不锈钢技术进步及今后展望

zhd1998cn

编者按：不锈钢需求持续扩大，近10年来，不锈钢产量年均增长率为5%。在需求扩大的背景下，为了在低成本下向市场提供性能更好的产品，不锈钢的制造技术也得到发展。其结果是，为实现高品质化和高效率而进行的技术开发，以及设备的连续化和大型化都得到发展。还有，也进行了高纯度铁素体不锈钢、双相不锈钢等高功能材料的开发，在量产化过程中，制造技术的进步做出了很大贡献。本文在回顾不锈钢制造技术进步的同时，展望了今后的发展动向。
    1. 前言
    近年来伴随着以中国为首的亚洲各国经济的发展，不锈钢的需求大幅增加。此外，随着全球对环境问题的关注度增强，逐渐将不锈钢用于高温汽车排气系统和高盐害环境下的海水淡化设备等环境相关领域，不锈钢的应用范围不断扩大。另一方面，从长远来看，由于全球稀有金属的供应将趋紧，所以应积极开发不含镍的高纯度铁素体系不锈钢和高耐蚀、高强度低镍双相不锈钢等节省资源、高功能型新材料。目前，这些新材料已占据一定的市场份额。
    支撑不锈钢需求扩大和新开发材料批量化生产的前提是制造技术的提高，反过来说，廉价、高品质、高性能不锈钢的制造技术与供给体制的构筑及高纯度铁素体系和双相钢等难制造材的批量化生产制造技术的确立大大促进了不锈钢市场的扩大。下面介绍不锈钢制造技术的发展及今后展望。
    2. 不锈钢制造技术的动向
    2.1 不锈钢产量和生产体制的变化
    全球不锈钢粗钢产量在近10年的年均增长率约为5%。从各国的产量变化看，日本、美国、德国、英国等发达国家的产量基本持平，而中国、韩国、印度、比利时、芬兰等国家的产量增加。其中，中国的产量增加最为突出。
    近年，中国出现了1家板坯生产规模300万t/a的大型不锈钢厂，可与日本总的产能匹敌。还有，德国也发表了大规模设备投资计划，全球不锈钢的供需平衡，特别是亚洲地区的供需平衡将受到更大的关注。
    另一方面，欧洲的不锈钢厂家通过整合，生产规模扩大了。欧洲1976年21家不锈钢厂在2001年整合成4家年产能200～300万t的厂家。还有，在韩国、台湾出现了不锈钢粗钢年产能超过200万t的大型厂家，世界生产集约化，促进了大规模化。
    2.2 最近不锈钢制造技术的进步
    2.2.1 炼钢技术
    奥氏体系不锈钢由于Ni、Cr、Mn、Mo等高价元素的含量多，所以其废钢的循环利用得到推进，现在奥氏体系不锈钢废钢为基础的电炉法被普遍采用。不锈钢用电炉的容积，原来的主流是30~60t/炉，最近的新建电炉从90~160t/炉，呈大型化趋势，即使是原来的电炉也在进行炉容的扩大。还有，以提高熔解性为目的的助燃设备、吹氧设备的设置也得以标准化，而且设置了铝导体框架以减少电力消耗，提高炼钢工序的生产效率，降低生产成本。
    在不锈钢的精炼工序，由于不锈钢的主成分Cr降低了C的活性，所以脱碳很困难。特别是在低碳区，由于Cr的优先氧化，阻碍了脱碳反应。不锈钢的精炼是为了抑制Cr的氧化而开发的高效脱碳的技术，在这其中，开发出了AOD法（氩-氧脱碳）和VOD法（真空-氧脱碳）及将两者组合的AOD-VOD法、转炉-VOD法等。现在，电炉-AOD法和转炉-VOD法是不锈钢精炼技术的主流。特别是转炉-VOD法的确立为以后的高纯度铁素体系不锈钢的发展做出了大贡献。
    与VOD法相比，AOD法可进行高碳区的脱碳，而且效率也高，但是在低碳区的脱碳速度慢，离散性也大。还有，终点C浓度也比VOD法差。此外，为了降低精炼中的CO分压，作为稀释气体，在吹氧的同时必须吹N2或Ar，但是吹大量的Ar使得成本上升。1991年大同特殊钢公司开发出了利用AOD法和VOD法优点的V-AOD法。
    该技术是在AOD炉上增加了真空功能，利用AOD法的特点（强搅拌），在真空下不吹O2，利用溶解氧及板坯中的氧化物等进行脱碳的低氧脱碳技术。新日铁住金不锈钢公司在1996年也采用了V-AOD工艺，并且在2001年，从中碳区（[C]≤0.6%）进行炉内减压控制，在没有稀释气体下实施吹氧脱碳，脱碳效率大大改善，精炼时间大大缩短，减少了还原用硅。V-AOD工艺的特点是，在原来进行稀释脱碳的[C]=0.6～0.1%的范围，使炉内压降低，不稀释底吹O2，也能获得高的脱碳效率。
