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  自1958年日本引进森吉米尔20辊宽带钢轧机开始批量生产不锈钢薄板以来已过了半个世纪,其间日本国内的不锈钢需求随着经济发展得到稳步增长。放眼其它各国,以中国为首的亚洲各国的经济发展不断扩大了对蚀刻不锈钢的需求。在当今世界对环境问题的关心不断高涨的形势下,利用不锈钢本身具有的耐热性能、耐蚀性能等特性,将其应用于日益高温化的汽车尾气排气管系统及高盐腐蚀环境的海水淡化成套设备等环境相关领域,不锈钢自身的适用范围也在不断扩大。受长期以来世界稀土金属供需紧张的影响,积极进行不含镍的高纯铁素体不锈钢、低镍但具高耐蚀性能、高强度的双相钢等节资源、高功能材料的研究开发,目前已占据了一定规模的市场份额。

  支撑蚀刻不锈钢需求扩大和新开发材料批量生产的是该期间生产技术的提高,反过来可以说确立了更廉价和质量、性能优良的不锈钢生产技术及供应体制,确立了如高纯铁素体不锈钢和双相不锈钢等生产难度大的材料的批量生产技术,并对不锈钢市场的扩大发挥了巨大作用。以下就不锈钢生产技术的发展和今后的展望进行论述。

  一、不锈钢生产现状

  近十年来,世界不锈钢粗钢产量以年增长率5%的速度增长,2008年受金融危机影响,产量有所下降,为2591万吨(2007年达到2784万吨)。按国家来看,日本、美国、德国和英国等发达国家的产量基本持平,中国、韩国、印度、比利时和芬兰等国家的产量有增长。其中以经济急剧增长和需求旺盛的中国的增长尤为突出,特别是2000年以后的平均年增长率达到了45%,2008年产量为694万吨。

  中国的不锈钢生产设备投资目前仍在继续,甚至出现了一家公司不锈钢板坯生产规模达到300万吨/年的可与日本总生产能力相匹敌的超大型不锈钢企业。另外印度也公布了大规模设备投资计划,因此有必要对今后世界不锈钢的供需平衡,特别是对亚洲地区的供需平衡加以关注。

  在欧洲则由于不锈钢企业的合并而扩大了生产规模。1976年所存在的21家不锈钢企业,至2001年兼并统一为四家具有200万—300万吨年产能力的企业。

  再有韩国、中国台湾省也出现了超200万吨/年不锈钢生产能力的超大型企业,可以说是以世界规模进行着生产的集中和大规模化。

  二、蚀刻不锈钢生产技术的进步

    炼钢技术

  奥氏体不锈钢由于Ni、Mn、Mo等高价元素的含量多,因此废钢的再利用得到进展,目前一般采用基于不锈钢废钢的电炉法。不锈钢生产用的电炉容积,原来是以30—60rd炉为主流,而新建电炉则是以90—160t/炉为主的大型电炉,传统电炉也在力图扩大炉容积。以提高熔化性能为目的的助燃烧嘴设备、吹氧设备的设置也在逐步实现标准化,与此同时为降低电耗而安装铝电极臂也在实施等,力图提高炼钢工序的生产率、降低生产成本。

  在不锈钢精炼中进行脱碳较为困难,特别是在低碳范围下由于Cr的优先氧化而使脱碳反应受到阻碍。不锈钢精炼的历史就是在不断抑制铬氧化的同时有效进行脱碳的技术开发史,其中开发出了AOD法或VOD法及其组合的AOD—VOD法、转炉—VOD法。目前电炉—AOD法和转炉—VOD法占据了不锈钢精炼的主流。特别是转炉—VOD法的成功对其后高纯铁素体不锈钢的发展做出了巨大的贡献。

