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日本不鏽鋼的發展和現代化生產
日本不鏽鋼的發展和現代化生產 戰後隨著日本經濟的恢複,民眾的生產水平提高,不鏽鋼作為生產材料和大眾的消費材料,其需求提高,市場要求提供廉價的、品質穩定的不鏽鋼。生產廠家希望不鏽鋼需求擴大,采用能高效且大量生產低成本不鏽鋼的製造技術,建設新設備,推進技術進步。其結果是,不鏽鋼在市場上確立了地位,並喚起了新的需求。市場要求新型不鏽鋼問世,新開發的不鏽鋼又催生了新的需求。   新型不鏽鋼問世時,原來的製造技術不能達到要求,需要更高級的製造技術,這成為技術進步的驅動力。另一方麵,製造技術的進步也成為不鏽鋼新產品問世的技術動力。所以說,日本不鏽鋼的發展是市場、製造技術和新產品三個要素相互作用的螺旋式發展。   從1955年以後日本的不鏽鋼熱軋材產量變化和市場、設備采用的動向來看,如果將熱軋材產量看作市場的擴大,那麽如前所述製造技術、新產品和市場是相互作用,不鏽鋼呈階段性發展。這裏所說的市場沒有忽視環境變化和規則的使用。本文以不鏽鋼的製造技術進展及不鏽鋼用途擴大為中心,論述了日本不鏽鋼的發展。此外,為了使內容更緊湊,還介紹了日新製鋼周南製鋼所的技術引進和技術開發。   製造技術的發展   1 煉鋼技術   戰後不久,日本從美國引進了不鏽鋼煉鋼法。1951年左右,日本冶金、日本金屬工業、日本不鏽鋼3家不鏽鋼專業廠家開始試行生產不鏽鋼。日新製鋼周南製鋼所於1962年開始生產不鏽鋼,從當時采用的電爐煉鋼法來看,存在如下情況:   ①鉻的收得率不穩定,高價低碳鉻鐵的消耗高;   ②低碳不鏽鋼的熔煉、生產效率和收得率非常低;   ③雜質多,形成表麵缺陷,所以收得率低,最終用戶使用時發生加工裂紋。   為了解決生產效率、收得率、製造成本、用戶異議等眾多問題,嚐試將電爐鋼水在真空下進行處理,但在當時沒有應用於實際生產。   (1) LD-VOD、AOD法的采用和發展   日新製鋼周南製鋼所於1969年建設了將高脫碳的LD轉爐和由EdelstahlwerkeWitten公司開發的VOD法(向進入真空鋼包中的鋼水表麵吹氧,邊抑製Cr的氧化邊進行脫碳)相連,並配置了昭和電工開發的利用固相還原工藝的高碳鉻鐵合金設備的LD-VOD煉鋼工藝。對於真空吹氧當時存在很多疑問,操作當初遇到了各工藝不匹配、轉爐耐火材料壽命短等很多問題,但日新製鋼通過積累豐富技能和技術改善,完善了不鏽鋼煉鋼的係列工藝。   在同一時期,美國的UnionCarbide公司開發出了AOD法,日本金屬工業公司於1971年引進了AOD法,隨後相繼被其他公司采用。現在LD-VOD法和AOD法是不鏽鋼煉鋼的兩大工藝,這兩大工藝都有各自的特征,說不上哪個好哪個不好。   AOD法有助於提高像SUS304這種量產型鋼種的生產率,所以從全球來看,采用的較多,但如後麵所述,如果沒有LD-VOD法的技術進步則不可能有高純度鐵素體係不鏽鋼的發展。1976年,川崎製鐵從具有多個風口的鋼包底部對在轉爐內進行粗脫碳的鋼水吹大量氬氣,對鋼水進行強攪拌,證實在極低區域可降低C和N,領先生產了高純度高Cr鐵素體係不鏽鋼。另一方麵,采用AOD法在低C、N區域的脫碳、脫氮效率低,大同特殊鋼於1991年在AOD法上使帶真空功能的設備實用化,新日鐵也采用了該技術。 不鏽鋼板坯連鑄機於1960年被八幡製鐵的光製鐵所首次采用,隨後一直到70年代,各公司相繼采用了板坯連鑄機。   在不鏽鋼的連鑄中,應該受到關注的技術是新日鐵室蘭製鐵所於1973年首次采用的電磁攪拌裝置。以SUS430為代表的鐵素體係不鏽鋼如果加工成板,則產生被稱作絞紋的條紋狀表麵起伏,使產品外觀質量變差。一般認為板坯凝固組織的柱狀晶是絞紋現象的起因,在熱軋、冷軋工序殘留的結晶方位附近的帶狀集合組織也是其發生原因。