    还有，除了前面的电炉-AOD法、转炉-VOD法，作为特殊的炼钢工艺，开发出了使用Cr矿石的SR（熔融还原炉）-DC（脱碳炉）-VOD工艺，并得到了实用化。
    今后，炼钢工艺的理想情况必须在包括原料循环、废弃物循环的广阔视野下进行思考。现在，关于通用型奥氏体系不锈钢已经确立了包括废钢收集在内的循环工艺，但是关于最近开发的铁素体系不锈钢、双相钢、低镍高锰系不锈钢（200系不锈钢）这些节约资源型不锈钢，还不能说确立了充分的废钢收集.循环工艺。
    特别是200系不锈钢，没有与其他奥氏体系不锈钢相同的磁性，所以不能进行磁选，混入到通常的奥氏体系不锈钢废钢中，影响废钢品位，甚至影响循环工艺。还有，从零排放的观点看，提高在不锈钢制造过程中产生的钢渣、氧化铁皮、粉尘、淤泥等副产物的循环比率也是重要的课题，必须要推进这方面的技术开发。
    2.2.2 热轧技术
    在不锈钢热轧钢板的制造中，采用普通钢兼用的串列式热轧机和不锈钢专用的斯特克尔轧机2种方式。特别是最近以中国为中心，盛行串列式热轧机的建设，在新型串列式热轧机中通过采用炉卷箱等改善品质。
    另一方面，与具有高生产效率的串列式热轧机相比，斯特克尔轧机虽然生产效率低，但初期投资小，通过可逆轧制可任意设定轧制道次，轧制自由度高，所以被很多不锈钢薄板制造厂家采用。近年来，通过动态交叉功能，大大提高了板厚精度及凸度精度，同时开发出了通过在线磨辊防止工作辊偏耗的技术。
    2.2.3 薄板制造技术
    1958年，日新制钢公司在日本首次采用了森吉米尔20辊冷轧机，使得不锈钢薄板的生产效率大大提高。从奥氏体系不锈钢加工硬化大的特性出发，当初的冷轧机采用了工作辊径小、且在大压下量下可进行轧制的森吉米尔轧机，但在1990年前后，日本国内各不锈钢公司相继建设了形状控制性和设备自动化、高速化更容易的12辊分体机架型冷轧机。新日铁住金不锈钢采用了这种高水平的多辊轧机，1992年鹿岛制造所轧制速度1000m/min，1993年光制造所轧制速度1200m/min。
    另一方面，森吉米尔轧机也在改进中，以改善原来的Single As-U形状控制功能而开发的Double As-U及FSBA（Flexible Shift Backing Assembly）结构，以及分体机架型森吉米尔轧机，现在，最高速度1000m/min的森吉米尔轧机也在建设中。
    冷轧中轧制油也是一个重要的技术要素，为了制造不锈钢特有的美观的表面质量，现在纯净系成为主流。为了保持高光泽，必须实现薄油膜，但是在高速轧制时，一旦高压下，则油膜发生局部断裂现象，产生热刮痕，降低光泽，并成为不均的原因。为此，开发出了添加硅油的在高温下也能保证润滑性能、且耐高速轧制的轧制油，但是如果要获得更高速度，进一步提高耐热刮痕性是必不可少的，必须开发冷却效果大的乳化轧制油。
    新日铁住金不锈钢光制造所独自开发出乳化轧制油，通过控制乳液粒径，实现了在不锈钢高光泽产品轧制中适用乳化油的高速大压下轧制。适用这种乳化轧制油的是新日铁住金不锈钢制造所4CM（No.4多辊轧机）的120m/min轧制，作为可逆式不锈钢专用轧机，其轧制速度较高。
    80年代以后，在强化汽车环保与发动机高性能化的潮流中，不锈钢被快速应用于汽车排气系统，特别是为了加工成形状复杂的排气总管等，对材料的加工性能提出了越来越高的要求。为满足这样的要求，在材料开发的同时，以提高加工性和降低成本为目的，开发出利用普通钢用串列式冷轧机改进而成（具有大直径工作辊）的串列式工艺。通过这种串列式工艺，大大扩大了铁素体系不锈钢在汽车上的应用。
    在不锈钢的退火酸洗过程中，高温退火是必须的。为了除去退火中形成的氧化铁皮，需要很大的除鳞设备。为此，在提高热轧板退火酸洗线（HAP）生产能力的时候，应扩大退火炉的能力，改善加热效率，同时通过采用高研削电刷，提高机械除鳞能力，并增加酸洗槽的长度。还有，在化学除鳞中，也希望不改变硫酸及硝酸/氢氟酸混合酸液的基本构成，通过设置高性能铁离子去除装置来稳定酸洗能力，通过酸洗槽内强制对流产生紊流酸洗，以及运用喷射酸洗来提高除鳞能力。在设置空间不受限制的新建HAP线的生产能力可达100万t/a。
    另一方面，欧美大型不锈钢厂家和以日本、中国为首的亚洲地区不锈钢厂家进行了设备的大型高效化和冷轧材制造设备的连续化。连续化技术可分成几类。
