一种焊接用铁素体不锈钢及其生产制造方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，具体涉及一种焊接用铁素体不锈钢及其生产制造方法。

背景技术

铁素体不锈钢（Ferrite Stainless Steel，简称FSS，400系）是在高温和常温下均以体心立方晶格的铁素体为基体组织的不锈钢，是不锈钢家族的重要组成部分，其化学成分特点为Cr含量11-30%，一般不含或含有极少量的Ni，有时添加有Mo、Ti和Nd等合金元素，由于精炼技术的进步，现代铁素体不锈钢具有超低S、P及（C+N）等含量的超纯净组织，进而具备更加优良的综合性能。与奥氏体不锈钢相比，具有优良的耐高温氧化和氯化物腐蚀的性能，其成本更低，线膨胀系数更小，热疲劳性能更好，具备更加优良的导电性、导热性以及耐点蚀性能等，可在多种腐蚀介质环境下替代奥氏体不锈钢，广泛应用在石油设备、汽车、采矿、铁路及化工行业等多个领域。

现有关于焊接用铁素体不锈钢的生产及工艺控制中，人们对于改善铁素体不锈钢焊接过程中产生的焊缝和热影响区塑性、韧性、疲劳和耐热耐蚀性能下降等问题，大多专注于焊接工艺的改进而罕有通过对合金元素进行调控实现母材优化进而获得性能优良焊接接头的措施。CN107130188B公开了一种通过优化不锈钢成分的方法，使其在焊接温度下存在一定比例的奥氏体，阻止铁素体晶粒的急剧长大，同时提高钢中镍、钼含量，改善材料焊接性和耐蚀性。主要通过调控母材相比例，改善了焊接性能。CN114351057A公开了一种通过添加Al替代Ti+Nd细化晶粒的措施，降低了成本（Al价格低廉），优化了工艺（减少超声振动等辅助措施），同时达到改善焊接接头性能的目的。上述发明分别专注于不锈钢焊接母材的合金相配比及成分配比从而达到改善目的。

然而事实上，焊接母材在使用过程中由于纯净度差及成分波动导致的焊接问题（如夹杂物及夹杂元素间接引起的热影响区韧性、塑性不足，焊接裂纹等问题）从根本上影响了焊接接头的性能，这是通过调控成分、相含量难以解决的问题。因此，母材的纯净度及合金元素含量的精准控制对于母材的使用性能更具现实意义。上述两种措施都基于AOD+LF或EAF+VOD二段式冶炼工艺，难以进一步提升母材的洁净度。我司为了从本质上提高铁素体不锈钢的焊接性，经过多年的实践经验总结，发现在现有焊接工艺及母材成分设计难以突破的情况下，唯有实现母材成分设计与独特冶炼技术的耦合，在获得细小弥散析出相的同时，提升不锈钢的纯净度及元素含量的精准控制，进而可有效提升母材的焊接性能。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种焊接用铁素体不锈钢及其生产制造方法。

铁素体不锈钢在焊接热循环后所得焊缝及热影响区（HAZ）的塑韧性较差，尤其是在焊后热处理过后焊接接头力学及耐蚀性能性能会进一步恶化。主要包括熔池附近晶粒粗化、杂质元素在晶界偏析、母材成分不均匀、母材纯净度差（夹杂）等影响因素。通过改善焊接工艺收效甚微，调整母材成分配比虽有成效，然而问题仍难以杜绝。因此，为了彻底解决这一难题，经过多年实践及研究，发现唯有实现母材成分调控与改善冶炼技术的耦合，在获得细小弥散析出相的同时，提升不锈钢的纯净度及元素含量的精准控制是唯一有效途径。通过母材成分调控获得第二相粒子弥散分布于基体中细化晶粒与独特冶炼工艺获得高纯净度基体的的耦合是本项发明的核心所在。

本发明的目的是这样实现的：

一种焊接性能优良的铁素体不锈钢的化学成分的质量百分比如下：

C：＜0.03，Si：0.30-0 .50，Mn：0.20-0.80，Mo：0.2-1.0，P：＜0.03，S：＜0.001，Cr：17.5-18.5，Ti：0.10-0.60，Nd：0.10-0.60，N：0.005-0.015，Ni：0.2-1.1，其余为铁和不可避免的杂质。