作為絞紋的改善方法,研究了各種熱軋、冷軋工序的改善方法,但至今沒有根本性的解決措施。但是,研究人員發現在某一液相·固相比率點,通過施加電磁攪拌可抑製板坯凝固過程中柱狀晶的成長,等軸晶率增大,絞紋現象明顯改善。可以說這種電磁攪拌技術對隨後鐵素體係不鏽鋼的需求擴大起了很大的作用。   2 冷軋技術   (1) 森吉米爾軋機和多輥軋機的采用   到1950年前,日本國內的不鏽鋼生產一般都是在4機架軋機上對中間坯進行反複軋製。但是,由於SUS304等不鏽鋼加工硬化顯著,所以如果每一次軋製的壓下率不大,那麽生產率很低。對於硬質難軋製的材料,TadeuszSendzimir公司開發了小徑工作輥和高剛性一體型機架構成的森吉米爾軋機。這種軋機使不鏽鋼的軋製生產率飛躍性提高,1945年被WashingtonSteel公司采用後,以美國為中心快速發展。   日新製鋼公司預測不鏽鋼需求將擴大,所以和日立製作所合作,推進國產森吉米爾軋機的使用,1958年在周南製鋼所建設了日本國內第一套森吉米爾軋機。該軋機同時也是日本首套寬幅軋製用森吉米爾軋機。如果從當時日本國內的不鏽鋼冷軋月產量約為2000t(昭和33年的不鏽鋼熱軋卷為67394t)來考慮,一家公司的設備產能就高於全國產量,但1959年日本冶金從Demag公司引進設備,以後各公司都積極引進森吉米爾軋機,其結果是,10年間日本國內有11套設備處於運行中,滿足了市場對不鏽鋼冷軋產品的旺盛需求。   作為不鏽鋼冷軋機,森吉米爾軋機獲得了該地位,但由於其結構上的問題,使得軋製形狀受到一定限製。1980年後,開始出現要求寬鋼卷下高精度的平坦度的新用途,改善軋製形狀成為重要問題。於是,日新製鋼決定采用新型軋機,首次在寬幅不鏽鋼冷軋中采用了可使用和森吉米爾軋機一樣的小徑工作輥的12機架多輥軋機。一直到現在,國內外有10套這種軋機處於運行中。12機架多輥軋機大大改善了森吉米爾軋機很難改善的四分之一軋製,滿足了新的需求。   (2) 冷軋工藝的連續化   通過采用森吉米爾軋機和多輥軋機,滿足了不鏽鋼冷軋板的需求擴大,但是這些可逆式軋機在軋製每一道次時,在鋼卷的頭尾部必須減速,鋼卷的搬運需要一定時間,所以在生產效率和勞動生產率方麵存在缺陷。為了克服這些問題,日新製鋼向軋線的連續化挑戰。以下敘述2個例子。   1)森吉米爾軋機的連續化   森吉米爾軋機的工作輥直徑小,軋製時鋼帶的前端很難咬入,還有無張力的尾部軋製也很困難等問題。要克服這些問題,需在軋機入口側配置焊接設備和活套,同時在軋機前後設置夾送輥,建設了能經常確保軋製時張力的連續式森吉米爾軋機。現在,在普通鋼軋製領域,軋機的連續化是很普通的,但比當時日本鋼管福山廠計劃推進采用的日本首套連續式串列軋機領先了2年。   建設後,進行了2次更新改造,通過運行的自動化,采用全機架自動板厚控製等,達到了省力化和高生產率,現在的月產量超過3萬t。   2)熱軋卷的退火酸洗線和軋機直接連接   (2) 連鑄技術 對於與不鏽鋼熱軋卷的退火酸洗線直接連接軋機,存在的2個最大問題是高Cr不鏽鋼表麵產生的線狀缺陷和軋製時的輥痕。   由於高Cr不鏽鋼很難氧化,熱軋時的氧化鐵皮生成量少,在軋輥和鋼板之間產生發熱膠著,容易產生線狀缺陷。為此,必須在冷軋前進行去缺陷研磨作業,為使退火酸洗和軋製直接連接,必須解決這一問題。於是,在熱軋工序通過采用高速鋼軋輥和適當的液體潤滑,抑製熱軋時線狀缺陷的產生,同時在去除熱軋卷表麵氧化物的除鱗工序強化酸洗和表麵研磨,確立了將完好熱軋卷送入軋機的技術。另一方麵,軋製時的輥痕是由產生於軋輥的缺陷複製而來的。為了防止輥痕,采用刷滾除去異物是有效的,所以軋機選擇6Hi-UC軋機,並且為了使工作輥直徑盡可能小,采用中間輥驅動。   通過以上這些技術革新,在軋機出口側,不停止每一鋼卷,就能在一定工藝速度下進行操作。   