  为充分发挥AOD法和VOD法的优点,大同特殊钢公司于1991年开发了V—AOD法(VCR)。其特点是在AOD炉上增加真空功能,在发挥AOD法的特长(强搅拌)的同时,在减压及不进行吹氧的情况下利用溶解氧及渣中氧化物等的低氧脱碳技术。新日铁住金不锈钢公司也于1996年引进了V—AOD技术,并于2001年从中碳范围([C]≤0.6%)开始对炉内进行减压控制,在不借助稀释气体条件下实施吹氧脱碳,其结果是大大提高了脱碳效率、缩短精炼时间和减少还原中硅的使用量。

  除前述的电炉—AOD、转炉—VOD工艺外,开发并已实用的具有特点的炼钢工艺还有直接采用铬矿石的SR(熔融还原炉)—DC(脱碳炉)—VOD工艺。

  至于今后的炼钢工艺,需要考虑原料再利用、废弃物再利用等问题。目前对于普通奥氏体不锈钢已建立起了包括收集废钢在内的充分再利用工艺,但是对于在材料开发、用途开发取得进展的铁素体不锈钢、双相钢或低镍—高锰系不锈钢(所谓的200系不锈钢)来说,还不能说已建立了充分的废钢收集、再利用工艺。

  特别是200系不锈钢,由于它与其它不锈钢一样不带磁性因而不能进行磁选,所以有可能混入普通奥氏体不锈钢废钢中,因此担心会发生使废钢质量甚至使再利用工艺本身受到损害的情况。另外,从零排放的观点出发,提高不锈钢生产工艺发生的渣、氧化铁皮、粉尘、尘泥等伴生物的再利用比率也是重要课题,为此需要进行技术开发。

  热轧生产技术

  在蚀刻不锈钢的热轧钢板生产中采用普通钢兼用的热连轧机和不锈钢专用可逆式炉卷轧机等两种形式。特别是近期,以中国为代表大规模地进行热连轧机的建设,并在新建的热连轧机上采取了用热卷箱等改善质量的措施。

  与具有高生产率的热连轧机相比,可逆式炉卷轧机虽生产率相对较低但初期投资少,可通过往复轧制而设定任意的轧制道次,且轧制自由度高,使其在不锈钢薄板生产企业得到大量采用。近年来,通过采用动态交叉轧制功能,可使上下轧辊组相互间反方向交叉,在大幅度提高板厚精度及板型精度的同时,还开发出了可防止可逆式炉卷轧机工作辊偏磨损的在线磨辊装置。

  薄板生产技术

  1958年日新制钢公司(原日本铁板公司)在日本首引进了森吉米尔20辊冷轧宽带钢轧机,使不锈钢薄板生产率得到快速增长。根据奥氏体不锈钢加工硬化大的特点,当初冷轧机上采用小直径工作辊,且采用以大压下进行轧制的单体森吉米尔轧机,但在1990年前后,日本不锈钢生产各公司纷纷建设了易于保证形状控制性能的和设备自动化、高速化的12辊分体式冷轧机。新日铁住金不锈钢公司也引进了世界高水平的轧制速度达1000m/min(1992年,鹿岛厂)和1200m/min(1994年,光厂)的分体式轧机。

  森吉米尔轧机也进行了改进,开发了改善原有单AS—U形状控制功能的双AS—U以及FSBA机构,也开发了分体式森吉米尔轧机。目前正在建设的有高速度达1000m/min级的森吉米尔轧机。表2中示出了主要不锈钢冷轧设备的型式及特点。

  在冷轧中轧制油也是重要的技术要素之一。为得到不锈钢特有的美观表面品质,目前以纯净油为主流。为保持高光泽就要形成薄油膜,但在高速轧制时油膜在高压下会产生局部被撕裂的现象,发生热划痕而使光泽降低,同时也是产生斑痕的原因。为此开发出即使在高温下也保持润滑性能的长链二元酸二甲基二甲酯,得到了耐高速的轧制油。但是为了进一步的高速化,进一步提高耐热划痕性能是必要的,需要开发有很强冷却效果的乳化轧制油。

