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日本不锈钢的发展和现代化生产
日本不锈钢的发展和现代化生产 战后随着日本经济的恢复,民众的生产水平提高,不锈钢作为生产材料和大众的消费材料,其需求提高,市场要求提供廉价的、品质稳定的不锈钢。生产厂家希望不锈钢需求扩大,采用能高效且大量生产低成本不锈钢的制造技术,建设新设备,推进技术进步。其结果是,不锈钢在市场上确立了地位,并唤起了新的需求。市场要求新型不锈钢问世,新开发的不锈钢又催生了新的需求。   新型不锈钢问世时,原来的制造技术不能达到要求,需要更高级的制造技术,这成为技术进步的驱动力。另一方面,制造技术的进步也成为不锈钢新产品问世的技术动力。所以说,日本不锈钢的发展是市场、制造技术和新产品三个要素相互作用的螺旋式发展。   从1955年以后日本的不锈钢热轧材产量变化和市场、设备采用的动向来看,如果将热轧材产量看作市场的扩大,那么如前所述制造技术、新产品和市场是相互作用,不锈钢呈阶段性发展。这里所说的市场没有忽视环境变化和规则的使用。本文以不锈钢的制造技术进展及不锈钢用途扩大为中心,论述了日本不锈钢的发展。此外,为了使内容更紧凑,还介绍了日新制钢周南制钢所的技术引进和技术开发。   制造技术的发展   1 炼钢技术   战后不久,日本从美国引进了不锈钢炼钢法。1951年左右,日本冶金、日本金属工业、日本不锈钢3家不锈钢专业厂家开始试行生产不锈钢。日新制钢周南制钢所于1962年开始生产不锈钢,从当时采用的电炉炼钢法来看,存在如下情况:   ①铬的收得率不稳定,高价低碳铬铁的消耗高;   ②低碳不锈钢的熔炼、生产效率和收得率非常低;   ③杂质多,形成表面缺陷,所以收得率低,最终用户使用时发生加工裂纹。   为了解决生产效率、收得率、制造成本、用户异议等众多问题,尝试将电炉钢水在真空下进行处理,但在当时没有应用于实际生产。   (1) LD-VOD、AOD法的采用和发展   日新制钢周南制钢所于1969年建设了将高脱碳的LD转炉和由EdelstahlwerkeWitten公司开发的VOD法(向进入真空钢包中的钢水表面吹氧,边抑制Cr的氧化边进行脱碳)相连,并配置了昭和电工开发的利用固相还原工艺的高碳铬铁合金设备的LD-VOD炼钢工艺。对于真空吹氧当时存在很多疑问,操作当初遇到了各工艺不匹配、转炉耐火材料寿命短等很多问题,但日新制钢通过积累丰富技能和技术改善,完善了不锈钢炼钢的系列工艺。   在同一时期,美国的UnionCarbide公司开发出了AOD法,日本金属工业公司于1971年引进了AOD法,随后相继被其他公司采用。现在LD-VOD法和AOD法是不锈钢炼钢的两大工艺,这两大工艺都有各自的特征,说不上哪个好哪个不好。   AOD法有助于提高像SUS304这种量产型钢种的生产率,所以从全球来看,采用的较多,但如后面所述,如果没有LD-VOD法的技术进步则不可能有高纯度铁素体系不锈钢的发展。1976年,川崎制铁从具有多个风口的钢包底部对在转炉内进行粗脱碳的钢水吹大量氩气,对钢水进行强搅拌,证实在极低区域可降低C和N,领先生产了高纯度高Cr铁素体系不锈钢。另一方面,采用AOD法在低C、N区域的脱碳、脱氮效率低,大同特殊钢于1991年在AOD法上使带真空功能的设备实用化,新日铁也采用了该技术。 不锈钢板坯连铸机于1960年被八幡制铁的光制铁所首次采用,随后一直到70年代,各公司相继采用了板坯连铸机。   在不锈钢的连铸中,应该受到关注的技术是新日铁室兰制铁所于1973年首次采用的电磁搅拌装置。以SUS430为代表的铁素体系不锈钢如果加工成板,则产生被称作绞纹的条纹状表面起伏,使产品外观质量变差。一般认为板坯凝固组织的柱状晶是绞纹现象的起因,在热轧、冷轧工序残留的结晶方位附近的带状集合组织也是其发生原因。