關於軋線連續化,從世界潮流來看,在海外出現了省略熱軋卷退火工序,機械除鱗後,在具有小直徑工作輥和為防止工作輥水平撓曲而帶側壓輥的Z-High軋機上軋製,一直到冷軋卷的退火酸洗工序構成的軋線。在單一軋線下,能製造從熱軋卷到冷軋產品是非常好的設想,但由於沒有公開發表實際運行情況,所以不能評價其生產率和優異性。但是,包括產品結構,各個工序能最大限度發揮其能力,這種評價是很清楚的。   市場動向與新產品   1 奧氏體係不鏽鋼的發展   (1) 加工感應馬氏體的生成和適用   SUS304,即18Cr-8Ni鋼在平衡狀態圖上是α相與γ相組成的雙相組織,但在實際退火後是γ單相組織。這是因為α相的化學自由能低,即使在To溫度(常溫)以下也不發生擴散相變,在可能發生馬氏體相變的亞穩定狀態下維持到室溫。為了相變為馬氏體,必須克服界麵能和變形,所以Ms點是比To溫度還低200~300℃的低溫。SUS304和SUS301在室溫下正好處於這種狀態,如果施加機械驅動力,將生成馬氏體相變鋼。   從各種奧氏體係不鏽鋼的應力與變形曲線可看出,正如一種變形一定模型下所表示的,應力取決於加工感應馬氏體相強度與其體積率及母相奧氏體相強度與其體積率。加工感應馬氏體的強度依賴於侵入元素C、N,母相奧氏體相的強度取決變形和加工感應馬氏體相的體積率,也就是SUS304、SUS301通過生成加工感應馬氏體,顯示出大的加工硬化能和高的均勻延伸。   (2) 奧氏體係不鏽鋼的鋼種擴大   奧氏體係不鏽鋼除了具有優異耐蝕性外,還具有如上所述的機械性能,所以靈活運用其特性,需求增長。SUS301經過滾壓回火處理獲得高強度,可適用作彈簧材。還有,由於均勻延伸大,所以也可用作鼓凸成形品。SUS304也適用作彈簧材,同時由於拉伸凸緣性和壓縮凸緣性優異,多用作複合成形的部件和部材。另一方麵,γ相穩定型不鏽鋼SUS305適用於多段拉深成形和非磁性用途。但是,這些鋼種不能完全滿足市場要求,對於新的需求必須進行各種改善,以下介紹2個事例。   以前,鐵道車輛用材是將普通鋼板塗裝後使用。進入70年代,以省略後塗裝為目的(即伴隨維護簡便化和高速化的車輛輕量化),兼具耐蝕性和強度的不鏽鋼板得到使用,美國紐約地鐵采用了AISI301。SUS301強度高,但由於C含量多,焊接部敏化發生晶界腐蝕,如果要用於在沿海地區運營,且暴露在高溫潮濕環境中的日本國內電車網,那麽必須解決這一問題。於是開發出了降低C含量,與C具有同樣固溶強化能,不損壞焊接部耐蝕性,提高N含量的鋼種。對車輛的各個部位,和日本車輛廠家共同設定調質軋製率和板厚規格,實現了不鏽鋼車輛。這種材料現在作為SUS301L已被JIS標準化,不僅可作為鐵道車輛用材料,還用於其他用途。SUS304適用於複合成形,但適用於壓縮凸緣成形品時,有可能發生時效裂紋。這種裂紋是從加工後數小時到數個月後發生的延遲破壞現象,在生成一定量加工感應馬氏體部位發生。從時效裂紋界限與應力擴大係數的關係看,對於加工硬化,應力擴大係數大,也就是說,被軟質馬氏體感應的鋼種,   對於時效裂紋有耐性。通過這些知識,改進後的鋼種適用於壓縮凸緣成形,也適用於超深衝品和複雜拉深成形品。這種鋼種作為SUS304J1、SUS304J2已被JIS標準化。   2 鐵素體係不鏽鋼的發展   (1) 鐵素體係不鏽鋼的優缺點   SUS430和SUS304相比,易發生孔蝕和晶界腐蝕,所以不能用於嚴格加工。其優點是,不發生應力腐蝕裂紋,熱膨脹係數小。因此,如果改善鐵素體係不鏽鋼的耐晶界腐蝕性、耐蝕性和加工性,就能用於SUS304不適宜使用的用途。基於這種概念,進行了很多研究開發,關鍵技術是降低鋼中的C、N、S和改善如前所述的絞紋。改善這些特性後,擴大了水環境部材、水前建築物、汽車排氣部材等的新市場。   (2) 鐵素體係不鏽鋼的鋼種擴大   由於C、N對耐晶界腐蝕性產生不好影響,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量根據化學理論計算是(C+N)的4倍,如果是Nb,則約是7倍,但是,由於焊接熱影響部是非平衡態,為了獲得良好的耐晶界腐蝕性,最低也需要15倍以上的(Ti+Nb)量。使高純度鐵素體係不鏽鋼提高耐蝕性的主要元素是Cr、Mo。與Cr相比,Mo對耐蝕性提高效果更大,19Cr-2Mo的孔蝕電位比SUS304的孔蝕電位高。Ti、Nb單獨或複合使用,對提高鐵素體係不鏽鋼的加工性也是有效果的,深衝性大大改善。所以,隨著製造技術的發展,鐵素體係不鏽鋼不斷進步,並在各種用途開展使用。這裏介紹電熱水器殼體的開發事例。   電熱水器殼體原本使用搪瓷材料,但從輕量化、耐衝擊性來看,不鏽鋼受到關注。但是,在不鏽化的初期,較多發生有關腐蝕等問題。從電熱水器殼體與縫隙腐蝕的模式圖來看,電熱水器殼體在下蓋板/殼體板的焊接部形成縫隙。在縫隙內部氧濃度低,由於縫隙內外形成氧濃度差電池,在縫隙內發生腐蝕。在縫隙內通過溶出金屬離子的加水分解,縫隙內的PH下降,並且為了保持電中性,氯離子進入,縫隙內成為嚴酷腐蝕環境,促進了腐蝕。在這種用途下,認為像SUS304那樣具有優異耐蝕性的奧氏體係不鏽鋼更適合,但SUS304易發生應力腐蝕裂紋。隻具有SUS304程度孔蝕電位的鐵素體係不鏽鋼不能抑製縫隙腐蝕。在豐富的腐蝕數據、監控試驗下,新日鐵在該用途使用了19Cr-2Mo-Ti、Nb鋼,促進了電熱水器的普及。   鐵素體係不鏽鋼被大量使用的另一個領域是汽車排氣部件。1976年日本實行汽車排氣法規,汽車廠家嚐試用兼具耐熱性和耐蝕性的不鏽鋼做排氣部件。在反複受到高溫-常溫熱過程作用的排氣部件中,奧氏體係不鏽鋼由於熱膨脹係數大,容易發生氧化皮剝離,熱疲勞特性變差,所以采用鐵素體係不鏽鋼。現在使用的材料根據汽車廠家、車種而不同,但基本的概念是排氣過程的前部分適用耐熱性(高溫強度、耐氧化性)優異的鋼種,後部分適用耐蝕性優異的鋼種。特別是接近發動機的排氣總管部位,除了要求高溫強度還要有優異的熱疲勞特性,所以大多使用具備這些特性的含Nb、Mo鋼。   結語   關於不鏽鋼今後的課題從以下4個方麵敘述,並作為文章結束語。   1 通過提供總體解決方案擴大不鏽鋼市場   至今為止,不鏽鋼廠家對於現在的、潛在的要求,從各種角度提供數據,同時投入新產品,和用戶一起努力擴大市場。今後還將推進更高功能的材料開發,同時必須提供包括靈活運用材料功能的加工方法、焊接方法在內的總體解決方案,從新的切入口開拓市場。   2 維持國際競爭力 以廉價勞動力為背景的海外不鏽鋼廠家不斷擴大設備能力,但勞務費在不鏽鋼製造費中所占的比例通常至多為7%。與其爭論這種差異的大小,還不如依靠高技術高效製造高附加值產品,努力消化勞務費差異。所以經常維持最先進的技術水平是非常重要的。   3 工藝連續化中的注意點   作為消除勞務費差異的方法之一是工藝的連續化。但是,如前所述,工藝的連續化不僅要考慮單一的裝置技術,而且開發周邊技術也是非常重要的。即使連續化,還必須充分研究能使各個工藝最大限度發揮其能力的設備配置和產品結構。   4 對環境保護的貢獻   現在,全球範圍內的資源開采、製造、加工、使用的各個方麵都在追求減輕對環境的負荷,從考慮產品資源循環的生命周期角度追求環境負荷最小。不可否認,在不鏽鋼主原料Cr、Ni的製造中產生的CO2負荷量較多,但具有高耐蝕性、高耐熱性的不鏽鋼延長了產品-結構物的壽命,起到了減少廢棄物和無需維護的雙重效果,有助於節能、省力化。在今後的以清潔能源為對策的新技術中,不鏽鋼是必將繼續發揮重要作用的材料。
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