  新日铁住金不锈钢公司光厂独自开发了水溶性轧制油,通过控制乳化液油滴粒径的大小实现了世界唯1的在不锈钢高光泽产品轧制中应用乳化液的高速大压下轧制。应用该轧制油的新日铁住金不锈钢公司光厂4CM(4号分体式轧机)的1200m/min轧制,是世界上可逆式不锈钢专用轧机中快的速度。在乳化液油轧制条件下,可得到与纯净油同等的表面光泽。

  上世纪80年代后半期以来,由于汽车实施环境应对措施或发动机高性能化的过程,加速了在尾气排气系统中使用不锈钢。特别是尾气排气管等由于要进行复杂形状加工,对材料的加工性能的要求提高。为满足该要求,在进行材料开发的同时,开发了以提高加工性能和降低成本等为目的的、采用了大直径工作辊的普通不锈钢用冷连轧机的纵向连续工艺。由于确立了该纵列连续式工艺,铁素体不锈钢在汽车上的应用得到推广。

  在不锈钢退火酸洗(HAP)中,需要设置进行高温退火的同时除去在退火中形成的氧化铁皮的庞大除鳞设备。为此在提高热轧板的退火酸洗线的生产能力时,与扩大炉能力、改善加热效率一起,需引进高效研磨刷以提高机械除鳞能力,并增加酸洗槽长度等。在进行化学除鳞时,虽硫酸及硝酸/氢氟酸混合酸等酸液的基本构成没有什么变化,但通过设置高性能除铁离子装置使酸洗能力稳定,通过酸洗槽内强制对流实现紊流酸洗,应用喷雾酸洗等来提高除鳞能力。在对设置空间没有限制的新建HAP,出现了单机年产能力达100万吨的生产线。

  终酸洗退火(FAP)线也在提高能力。随着建设时间的靠后,其速度越高。

  作为FAP的高速化技术,可以列举加热控制技术和除鳞技术的进步。关于加热控制技术,开发了采用性能卓越的冲击射流式烧嘴的直焰加热技术,在新日铁住金不锈钢公司鹿岛厂得到应用。

  由于FAP需要在不影响钢板表面肌体的情况下除鳞,因此需要将在加热炉生成的氧化铁皮改性为可溶解结构。传统的氧化铁皮改性是以盐浴方式为主流,但随着生产线的高速化演变为具有优良操作性能的鲁斯纳方式。而鲁斯纳方式不能对硅氧化物进行改性,因此存在高硅系材料为代表且依母材的成分系统的不同其除鳞性能显著下降的问题。新日铁住金不锈钢公司鹿岛厂通过在盐浴后设置鲁斯纳设备,就可在不受到钢板成分的制约并可以70m/min的速度进行除鳞。今后为了适应更高的速度和材料的多样化,期待开发出更高效的除鳞工艺。

  在欧美的不锈钢大型生产厂和以中国、日本为代表的亚洲地区,进行了大型高效设备、冷轧材生产设备的连续化。连续化设备可以分为几种类型。一是以提高冷轧效率和成材率为目的的不锈钢用小直径工作辊的纵列化,其代表例是日新制钢公司周南厂于1969年引进的纵列式森吉米尔轧机。二是在FAP生产线上在线设置平整机、张力矫平机,日本国内于1989年以后建设的FAP生产线的大半属于此种形式。三是将冷轧、AP、平整机或TL(张力矫平机)连续化的设备,是以高生产率生产普通不锈钢钢材为目的而开发的。可分为将HAP冷轧实现连续化和将冷轧、AP、SPM(调质轧机)、TL实现连续化两类。图1示出的是奥托昆普公司的将三机架纵列式和AP、SPM、TL实现连续化的设备。除此以外,中国也有一家公司引进了三机架纵列式与AP、SPM、TL进行连续化的设备。

