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世界不锈钢的发展

2019-06-20 15:38

不锈钢是金属材料中的佼佼者,它具有许多优良的性能,如耐蚀性、耐热性、耐低温性、好的加工性能等,不锈钢外观精美,寿命周期成本价低,可以100%的回收利用,因此在各个工业及民用领域得到了广泛和大量的使用,是一种非常好的结构和功能材料。

不锈钢自上个世纪初问世至今已有90多年的历史,不锈钢的发明是世界冶金史上的一项伟大成就,不仅为现代工业的建立、发展和科技进步奠定了物质基础,而且在民用领域的扩大应用也显著提高了人们的生活质量。

追溯历史,1000多年前,古印度寺院中的铁柱和中国古代庙宇前的铁人等,他们长年暴露在大气下风吹雨淋、阳光曝硒,却有很强的耐蚀性,这一现象引发了许多学者和专家们的关注。1820~1822年英国学者法拉第(M.Faraday)最早把低合金钢的生锈问题作为一项课题来研究,可以说他是不锈钢研究的创始人。

到20世纪初,欧洲法、英、德等国的学者先后对钢铁的不锈性和钝化理论进行了研究:1906年法国人吉烈特(L.B.Guillet),1909年法国人波特万(A.M.Portevin),1909年英国人吉森(W.Giesen)分别发表了Fe–Cr和Fe–Cr–Ni合金的冶金学报告,发现了这些合金的耐腐蚀性能。1908~1911年德国人蒙纳尔茨(P.Monnartz)和鲍切尔斯(W.Borchers)发现了钝化现象,并提出了高Cr合金的钝化理论,这一时期的研究为开发工业用不锈钢奠定了理论基础。

不锈钢的三大类(马氏体、铁素体和奥氏体)是在1912年左右由英国、美国、德国等国家近乎同时研制成功的。1912~1913年英国人布莱利(H.Brearly)开发了含Cr 12%~13%的马氏体不锈钢(相当于现在的AISl420);1911~1914年美国人丹齐泽(C.Dantssigen)和怀特西(W.R.Whitsey)开发了含Cr 14%~16%的铁素体不锈钢(相当于现在AISI430前期);1912~1914年德国的马勒(E.Maurer)和斯特劳斯(B.strauss)开发了含C<1%、Cr 15%~40%、Ni<20%的奥氏体不锈钢(相当于现在AISl304的韧型);1929年德国克虏伯公司的斯特劳斯取得了低碳18–8奥氏体不锈钢的专利权。与此同时他们为了提高不锈钢的耐蚀性,又分别加入了Mo、Cu等元素,为了解决18–8钢的敏化态晶间腐蚀,通过实验加入了Ti、Nb等稳定元素,此外克虏伯在20世纪40~50年代又开发了节镍的Cr–Mn–N(200系列)不锈钢,耐晶间腐蚀的超低碳(C≤0.03%)奥氏体不锈钢,60年代又开发了C+N≤150ppm的超纯铁素体不锈钢等,使不锈钢品种和性能进一步扩大和提高。除以上三大类外,不锈钢的另外两种类型,即双相不锈钢(即在钢的固溶组织中为铁素体+奥氏体双相,其中次量相≥15%,而现在要求双相不锈钢大多是二相比达50:50)和沉淀硬化型不锈钢(即经过冷热处理来控制奥氏体的稳定性和基体上的相析出沉淀,从而提高不锈钢的强度)是在20世纪的30~40年代开发成功的。1927年Bain和Griffiths首先发现了双相组织,1935年德国Unieux实验室发现了奥氏体不锈钢中含有铁素体时钢的耐蚀性能会得到明显改善,从而获得了奥氏体+铁素体双相不锈钢的专利。美国于20世纪40年代开发出第一代双相不锈钢AlSl329(Cr25Ni5Mo2),70年代和80年代又开发成功第二代(用氮台金化)和第三代双相不锈钢(耐点蚀当量值≥40的超级DSS)。沉淀硬化不锈钢是1946年首先由美国的史密斯埃塔尔(R.Smithetal)开发成功的,当时他研制成功马氏体沉淀硬化不锈钢17–4PH,随后既具有高强度又可进行冷加工成形的半奥氏体沉淀硬化不锈钢17–7PH和PH15–7Mo等也相继开发成功,至此不锈钢家族中的五大主要钢类:马氏体、铁素体、奥氏体、双相钢和沉淀硬化不锈钢就基本齐全了。