作为绞纹的改善方法,研究了各种热轧、冷轧工序的改善方法,但至今没有根本性的解决措施。但是,研究人员发现在某一液相·固相比率点,通过施加电磁搅拌可抑制板坯凝固过程中柱状晶的成长,等轴晶率增大,绞纹现象明显改善。可以说这种电磁搅拌技术对随后铁素体系不锈钢的需求扩大起了很大的作用。   2 冷轧技术   (1) 森吉米尔轧机和多辊轧机的采用   到1950年前,日本国内的不锈钢生产一般都是在4机架轧机上对中间坯进行反复轧制。但是,由于SUS304等不锈钢加工硬化显著,所以如果每一次轧制的压下率不大,那么生产率很低。对于硬质难轧制的材料,TadeuszSendzimir公司开发了小径工作辊和高刚性一体型机架构成的森吉米尔轧机。这种轧机使不锈钢的轧制生产率飞跃性提高,1945年被WashingtonSteel公司采用后,以美国为中心快速发展。   日新制钢公司预测不锈钢需求将扩大,所以和日立制作所合作,推进国产森吉米尔轧机的使用,1958年在周南制钢所建设了日本国内第一套森吉米尔轧机。该轧机同时也是日本首套宽幅轧制用森吉米尔轧机。如果从当时日本国内的不锈钢冷轧月产量约为2000t(昭和33年的不锈钢热轧卷为67394t)来考虑,一家公司的设备产能就高于全国产量,但1959年日本冶金从Demag公司引进设备,以后各公司都积极引进森吉米尔轧机,其结果是,10年间日本国内有11套设备处于运行中,满足了市场对不锈钢冷轧产品的旺盛需求。   作为不锈钢冷轧机,森吉米尔轧机获得了该地位,但由于其结构上的问题,使得轧制形状受到一定限制。1980年后,开始出现要求宽钢卷下高精度的平坦度的新用途,改善轧制形状成为重要问题。于是,日新制钢决定采用新型轧机,首次在宽幅不锈钢冷轧中采用了可使用和森吉米尔轧机一样的小径工作辊的12机架多辊轧机。一直到现在,国内外有10套这种轧机处于运行中。12机架多辊轧机大大改善了森吉米尔轧机很难改善的四分之一轧制,满足了新的需求。   (2) 冷轧工艺的连续化   通过采用森吉米尔轧机和多辊轧机,满足了不锈钢冷轧板的需求扩大,但是这些可逆式轧机在轧制每一道次时,在钢卷的头尾部必须减速,钢卷的搬运需要一定时间,所以在生产效率和劳动生产率方面存在缺陷。为了克服这些问题,日新制钢向轧线的连续化挑战。以下叙述2个例子。   1)森吉米尔轧机的连续化   森吉米尔轧机的工作辊直径小,轧制时钢带的前端很难咬入,还有无张力的尾部轧制也很困难等问题。要克服这些问题,需在轧机入口侧配置焊接设备和活套,同时在轧机前后设置夹送辊,建设了能经常确保轧制时张力的连续式森吉米尔轧机。现在,在普通钢轧制领域,轧机的连续化是很普通的,但比当时日本钢管福山厂计划推进采用的日本首套连续式串列轧机领先了2年。   建设后,进行了2次更新改造,通过运行的自动化,采用全机架自动板厚控制等,达到了省力化和高生产率,现在的月产量超过3万t。   2)热轧卷的退火酸洗线和轧机直接连接   (2) 连铸技术 对于与不锈钢热轧卷的退火酸洗线直接连接轧机,存在的2个最大问题是高Cr不锈钢表面产生的线状缺陷和轧制时的辊痕。   由于高Cr不锈钢很难氧化,热轧时的氧化铁皮生成量少,在轧辊和钢板之间产生发热胶着,容易产生线状缺陷。为此,必须在冷轧前进行去缺陷研磨作业,为使退火酸洗和轧制直接连接,必须解决这一问题。于是,在热轧工序通过采用高速钢轧辊和适当的液体润滑,抑制热轧时线状缺陷的产生,同时在去除热轧卷表面氧化物的除鳞工序强化酸洗和表面研磨,确立了将完好热轧卷送入轧机的技术。另一方面,轧制时的辊痕是由产生于轧辊的缺陷复制而来的。为了防止辊痕,采用刷滚除去异物是有效的,所以轧机选择6Hi-UC轧机,并且为了使工作辊直径尽可能小,采用中间辊驱动。   通过以上这些技术革新,在轧机出口侧,不停止每一钢卷,就能在一定工艺速度下进行操作。   