    第1类是以提高冷轧效率和收得率为目的的不锈钢用小直径工作辊轧机的串列化，日新制钢周南制钢所1969年采用的串列式森吉米尔轧机是其代表。
    第2类是在最终退火酸洗线（FAP）上组合平整机和张力矫直机。在日本国内1989年以后建设的FAP线大部分都是这种形式。
    第3类是将冷轧、AP、平整机或张力矫直机连续化的设备，开发目的是在高生产率下生产通用不锈钢材。连续化可分成HAP～冷轧的连续化和冷轧～AP.SPM（调质轧机）.TL（张力矫直机）的连续化。
    调质轧机在如前所述的高速FAP出口侧推进在线化。为了获得不锈钢特有的高光泽，一般采用大直径工作辊的2辊干轧制，但为了提高离线SPM的生产率，可逆化、2辊/4辊兼用、可湿/干交替的轧机逐渐成为主流。1990年新日铁住金不锈钢光制造的2SPM采用了6辊UC轧机，作为设备单体轧制的能力，实现了700m/min的速度，同时兼用优异的平直度控制。
    不锈钢冷轧材的制造技术是围绕廉价生产如前所述的通用钢的技术而发展的。如前言所述，最近需求细分为以高纯度铁素体钢和双相钢为代表的功能型不锈钢，今后在提高通用型不锈钢生产率的同时，还将考虑开发难制造品种、小批量品种的高效生产技术。
    2.2.4 厚板制造技术
    在不锈钢厚板领域，近年来的开发重点是化学槽罐用高氮型316L钢和高腐蚀环境用超级不锈钢（NSSC270）等新钢种，以及以此为中心的操作技术的改善。其中作为获得进展的具体的制造技术要素主要有：通过钢中化学成分的平衡管理、减少混入元素、板坯均热处理等提高热加工的技术，还有通过TMCP的高强度材的稳定制造技术等。
    在不锈钢厚板领域，由于不锈钢中所需的Cr、Ni、Mo等合金元素的供需平衡受到影响，所以今后要推进向低成本材（低原料费、高强度）的转变，而这些低成本材具有与原来产品同等的性能。扩大双相不锈钢的应用领域是其代表之一，在提高双相不锈钢生产能力的时候，增强除鳞能力是一个发展动向。
    市场上，各种设备的大型化，输送设备的大型化，以及采用宽幅材减少焊接作业等降低加工成本的要求越来越高。新日铁住金不锈钢八幡制造所采用不锈钢专用的4辊轧机，形成了可生产最大厚度200mm、最大宽度4000mm不锈钢厚板的生产体制，满足了这些领域的需求。
    今后，不锈钢厚板制造设备的大型化，开发难制造材（难加工性、难酸洗性、形状严格材、表面质量严格材）的制造技术以及相关设备是进一步发展的方向。
    2.2.5 棒线制造技术
    线材是热轧后经拉丝、锻造、切削、热处理等各种工序后的最终产品。在热轧时，将钢坯初轧后，进行粗轧、中间轧制、精轧是一般的工艺，此外，在轧制后进行离线固溶处理，但现在在直接轧制和在线热处理工艺下进行制造的技术得到了实用化。新日铁住金不锈钢的棒线厂在粗轧机上首次采用了在1道次下可大压下的倾斜式轧机，同时开发了在线热处理技术，实现了直接轧制在线热处理工艺的实用化。
    现在新日铁住金不锈钢所有的钢坯都采用直接轧制工艺，缩短了工期，降低了成本。
    此外，在线热处理技术是利用线材热轧后钢材具有的显热，进行控冷而省略了固溶处理的技术，被称作DST（直接固溶处理）的技术不仅可提高线材的生产效率，还可在节能方面做出大贡献。
    在轧制工序，将高刚性.高性能的无扭轧机配置在精轧机的前面或后面，其目的是提高尺寸精度，并通过自由尺寸轧制和控轧控冷提高材质控制。在不锈钢线材轧机中，除了大同特殊钢，均采用高刚性.高性能的无扭轧机，新日铁住金不锈钢在2002年采用了3辊式精密轧机。这种3辊4机架精密轧机和2辊式相比，具有轧制宽度展宽小的特点，实现了偏径差≤0.15mm的尺寸精度。
    3. 结语
    在需求扩大的背景下，为向市场提供高性能的廉价不锈钢材料，不锈钢的制造技术得以发展。从长期看，今后不锈钢的需求、用途将扩大，其中对高纯度铁素体系、双相钢等这些功能特殊化的钢种、材料的需求将越来越大。这也意味着钢种、批量将更加细分，同时难制造钢种的比率也将扩大。因此，不锈钢制造技术在追求通用钢的高效生产外，还必须开发这些高功能小批量难制造不锈钢的高效生产技术。
    此外，为了维持发展不锈钢的优异循环性，今后开发各种废钢和不锈钢制造过程中产生的副产物的循环技术及体制的配备都是重要的课题。