[发明专利]一种常压冶金两步制造高氮不锈钢钢板的方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁铸造、冶金领域，具体涉及一种常压冶金两步制造大幅面规格的高氮奥 氏体不锈钢钢板的方法。

背景技术

随着中国海工行业的不断发展，对海洋工程材料提出了新的要求，尽管已经有了适应要 求的工程材料，但是对更高性能材料的研发和需求从未止步。例如船体用结构钢，从GB712 1988到GB7122000、GB7122011，标准的名称由“船体用结构钢”到“船舶及海洋工程用 结构钢”，用途从“用于制造远洋、沿海和内河航区船舶的船体结构的一般强度钢和高强度钢” 扩展到进一步包括海洋工程用钢和超高强度结构钢，增加了高强度、超高强度牌号和质量级 别。中国工程院在2013年3月启动了“中国海洋工程材料研发现状与发展战略初步研究”咨 询项目；2013年8月召开的海洋工程材料研发、生产与应用的研讨会上，中国工程院院士周 廉表示“要发展先进的海洋工程装备，材料先行刻不容缓”；在材料上提出了比船舶用钢更高 的要求，采用的钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及抗海 水腐蚀等性能。当前标准提供的低碳当量低合金结构钢必须采取耐腐蚀防护工艺，而且使用 寿命较低。自80年代研发和应用热烈的高氮不锈钢已成为海洋工程急切需求的最重要结构材 料之一。例如高氮奥氏体不锈钢Cr20Mn18Mo2.5N0.9铸锭在铸态抗拉强度≥830Mpa、屈服 强度≥565Mpa、延伸率≥30％，计算疲劳强度＞567Mpa，耐点蚀当量值＞57，对比316L、 316N和316LN不锈钢，具有显著的高强度和耐海水腐蚀性能。

现有专利(200810050792.8)提供了在常压条件下熔炼氮含量高达0.6‐1.2％的高氮奥氏体 不锈钢获得铸锭的方法，为高氮奥氏体不锈钢在冶金领域的应用提供了基础性的条件。然而， 高氮奥氏体不锈钢在普通环境大气压力下熔炼和铸造时，一种不利的状况是：自释放氮气， 氮气聚集形成氮气孔洞，留存于铸件中，容易造成铸件孔洞缺陷以及不合理的分布特征；浇 注成铸锭时，氮气孔洞与缩孔结合放大，在铸锭心部形成较深的严重的的缩孔或缩松缺陷。 针对氮过饱和程度高的高氮奥氏体不锈钢，在加工时更是困难重重。采用常规铸造方法，即 使熔炼和铸造工艺控制满足要求，但氮气自释放后仍留在铸件中，小尺寸实验铸锭中体现为 深的缩孔，甚至超过铸锭三分之二的长度；在实验的板形型腔钢板铸件中，体现为钢板中心 层分布着显著的孔洞；或者在其它型腔铸件的热节部位，包含大的孔洞和严重的缩松缺陷。 如果工艺控制发生延迟或超温时，会发生氮的过量释放，在工艺上，难以控制氮的合金化浓 度；或者，在检查最终铸造产品的氮含量时，低于化学成分控制值。另一种不利的状况是： 纠正前一种缺陷，修改高氮奥氏体不锈钢化学成分，调整主要合金元素含量，但增加了脆性， 容易导致冷裂缺陷，增加加工和开坯的难度。并且，由于高氮奥氏体不锈钢高强度、高热强 度、高加工硬化和低的再结晶软化的事实，开坯热轧冶金生产难度高，对于船板产品一般规 格(6～30)×(1400～3250)×(4000～12000)mm，加工时更加困难。

目前，制造钢板的方法：(1)采用传统的铸造工艺，用矩形型腔直接铸造大尺寸钢板。 此方法即使制造并非很大幅面规格的高氮奥氏体不锈钢钢板也是不可行的。(2)采用传统模 铸法生产铸锭，然后开坯轧制获得钢板。如果铸锭截面尺寸增加，会延迟最终凝固时间。对 于氮过饱和程度高的高氮钢，在熔炼和铸造时发生明显的氮气自释放，导致氮的合金化损失， 或者成分偏差大，甚至无法控制材料的化学成分；氮气自释放强化缩孔发生的程度，增加中 心缩孔深度和截面尺寸，在开坯冶金时如果不去除，要么就会以难以融合的重大面缺陷残留 在钢板中。对于在铸造中因为高的锰含量而呈现脆性的高氮钢，随着铸锭截面尺寸增加，无 法通过加强冷却烈度改善铸锭心部的冷却和凝固速度，可能发生冷脆的区域就会扩展，并且 难以通过完全退火消除或显著减弱铸造应力，增大开坯、轧制难度。(3)采用连铸连轧技术 生产钢板。应用高氮奥氏体不锈钢制作连铸钢坯，由于连铸技术复杂，常压下，探索性工作 难度也极大。而且连铸技术生产板坯时，在盛钢桶和中间包中的高氮奥氏体不锈钢钢水，停 留时间长，对于明显发生自释放氮气的高氮钢，难以稳定合金化学成分；连铸技术的连铸板 坯相当于高宽比相当大的钢锭凝固，边运行边凝固.液相穴很长，钢水补缩不好，易产生中 心疏松和缩孔，氮气自释放会加剧中心疏松和缩孔。对于锰含量很高的高氮钢，材料自身韧 性不足，再结合快速凝固柱状晶发达，可能导致较为集中的内裂纹。