前言

    雙相不銹鋼是指在固溶組織中鐵素體相和奧氏體相約各占一半的不銹鋼。通過合理的成分設計及熱處理工藝控制，實現了鐵素體相和奧氏體相共存，并兼備了兩相各自的優點，如奧氏體不銹鋼的優良韌性、焊接性，與鐵素體不銹鋼的高強度和耐氯化物應力腐蝕性能等，與同性能級別的奧氏體相比，明顯降低了貴重金屬Ni的含量，是低成本與高性能的完美統一。因此近年來作為可焊接的結構材料，得到快速發展，目前已成為不銹鋼的重要組成部分，在石油、化工、造船、造紙、海水淡化、交通運輸、核電、橋梁、建筑幕墻等多領域得到成功廣泛的應用。

    近年來，太鋼圍繞雙相不銹鋼，在品種結構、規格、數量及應用領域等多方面，開展了大量研發和推廣工作，突破了多項關鍵技術，目前在雙相不銹鋼方面，已經形成了品種的系列化、數量的規模化、應用領域的多樣化。

    1、雙相不銹鋼的發展歷史和趨勢

    雙相不銹鋼的發展起源于20世紀30年代，法國人在1935年獲得第一個專利。一般認為，截至上世紀80年代，雙相不銹鋼的發展經歷了三代。

    第一代雙相不銹鋼為開始于美國上世紀40年代開發的329鋼，該鋼種的典型特征是含有較高的Cr、Mo，改善了耐蝕性，但由于含碳量較高（≤0.1％），因此焊接時會有碳化物沿晶界析出，導致耐蝕性降低，一般只用于鑄件。期間各國都在降低碳改善焊接性開展了大量工作，開發了一系列新品種，如蘇聯的鈦穩定型的1Cr21Ni5Ti、德國的1.4582、法國的UR50（Cr21-Ni7.5-Mo2.5-C u 1 . 5）、日本的3 2 9 J 1（C≤0 . 0 8 %，C r 2 5 -Ni4.5-Mo2）。1960年瑞典開發了著名的3RE60（00Cr18Ni5Mo3Si2），它是第一代雙相不銹鋼的代表鋼種，焊接及成型性能良好，廣泛代替304L、316L用作耐氯離子應力腐蝕的材料，但不足的是該鋼種焊接熱影響區極易出現單相鐵素體組織，導致焊接接頭的韌性降低，耐蝕性變差。

    第二代雙相不銹鋼是在上世紀70年代，隨著AOD、VOD等二次精煉技術的發展，使得超低碳（C≤0.03％）冶煉普及，同時N在不銹鋼中獨特作用的深入認識，大大促進了含N、超低碳雙相不銹鋼的開發應用，在此基礎上，通過Mo、Cu、Si等耐蝕性元素的加入，開發了一大批性能優良、應用廣泛的雙相不銹鋼。典型的代表鋼種是瑞典SAF2205、法國UR45N、日本的329J3L、329J4L等。其中，2205目前占雙相不銹鋼總量的70%以上。

    第三代雙相不銹鋼一般也稱之為超級雙相不銹鋼（Super DSS），是在上世紀80年代后期發展起來的。這類鋼的特點是含超低碳，含3%～4%的Mo、0.3%左右的N，部分鋼種還加入Cu、W，此類鋼具有優良的耐Cl-點蝕性能，點蝕當量指數（PREN=Cr%+3.3×（Mo+0.5W）%+16×N%）大于40。典型鋼種有S32750、S32760（Zeron100）、S32550、S32906、DP3、UR52N等。與第一和第二代雙相不銹鋼相比，第三代雙相不銹鋼在耐腐蝕性能方面有很大的提高，不僅耐應力腐蝕破裂，同時也可以應用在海水環境中。到了上世紀90年代，由于世界范圍內的鎳資源緊張，加上鎳價上漲等因素的影響，使不銹鋼企業紛紛尋找成本更低的新鋼種，即開發新型節鎳經濟型雙相不銹鋼。如瑞典LDX2101（Ni含量在1.35%～1.70%）、美國阿里根尼的AL2003，法國的UR2202、新日鐵的NSSC2120等，實現了成本與性能的完美統一，目前已在全球得到了成功應用，并倍受關注。

    同時，在SuperDSS的基礎上，通過增加Cr、Mo、N的含量（達到5000ppm），SANDVIK開發成功PREN超過50、強度達到1000MPa的特超級雙相不銹鋼SAF2707HD、SAF3207HD，它們比6％Mo鋼種的耐腐蝕性能更好，與Ni基耐蝕合金相當，用于溫度較高的天然油氣井、深海管線、海水冷卻交換器等。

    總之，雙相不銹鋼伴隨著鋼鐵冶金技術的進步、資源高效利用認識的不斷提高，經歷了不同的發展歷程，目前已經形成以2205、2304、2507等傳統雙相不銹鋼為代表的鋼種集群，它們在化學成分、性能以及設計、加工制造等方面均有了較為完善的措施。在今后，雙相不銹鋼仍將不斷發展，其趨勢分為兩種：一種是開發低Ni雙相不銹鋼，另一種是高耐蝕性的超級及特超級雙相不銹鋼。

    2、太鋼雙相不銹鋼的發展現狀

    太鋼是從上世紀80年代開始雙相不銹鋼的工藝研究及品種開發。當時主要的雙相不銹鋼品種有兩種：前蘇聯的牌號1Cr21Ni5Ti，主要用于制作火箭發動機燃燒室的尾噴管；瑞典的3Re60鍛件及中板，主要用于化肥行業（如甲胺泵泵體、制鹽復合板等）。隨著國家重點工程的建設，特別是長江三峽水利工程不銹鋼復合板的設計需求，太鋼開始了2205雙相不銹鋼的研制，此后陸續開發成功2101、2304、2507、S32760、S32906等系列雙相不銹鋼，在國內多領域及涉外工程中得到批量應用（表1）。

