2012年6月内蒙古科技与经济June2012　第12期总第262期Inner M o ngo lia Science T echnolo gy&Economy N o.12T o tal N o.262超纯铁素体在不锈钢产业中的应用王耀龙(中冶东方工程技术有限公司,内蒙古包头　014010) 摘　要:通过对不锈钢产业发展中存在的问题和铁素体不锈钢的优越性能及其实际应用的分析,论证了铁素体在未来不锈钢发展中的经济意义。

关键词:铁素体;超纯铁素体;不锈钢 中图分类号:T F764+.1 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)12—0084—021　不锈钢产业发展中的问题和发展趋势目前,我国已形成不锈钢产能约1600多万吨,但产能利用率较低,2009年仅有72%,2010年也只有约88%,较低的产能利用率说明我国不锈钢实际产能大于市场需求的矛盾明显。

产能虽然较大,但结构性缺口依然存在,2009年我国自己生产的不锈钢材满足国内市场的程度为85.37%,这表明国内在产品开发、质量提升,配套服务、满足用户,特别是工业用户需求等方面,与国际先进水平尚有差距,产品不能满足国内需求,需要进口解决。

我国镍资源相对短缺,不锈钢生产所需镍资源的80%以上的依赖进口。

在不锈钢需求迅猛增长的背景下,镍等原材料被国际炒家所操控,价格涨幅大,波动剧烈,中国不锈钢的生产企业在成本和经营风险上都与日俱增。

鉴于镍资源紧缺、镍价格上涨及波动幅度大等因素,如何少用镍甚至不用镍,是国内不锈钢工业发展中亟待解决的问题。

用现代铁素体不锈钢部分代替奥氏体不锈钢,是解决这个问题的最好途径。

可以预见,未来现代铁素体不锈钢会有较大的发展空间。

2　铁素体不锈钢的发展2.1　铁素体不锈钢的性能优势铁素体不锈钢作为一种不含镍的铬系不锈钢,具有含镍不锈钢所具有的成形性、经济性、耐蚀性、抗氧化性等性能,具有成本低、耐应力腐蚀性能优异等显著特点,被称为经济型不锈钢。

铁素体不锈钢具有体心立方晶体结构,除个别牌号外,一般不含稀缺的贵重元素镍,与所能代用的铬镍奥氏体不锈钢相比,具有成本和价格优势。

铬镍奥氏体不锈钢对应力腐蚀非常敏感,在奥氏体不锈钢制设备、构件等的失效事例中,应力腐蚀破坏事故占有很大比例,而铁素体不锈钢耐应力腐蚀性能优异。

铁素体不锈钢具有铁磁性,导热系数高,约为铬镍奥氏体不锈钢的130%～150%,非常适用于有热交换的用途;线膨胀系数小,仅为铬镍奥氏体不锈钢的60%～70%,非常适用于热胀、冷缩,有热循环的使用条件。

铁素体不锈钢的磁性也是其能被广泛利用的重要优势,如电冰箱,刀具和其他金属工具的闭合都利用了这一性能。

但铁素体不锈钢存在可焊性差、脆性倾向比较大的缺点,生产和使用受到限制。

铁素体按C+N含量可以分为不同级别:C+N >0.03%为常规铁素体不锈钢,表示为0Cr;C+N ≤0.03%为超低碳铁素体不锈钢,表示为00Cr;C+N≤0.02%为高纯铁素体不锈钢,表示为000Cr;C +N≤0.01%为超纯铁素体不锈钢,表示为0000Cr。

2.2　超纯铁素体不锈钢应用超纯铁素体是通过降低铁素体不锈钢中碳、氮含量,使得C+N≤0.01%,而且需要添加钛、铌、铜、铝、钒等微量元素,就能够显著改善其腐蚀性能、力学性能和焊接性能,能得到比一般铁素体更优良的性能,是现代铁素体不锈钢的发展方向。

近年来,通过降低铁素体不锈钢中碳、氮含量和优化钼、钛、铌的质量分数,发展了一系列性能优越的超纯铁素体不锈钢。

2.2.1　按应用行业划分进入新世纪以来,随着可持续发展理念的强化,新材料的开发必须以环境友好为前提。

超纯铁素体不锈钢不含会使人体产生过敏的金属元素镍,是较为理想的节约资源型环保材料。

特别是近年来迅速发展起来的含铌铁素体不锈钢显示出良好的耐蚀性、成型加工性和优异的耐应力腐蚀性且成本低廉,因而在汽车、民用、建筑等方面得到广泛应用。

2.2.1.1　汽车行业。

目前,超纯铁素体不锈钢最主要的应用领域是汽车行业。

汽车用不锈钢主要集中于消声器和排气系统。

20世纪70年代,汽车排气系统用材为铸铁和碳钢等,1980年前后逐渐转向不锈钢,并以铁素体不锈钢409系列为主。

随着发动机性能的提高和尾气排放标准日趋严格,409系列难以满足高温强度和抗氧化性的要求,因此,开发了430系列,并在此基础上添加M o,Cu和Nb,T i等元素,・84・收稿日期:2012-04-23　王耀龙・超纯铁素体在不锈钢产业中的应用2012年第12期以进一步提高其高温性能。

这些新型超纯铁素体不锈钢具有成本低、强度较高、线膨胀系数低、导热性好、耐蚀性高等特点,成为排气系统的首选材料。

铁素体不锈钢在汽车上的应用多于奥氏体不锈钢。

汽车用不锈钢主要集中于消声器和排气系统。

20世纪70年代,汽车排气系统用材为铸铁和碳钢等, 1980年前后逐渐转向不锈钢,并以铁素体不锈钢409系列为主。

随着发动机性能的提高和尾气排放标准日趋严格,409系列难以满足高温强度和抗氧化性的要求,因此开发了430系列,并在此基础上添加M o,Cu和Nb,T i等元素,以进一步提高其高温性能。