优选的：C：＜0.018，Si：0.35-0.40，Mn：0.20-0.60，Mo：0.2-0.65，P：＜0.03，S：＜0.001，Cr：17.5-18.0，Ti：0.30-0.60，Nd：0.30-0.60，N：0.005-0.010，Ni：0.2-0.7，其余为铁和不可避免的杂质。

一种焊接性能优良的铁素体不锈钢的生产制造工艺流程如下：

配料—EAF炉冶炼—LF炉精炼—VOD炉精炼—CC连铸—轧制棒材—退火酸洗

生产过程参数如下：

(1)配料

按照计算成分比例，配合使用廢不銹鋼、铬（钼、镍）合金、石灰及萤石等原材料。配料碱度范围在1.0~2.5。废钢配比40~50%，配料C：2.0~3.0，配料Si：1.5~2.5%。根据合金成分要求，控制S和P等有害元素。在保证出钢成分的同时，根据目标C、N含量配比Ti+Nd含量以获得弥散分布的第二相析出。

(2)EAF炉冶炼

配料原料按60-70t装入量计算，出钢量按60-70t计算。氧枪侧吹氧气进行脱Si，吹氧量根据Si含量配比进行大致估算，出钢Si：0.1~0.3，出钢温度在1630～1680℃。出钢过程中采用钢-渣混出的方式对Cr进行再回以降低Cr损失。出钢成分要求为：

(3)LF炉精炼

将EAF炉钢水出钢至LF炉中，受钢的自由距控制在1400- 1800 mm，受钢温度范围在1640-1700℃。根据受钢成分及后续吹炼损耗计算并加入低碳铬铁、钼铁及石灰等合金辅料进行成分微调。同时进行顶吹氧气进行脱碳，吹氧量根据受钢C计算得出，吹氧顶端进气压力为1.0 -1.6MPa，氧气流量控制在30-40m3/min，吹氧高度范围在1700 - 1900mm。钢包底吹氩气流量控制为：10-100L/min（升温弱搅），100-1200L/min（吹氧脱碳）。LF站出钢温度约1650-1740℃，出钢成分为：

其余为Fe及无法去除元素。

(4)VOD炉精炼

将LF炉钢水出钢至VOD炉中，受钢的自由距控制在1200-1600 mm，受钢温度范围在1670-1740℃。根据受钢成分及后续吹炼损耗计算并加入低碳铬铁、钼铁、硅钙线及石灰等合金辅料进行成分微调。受钢Si<0.2，受钢碱度需维持在2.0左右。同时进行真空吹氧进行脱碳，吹氧量根据受钢C计算得出，吹氧顶端进气压力为1.0-1.5MPa，氧气流量控制在32-45m3/min，吹氧高度范围在1400 - 2000mm。钢包底吹氩气流量控制为：100-150L/min（弱搅），500-1200L/min（强搅）。VOD站出钢温度约1650-1740℃，出钢成分为：

其余为Fe及无法去除元素。

(5)CC连铸

首炉中包温度控制范围为1540 -1555℃，拉速控制0.8-1.3m/min；

非首炉中包温度控制范围为1535-1550℃，拉速控制0.8-1.3 m/ min；

中包钢水过热度控制范围：20-40℃

结晶器水量：1500-1600L/min；

结晶器电磁搅拌电流：230-370A；

结晶器电磁搅拌频率：2.5-4.0Hz；

二冷阶段采用中弱强度冷却，比水量设置在0.2-0.5L/kg，钢坯矫直后需缓冷。

本发明的原理是：通过EAF+LF+VOD三步精炼方法获得高洁净度的钢水。Nb、Ti是强碳化物形成元素，能提高钢的耐晶间腐蚀能力，生成的碳氮化物粒子不但起到强化作用，也可以在焊接过程中抑制晶粒的粗化。为了获得弥散析出的第二相组织，后续连铸过程中二冷阶段采用弱冷操作，以减轻合金元素偏析，获得尽可能均匀的组织，同时降低钢坯内应力，钢坯通过矫直段后需进行缓冷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过EAF+LF+VOD三步精炼方法获得高洁净度的铁素体不锈钢基体，配合均匀弥散析出的第二相粒子，二者的耦合作用提升了铁素体不锈钢的焊接和耐蚀性能，极大提高产品的使用周期。

附图说明

图1为本发明钢坯低倍组织图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

钢种成分：

C=0.018%、Si=0.32%、Mn=0.6%、P=0.018%、S=0.001%、Cr=17.55%、Ni=0.65%、Mo=0.22%、Ti=0.47%、Nd=0.42%、N=0.008%；