  如前所述,SPM进行着在高速FAP出口侧的在线化。为得到不锈钢特有的高光泽,通常采用大直径工作辊的二辊干式轧制,但离线SPM的主流是,为提高生产率采用可逆式、二辊/四辊兼容式、湿式/干式可切换式等轧机。新日铁住金不锈钢公司光厂于1990年设置的2SPM采用了六辊—UC,单体设备能力上实现了世界高速度700m/min,同时还具备卓越的平坦度控制性能。

  厚板生产技术

  在不锈钢厚板领域,近年来开发了化学物质运输船舶用高氮316L钢及强腐蚀环境用超级不锈钢(NSSC270)等,重点放在了以新钢种的开发并以此为中心的改善操作性能上。其中得到进展的具体生产技术要素可以列举出钢中化学成分值平衡管理、减少混入元素、板坯均热处理等提高热加工性能技术以及采用TMCP技术下高强度材料的稳定生产技术等。在不锈钢厚板领域,考虑到将来Cr、Ni、Mo等不锈钢必需的合金元素的供需平衡会恶化,向可得到与以往同等性能的低成本(低原料费、高比强度)材料的方向发展。双相钢应用领域的扩大就是其代表例,且为提高双相钢的生产能力,出现了增强除鳞能力的动向。

  在市场上,各种成套设备的大型化,运输相关的运输工具的大型化、应用宽幅材料下焊接作业的减少等,对于降低加工成本的需求日益增强。新日铁住金不锈钢八幡厂建立了采用不锈钢专用四辊轧机,可供应大厚度200mm、大宽度4000mm不锈钢厚板产品的生产体制,满足了来自所有领域的需求。可以认为今后不锈钢厚板生产设备向大型化发展,并开发难生产材料(难加工、难酸洗、形状要求严格、表面质量严格)的生产技术,以满足高强度材料的需求。

  棒线生产技术

  线材是在热轧后由加工企业经拉拔、锻造、切削、热处理等各种工序而成为终产品。在热轧中,将大钢锭进行开坯轧制后,通常进行粗轧、中间轧制和精轧。且曾在轧制后进行离线固溶热处理,但现在直接轧制和在线热处理工艺生产技术得到应用。在新日铁住金不锈钢公司的棒线工厂,早于其它公司在粗轧中引进了能进行一道次大压下的倾斜轧机,同时还开发和应用了在线热处理技术,应用了直接轧制在线热处理工艺。

  轧制过程中,通过将高刚性、高功能模块式轧机放在精轧机前或后,来提高尺寸精度;通过尺寸可调轧制、控制轧制—控制冷却来进行材质控制。在不锈钢线材轧机上,大同特殊钢公司及其它海外公司也引进了高刚性、高功能模块式轧机,新日铁住金不锈钢公司也于2002年引进了三辊四机架精密轧机(RSB)。该三辊四机架精密轧机与两辊轧机相比具有宽展小的特点,在尺寸精度上达到了椭圆度≤0。15mm。再加上四机架可各自分别驱动、分别进行压下调整,可在不实施换辊的情况下进行自由尺寸轧制。另外,在磨损或需换规格时,也可采用预装机架迅速进行更换,从而大大缩短轧制停机时间,生产率也得到了大幅度提高。

  蚀刻不锈钢生产技术,是在需求扩大的背景下,以更低的价格向市场提供性能更好的不锈钢材料而发展起来的。从长远来看,可以预见不锈钢的需求、用途仍会扩大,可以认为今后高纯度铁素体不锈钢、双相不锈钢等功能突出的钢种、材料的生产会日益扩大、不断发展。此即意味着钢种、批量的细分会进一步进行,与此同时可以预计难生产钢种的比例也会加大。从而蚀刻不锈钢生产技术有必要与以往一样追求高效生产普通不锈钢的同时,推动这些高功能、小批量、难生产不锈钢高效生产技术的开发。为今后继续维持和发展不锈钢优良的再利用性能,对各种废钢、在蚀刻不锈钢生产中发生的伴生物的再利用技术进行开发和体制的进一步完善仍是一项重要的课题。

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