这些新型超纯铁素体不锈钢具有成本低、强度较高、线膨胀系数低、导热性好、耐蚀性高等特点,成为排气系统的首选材料,占比超过80%。

汽车工业对不锈钢品种、规格多样化需求不断提高,将大力发展超纯铁素体不锈钢,降低含镍奥氏体不锈钢的使用比例。

据预测,未来每辆中高档轿车的不锈钢应用量将由现在的30kg左右提高到45kg～50kg。

2.2.1.2　厨房用具和家用电器。

在家电业,不锈钢用量大的是自动洗衣机内筒、热水器内胆、微波炉内外壳体、冰箱内衬,且多采用铁素体不锈钢。

最初厨房用具和家用电器采用铁素体不锈钢主要是从耐蚀性和加工性上考虑,现在进一步考虑到耐污性、抗菌性、美观性、再生性和电磁特性等多种性能,甚至考虑到在制造和使用过程中如何减轻环境负荷等方面,逐步拓宽其应用领域。

2.2.1.3　建筑行业。

现代铁素体不锈钢可加工性得到了改善,又因无镍少镍而价格相对较低,多用于建筑围护结构的屋面与墙面系统,其主要牌号为443、445J1、445J2,在更严重的氯离子腐蚀环境下可选用447。

中国广州亚运城综合体育馆的屋面采用了445J1铁素体不锈钢。

高铬铁素体不锈钢具有比奥氏体不锈钢更优越的耐大气腐蚀性能和耐氯离子点腐蚀性能。

更适于用作沿海海风侵蚀环境下的大型建筑物屋面及幕墙,在严酷的环境下长期不需要维修,性价比高。

20世纪90年代初开始,高铬铁素体不锈钢在日本、韩国迅速取代奥氏体不锈钢304和316,广泛用于海滨城市建筑物墙面、屋面装饰材料,典型牌号为445M2、445J2、446M等。

2.2.1.4　其他行业。

在化工设备方面,热交换器、制碱工业等易引起氯化物应力腐蚀的地方也已广泛使用铁素体不锈钢。

2.2.2　按化学成分分类的应用铁素体不锈钢分为5大类,其中前3类为标准牌号,是用量大且应用范围广的不锈钢,后两类为特殊牌号,用于某些有特殊要求的领域。

第1类,含铬量最低,因此价格也最便宜,适合在没有腐蚀或轻微腐蚀及允许有局部轻微生锈的环境下使用。

其中,409型不锈钢主要使用在汽车排气系统中,410L型不锈钢常用于容器、公共汽车和长途大轿车,也有用作液晶显示器的外框。

第2类,即通常使用最广的430不锈钢,含较高的铬,具有较好的耐蚀性,通常在室内使用,典型的用途包括洗衣机滚筒、室内面板等,其多数性能与304类似,在某些领域可替代304不锈钢,如,厨房设施、洗碗机、壶和锅等,这类型具有足够的耐蚀性。

第3类,这类型较430型具有良好的焊接性和成形性。

在多数情况下,其性能甚至优于304。

典型用途包括水槽,热交换管(制糖业,能源等),汽车排气系统(比409寿命长)和洗衣机的焊接部位。

这类型甚至可替代304用于性能要求更高的场合。

第4类,这类型添加了来钼增加耐蚀性,主要应用领域是热水箱,太阳能热水器,汽车排气系统,电加热壶和微波炉部件,汽车装饰条和户外面板等,其中,444钢的耐蚀性能与316相当。

第5类,这类型的耐蚀性和抗氧化性优于316,主要是通过添加了更多的铬和含有钼来提高耐蚀性和抗氧化性。

主要用于沿海和其他高耐蚀环境,例如JIS447的耐蚀性与金属钛相当。

2.3　铁素体不锈钢的生产和消费情况2.3.1　生产情况如前所述,2010年国内49家1万t以上的粗钢生产企业总产量达1400万t,其中,200系不锈钢产量为481万t,同比上涨6.7%;300系不锈钢产量为623万t,同比上涨22.4%;400系(铁素体)不锈钢产量为301万t,同比上涨25.4%。

2010年400系(铁素体)不锈钢产量为301万t,占全部不锈钢产量的21. 4%。

2.3.2　消费情况以2009年为例,全年不锈钢产量1139.13万t,其中,400系列所占比例为29.03%,为330.7万t。

与2010年产量301万t相比,有约30万t,近10%的缺口。

若与2009年240万t的产量相比,缺口更大。

2.4　铁素体不锈钢的发展前景分析铁素体不锈钢成本低廉,价格稳定,并且具有许多独特的特点和优势,能够在多领域中替代奥氏体不锈钢。

铁素体不锈钢与奥氏体不锈钢相比,铁素体不锈钢镍含量少,主要原料是铬和铁,为强化某些特殊性能,一些铁素体不锈钢还含有其他合金元素,如钼。

同时铁素体不锈钢不仅拥有昂贵的奥氏体不锈钢大多数力学性能和耐蚀性能,还在一些性能上优于奥氏体,特别在成型性、耐蚀性、抗氧化性上表现出色,被称为“经济型”不锈钢。

超纯铁素体具有更优良的性能,在某些方面可以代替奥氏体不锈钢,甚至可以代替钛材使用,因此具有较大的经济意义。

在我国不锈钢市场消费结构中,铁素体占29%。

在国际上,美国和日本的铁素体所占比例为40%。

巴西与我国同是发展中国家,他们通过大力推广铁素体不锈钢,目前铁素体不锈钢的消费比例已高达60%。

根据预测,将来我国不锈钢消费中,铁素体所占比例会达到40%。

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