生产过程参数：

EAF炉冶炼：

将配料原料投入EAF炉中，加入废不锈钢约25t，铬铁约为13.5吨，钼铁约0.2吨，石灰加入量约0.45吨，钢渣碱度约为1.5，过程中进行侧吹氧气脱Si（出钢Si：0.16），出钢采用钢-渣混出保Cr，出钢温度为1640℃;

LF炉精炼：

将EAF炉钢水兑入LF炉中，加入400kg石灰调碱度至2.0，加入低碳铬铁进行Cr元素成分微调。顶吹氧气流量36m3/min，吹氧高度1800 mm。吹氧顶端进气压力1.3 MPa，吹氧时钢包底吹氩气流量控制为800L/min。LF站出钢温度约1700℃；

VOD炉精炼：

将LF钢水兑入VOD炉中，受钢的自由距1400 mm，受钢温度1670℃，受钢Si：0.18，受钢碱度2.1。加入硅钙线、石灰及低碳铬铁进行成分微调。吹氧顶端进气压力1.5MPa，氧气流量36m3/min，吹氧高度1500mm。钢包底吹氩气流量控制为：130L/min（弱搅，出钢前15min），900L/min（强搅，真空吹氧脱碳）。VOD站出钢温度约1680℃。

CC连铸：

中包温度约为1545℃，拉速控制0.9m/min，中包钢水过热度35℃，结晶器水量1560L/min，结晶器电磁搅拌电流270A，结晶器电磁搅拌频率3.5Hz，二冷阶段采用中弱强度冷却，比水量设置在0.3L/kg，降低铸坯内部应力，钢坯矫直后需缓冷。

生产正常。

实施例2

钢种成分：

C=0.016%、Si=0.36%、Mn=0.50%、P=0.014%、S=0.001%、Cr=17.75%、Ni=0.52%、Mo=0.18%、Ti=0.50%、Nd=0.47%、N=0.011%；

生产过程参数：

EAF炉冶炼：

将配料原料投入EAF炉中，加入废不锈钢约24.5t，铬铁约为11.5吨，钼铁约0.4吨，石灰加入量约0.5吨，钢渣碱度约为1.4，过程中进行侧吹氧气脱Si（出钢Si：0.15），出钢采用钢-渣混出保Cr，出钢温度为1650℃;

LF炉精炼：

将EAF炉钢水兑入LF炉中，加入400kg石灰调碱度至2.1，加入低碳铬铁进行Cr元素成分微调。顶吹氧气流量37m3/min，吹氧高度1750 mm。吹氧顶端进气压力1.4 MPa，吹氧时钢包底吹氩气流量控制为700L/min。LF站出钢温度约1680℃；

VOD炉精炼：

将LF钢水兑入VOD炉中，受钢的自由距1500 mm，受钢温度1660℃，受钢Si：0.17，受钢碱度2.0。加入硅钙线、石灰及低碳铬铁进行成分微调。吹氧顶端进气压力1.6MPa，氧气流量35m3/min，吹氧高度1500mm。钢包底吹氩气流量控制为：120L/min（弱搅，出钢前15min），850L/min（强搅，真空吹氧脱碳）。VOD站出钢温度1650℃。

CC连铸：

中包温度约为1535℃，拉速控制1.0m/min，中包钢水过热度25℃，结晶器水量1540L/min，结晶器电磁搅拌电流250A，结晶器电磁搅拌频率3.4Hz，二冷阶段采用中弱强度冷却，比水量设置在0.35L/kg，降低铸坯内部应力，钢坯矫直后需缓冷。

生产正常。

本发明的技术关键点：

钢种成分：添加Ti+Nd析出弥散分布第二相，强化基体，细化晶粒。

炼制方法：EAF+LF+VOD三段式不锈钢精炼方法，获得高洁净度的不锈钢基体。LF精炼过程中，通过氩气底搅拌配合顶吹氧气进行脱碳及其参数设置。VOD精炼过程中氩气底搅拌中强、弱搅拌流量及时间参数设置。

耦合效应：作为焊接用钢，弥散析出相与高洁净度基体的耦合，增强不锈钢作为焊接母材的焊接性能，以获得高力学及腐蚀性能的焊接接头。

铸造方法：CC连铸过程中包过热度及拉速、连铸二冷水区设。