castings，transportation，building structure，deepwater oil field，energy and environmental protection industry，heat exchangers，pulp and paper industry，petrochemistry and fertilizer industry，food and light industry，petroleum refining industry etc.It is expected that the proportion of duplexstainless steel in use will be further expanded in the future；the development of duplex stainless steel has a bright future.With a summary of several aspects involving the general situation of duplex stainless steel，its applications and development proposals，we hope to provide a understanding on the latest progress of duplexstainless steel applications both at home and abroad.

雙相不銹鋼；應(yīng)用；進(jìn)展

Duplex Stainless Steel；Application；Progress

TG142

B

1672-0555（2015）03-062-05

2015年5月

張文毓（1968年-），女，高級(jí)工程師，主要從事情報(bào)研究工作