不锈钢主要生产技术的进步促进了不锈钢的快速发展,特别是炉外精炼、连续铸造和多辊冷轧机的使用,改善了不锈钢质量,提高了成材率,降低了生产成本。首先是不锈钢的冶炼技术,1910年开始用坩埚炉小批量熔炼不锈钢,随后法国人Heroult发明的电弧炉开始了较大规模的工业生产。进入1940年以后,美国人希尔蒂(D.CHilty)研究了Cr–C温度平衡,提出了高温脱碳保铬理论,从而为研制成功电弧炉追回吹氧法冶炼不锈钢奠定了基础。尽管这时可以用不锈钢废钢生产,但成本仍然很高,不锈钢仍然是一个高价钢种。进入20世纪60年代后,德国的维顿公司(Witten)和美国的联台碳化物公司(Union Carbide)分别研制成功具有革新技术的VOD和AOD精炼法,这使得采用便宜的原料(高碳铬铁)冶炼不锈钢成为可能,并大大提高了钢的纯净度,显著降低了不锈钢的生产成本。目前,AOD和VOD法已成为精练不锈钢的主流技术,其中AOD法占不锈钢总产量的68.7%、VOD法占26.3%。其次是连铸技术。早在1857年,贝塞麦(H.Bessemer)就获得了连铸技术的专利,但第一台不锈钢连铸机是出现在1949年美国的阿•勒德隆公可(AL),1954年加拿大阿特拉斯公司(Atlas)建造了世界上第一台不锈钢板坯连铸机,1960年日本新日铁光厂建造了世界上第一台宽度超过1m的不锈钢宽板坯连铸机,此后不锈钢的连铸机技术蓬勃发展,不锈钢连铸比已超过95%,成为不锈钢降低成本、提高成材率的关键技术。第三是多辊冷轧机,德国人罗恩(W.Rohn)最初研究了支撑辊10~18根的多辊轧机(后来成为松德维克型20辊轧机,但宽度不够),1932年由森吉米尔(T.Sendzimir)进一步开发,研制成功了现在的小直径工柞辊的20辊轧机,由于可以宽幅轧制,所以普及很快.目前己占世界不锈钢冷轧机的90%。当然除了上述三大技术外,其他如炉卷轧机的开发,连续退火酸洗线的开发,光亮退火技术的开发以及各种检测和自动化技术的应用都促使不锈钢的生产规模越来越大,技术水平越来越高。

以上三大技术的发展与进步,使不锈钢质量提高、成本降低,由过去每吨几千美元降到20世纪末的1000多美元。截止到2002年,世界不锈钢冶炼产量约2300万吨(包括独联体、东欧国家和中国),2002年世界不锈钢表观消费量约2000万吨。1950年,世界不锈钢产量还不到100万吨,1990年是1200万吨。可见不锈钢发展速度之快。

不锈钢需求的发展与人们生活水平密切相关,国际不锈钢发展经验表明,不锈钢的消费增长是GDP的1.5~2倍。历史上是军工发展带动了不锈钢,现在是民用的迅速增长和使用领域的扩大推动了不锈钢需求的快速发展。如今在我们的生活中从吃饭的餐具开始,到城市景观、楼房建筑等处处可以看到不锈钢。由于不锈钢日常用品中多数使用板材,所以总体需求是以板材为主。

不锈钢的生产集中程度越来越高,从当前世界出口不锈钢的情况可以看出不锈钢生产主要集中在比利时、德国、日本、中国台湾省等几个国家和地区,而板材出口最多的国家又主要集中在几个大厂,世界排名前10位的厂的产量占世界需求量的80%。

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