关于轧线连续化,从世界潮流来看,在海外出现了省略热轧卷退火工序,机械除鳞后,在具有小直径工作辊和为防止工作辊水平挠曲而带侧压辊的Z-High轧机上轧制,一直到冷轧卷的退火酸洗工序构成的轧线。在单一轧线下,能制造从热轧卷到冷轧产品是非常好的设想,但由于没有公开发表实际运行情况,所以不能评价其生产率和优异性。但是,包括产品结构,各个工序能最大限度发挥其能力,这种评价是很清楚的。   市场动向与新产品   1 奥氏体系不锈钢的发展   (1) 加工感应马氏体的生成和适用   SUS304,即18Cr-8Ni钢在平衡状态图上是α相与γ相组成的双相组织,但在实际退火后是γ单相组织。这是因为α相的化学自由能低,即使在To温度(常温)以下也不发生扩散相变,在可能发生马氏体相变的亚稳定状态下维持到室温。为了相变为马氏体,必须克服界面能和变形,所以Ms点是比To温度还低200~300℃的低温。SUS304和SUS301在室温下正好处于这种状态,如果施加机械驱动力,将生成马氏体相变钢。   从各种奥氏体系不锈钢的应力与变形曲线可看出,正如一种变形一定模型下所表示的,应力取决于加工感应马氏体相强度与其体积率及母相奥氏体相强度与其体积率。加工感应马氏体的强度依赖于侵入元素C、N,母相奥氏体相的强度取决变形和加工感应马氏体相的体积率,也就是SUS304、SUS301通过生成加工感应马氏体,显示出大的加工硬化能和高的均匀延伸。   (2) 奥氏体系不锈钢的钢种扩大   奥氏体系不锈钢除了具有优异耐蚀性外,还具有如上所述的机械性能,所以灵活运用其特性,需求增长。SUS301经过滚压回火处理获得高强度,可适用作弹簧材。还有,由于均匀延伸大,所以也可用作鼓凸成形品。SUS304也适用作弹簧材,同时由于拉伸凸缘性和压缩凸缘性优异,多用作复合成形的部件和部材。另一方面,γ相稳定型不锈钢SUS305适用于多段拉深成形和非磁性用途。但是,这些钢种不能完全满足市场要求,对于新的需求必须进行各种改善,以下介绍2个事例。   以前,铁道车辆用材是将普通钢板涂装后使用。进入70年代,以省略后涂装为目的(即伴随维护简便化和高速化的车辆轻量化),兼具耐蚀性和强度的不锈钢板得到使用,美国纽约地铁采用了AISI301。SUS301强度高,但由于C含量多,焊接部敏化发生晶界腐蚀,如果要用于在沿海地区运营,且暴露在高温潮湿环境中的日本国内电车网,那么必须解决这一问题。于是开发出了降低C含量,与C具有同样固溶强化能,不损坏焊接部耐蚀性,提高N含量的钢种。对车辆的各个部位,和日本车辆厂家共同设定调质轧制率和板厚规格,实现了不锈钢车辆。这种材料现在作为SUS301L已被JIS标准化,不仅可作为铁道车辆用材料,还用于其他用途。SUS304适用于复合成形,但适用于压缩凸缘成形品时,有可能发生时效裂纹。这种裂纹是从加工后数小时到数个月后发生的延迟破坏现象,在生成一定量加工感应马氏体部位发生。从时效裂纹界限与应力扩大系数的关系看,对于加工硬化,应力扩大系数大,也就是说,被软质马氏体感应的钢种,   对于时效裂纹有耐性。通过这些知识,改进后的钢种适用于压缩凸缘成形,也适用于超深冲品和复杂拉深成形品。这种钢种作为SUS304J1、SUS304J2已被JIS标准化。   2 铁素体系不锈钢的发展   (1) 铁素体系不锈钢的优缺点   SUS430和SUS304相比,易发生孔蚀和晶界腐蚀,所以不能用于严格加工。其优点是,不发生应力腐蚀裂纹,热膨胀系数小。因此,如果改善铁素体系不锈钢的耐晶界腐蚀性、耐蚀性和加工性,就能用于SUS304不适宜使用的用途。基于这种概念,进行了很多研究开发,关键技术是降低钢中的C、N、S和改善如前所述的绞纹。改善这些特性后,扩大了水环境部材、水前建筑物、汽车排气部材等的新市场。   (2) 铁素体系不锈钢的钢种扩大   由于C、N对耐晶界腐蚀性产生不好影响,所以添加Ti、Nb,形成碳氮化物固定是有效的。C、N的固定所需的Ti量根据化学理论计算是(C+N)的4倍,如果是Nb,则约是7倍,但是,由于焊接热影响部是非平衡态,为了获得良好的耐晶界腐蚀性,最低也需要15倍以上的(Ti+Nb)量。使高纯度铁素体系不锈钢提高耐蚀性的主要元素是Cr、Mo。与Cr相比,Mo对耐蚀性提高效果更大,19Cr-2Mo的孔蚀电位比SUS304的孔蚀电位高。Ti、Nb单独或复合使用,对提高铁素体系不锈钢的加工性也是有效果的,深冲性大大改善。所以,随着制造技术的发展,铁素体系不锈钢不断进步,并在各种用途开展使用。这里介绍电热水器壳体的开发事例。   电热水器壳体原本使用搪瓷材料,但从轻量化、耐冲击性来看,不锈钢受到关注。但是,在不锈化的初期,较多发生有关腐蚀等问题。从电热水器壳体与缝隙腐蚀的模式图来看,电热水器壳体在下盖板/壳体板的焊接部形成缝隙。在缝隙内部氧浓度低,由于缝隙内外形成氧浓度差电池,在缝隙内发生腐蚀。在缝隙内通过溶出金属离子的加水分解,缝隙内的PH下降,并且为了保持电中性,氯离子进入,缝隙内成为严酷腐蚀环境,促进了腐蚀。在这种用途下,认为像SUS304那样具有优异耐蚀性的奥氏体系不锈钢更适合,但SUS304易发生应力腐蚀裂纹。只具有SUS304程度孔蚀电位的铁素体系不锈钢不能抑制缝隙腐蚀。在丰富的腐蚀数据、监控试验下,新日铁在该用途使用了19Cr-2Mo-Ti、Nb钢,促进了电热水器的普及。   铁素体系不锈钢被大量使用的另一个领域是汽车排气部件。1976年日本实行汽车排气法规,汽车厂家尝试用兼具耐热性和耐蚀性的不锈钢做排气部件。在反复受到高温-常温热过程作用的排气部件中,奥氏体系不锈钢由于热膨胀系数大,容易发生氧化皮剥离,热疲劳特性变差,所以采用铁素体系不锈钢。现在使用的材料根据汽车厂家、车种而不同,但基本的概念是排气过程的前部分适用耐热性(高温强度、耐氧化性)优异的钢种,后部分适用耐蚀性优异的钢种。特别是接近发动机的排气总管部位,除了要求高温强度还要有优异的热疲劳特性,所以大多使用具备这些特性的含Nb、Mo钢。   结语   关于不锈钢今后的课题从以下4个方面叙述,并作为文章结束语。   1 通过提供总体解决方案扩大不锈钢市场   至今为止,不锈钢厂家对于现在的、潜在的要求,从各种角度提供数据,同时投入新产品,和用户一起努力扩大市场。今后还将推进更高功能的材料开发,同时必须提供包括灵活运用材料功能的加工方法、焊接方法在内的总体解决方案,从新的切入口开拓市场。   2 维持国际竞争力 以廉价劳动力为背景的海外不锈钢厂家不断扩大设备能力,但劳务费在不锈钢制造费中所占的比例通常至多为7%。与其争论这种差异的大小,还不如依靠高技术高效制造高附加值产品,努力消化劳务费差异。所以经常维持最先进的技术水平是非常重要的。   3 工艺连续化中的注意点   作为消除劳务费差异的方法之一是工艺的连续化。但是,如前所述,工艺的连续化不仅要考虑单一的装置技术,而且开发周边技术也是非常重要的。即使连续化,还必须充分研究能使各个工艺最大限度发挥其能力的设备配置和产品结构。   4 对环境保护的贡献   现在,全球范围内的资源开采、制造、加工、使用的各个方面都在追求减轻对环境的负荷,从考虑产品资源循环的生命周期角度追求环境负荷最小。不可否认,在不锈钢主原料Cr、Ni的制造中产生的CO2负荷量较多,但具有高耐蚀性、高耐热性的不锈钢延长了产品-结构物的寿命,起到了减少废弃物和无需维护的双重效果,有助于节能、省力化。在今后的以清洁能源为对策的新技术中,不锈钢是必将继续发挥重要作用的材料。
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