    2.1 品種、結構及規模

    太鋼擁有先進的不銹鋼精煉設備，在成分控制方面，嚴格控制有害元素的含量，如S的控制目標為≤10ppm，為了改善使用性能，關鍵元素如Cr、Ni、Mo的含量均按照中上限控制。在產品結構方面，已經形成了熱軋中厚板、冷軋薄板、復合板、管坯、無縫鋼管、線材、螺紋鋼、軸類等系列產品。中厚板最大厚度為80.0mm，卷板最大寬度為2000mm。目前太鋼已經形成了年產30000t雙相不銹鋼的生產規模。

    2.2 關鍵共性技術

    雙相不銹鋼由于是奧氏體、鐵素體兩相共存，因此其軋制、熱處理、酸洗、焊接等關鍵工藝不同于單相奧氏體、鐵素體不銹鋼。在成分設計方面，普遍引入N，既改善了材料的性能，而且取代部分Ni，降低了成本。圍繞雙相不銹鋼上述工藝特點，太鋼主要進行了如下技術工作，為雙相不銹鋼的成功開發提供了必要的技術保證。

    2.2.1 雙相不銹鋼控N及AOD爐氮氣合金化應用技術

    N在鋼中的加入方式有兩種，一是利用含氮鐵合金；二是通過吹氮氣。通過對N在鋼中溶解和脫除規律以及不同元素對N在鋼中溶解規律影響的研究，建立AOD爐關于氮氣合金化控制N含量的數學模型，預報不同成分雙相不銹鋼在一定溫度下的飽和溶解度，實現成品N含量在500～3200ppm之間的精確控制，控制精度為±50ppm。圖1就是S32750超級雙相不銹鋼冶煉過程N含量的變化圖。

    圖1 S32750冶煉過程的N含量變化

    除了開展AOD爐氮氣合金化的工藝研究，太鋼還進行了VOD冶煉含N雙相不銹鋼的工藝研究，通過調整主要合金成分，控制氮氣流量和鋼水溫度，實現了N含量精確控制的同時，提高了鋼質純凈度，降低生產成本，縮短冶煉時間。

    2.2.2 鑄坯實物質量控制

    連鑄坯是目前雙相不銹鋼熱加工的主要原料，鋼質純凈度與鑄坯低倍組織是反應鑄坯質量的主要指標，也直接影響到材料的熱加工工藝（如熱加工裂紋）以及最終的產品使用性能（如耐腐蝕性），因此，獲得高質量鑄坯對于雙相不銹鋼品種開發具有重要意義。以2205雙相不銹鋼為例，在鋼質純凈度方面，通過選擇合理的脫氧工藝及去除夾雜的技術，鋼中的[O]≤15ppm，有害元素[S]≤0.002%，夾雜物數量減少，夾雜物尺寸明顯減小，對應1.0mm的冷軋板材夾雜物評級，四類夾雜物均為0.5級。

    在鑄坯低倍組織控制方面，在連鑄過程通過采取低的過熱度、二冷水弱冷，同時投入電磁攪拌，取得了非常理想的效果，與單相奧氏體、單相鐵素體不銹鋼相比，柱狀晶較細，鑄坯等軸晶比例達70%以上（圖2），這為后步的熱加工奠定了良好的基礎。

    圖2 投入電磁攪拌鑄坯低倍組織

    雙相不銹鋼一般含有較高的N，鑄坯容易形成皮下氣泡，特別是低Ni高N的經濟型雙相不銹鋼，氣泡產生的敏感性更強。通過研究雙相不銹鋼的凝固相變特點，分析了凝固過程中合金元素和壓力對氮溶解度的影響規律，并在生產中對成分、澆鑄溫度進行合理控制，避免了鑄坯皮下氣泡。

    2.2.3 雙相不銹鋼的熱塑性研究

    雙相不銹鋼是奧氏體、鐵素體兩相共存，而兩相的組織結構不同，軟化機理也不同，在熱變形時由于兩相化學元素分布不同、應力分配不均而發生不協調變形，最終導致產生裂紋。通常認為鐵素體具有較高的層錯能，高溫時位錯的攀移和交滑移容易發生，因此鐵素體只發生動態回復而不發生動態再結晶，而奧氏體能則通過動態再結晶進行軟化。因此，與單相奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的熱加工相比，控制難度大，工藝復雜。以2205為例，吳玖教授通過借助Gleeble熱模擬試驗機、掃描、透射、X-衍射等工具對雙相不銹鋼鑄坯熱變形過程進行微觀分析，發現如下特征（見圖3），對制定正確的熱塑性控制工藝具有重要意義。

    1）整個熱變形過程，α相的軟化程度和軟化速度均高于γ相；而且鐵素體晶粒發生了動態回復和動態再結晶，位錯在晶界聚集形成位錯墻，導致小角度的亞晶出現。

    2）在α相內析出具有面心立方結構的γ‘相，呈彌散的顆粒狀分布，使α相得到強化，從而使從α相向γ相的應變轉移趨于均勻，提高了鋼的熱塑性。

    3）隨溫度增加，α相比例提高到60%，此時γ相以圓角狀形式均勻存在，熱塑性增加；但α相晶粒急劇長大，會導致熱塑性降低。

（a）鐵素體的動態回復形貌

（b）鐵素體動態再結晶形貌

（c）α相上分布的γ'

（d）γ’相電子衍射結果

圖3 2205雙相不銹鋼熱變形組織轉變

    2.2.4 熱處理工藝控制技術

    雙相不銹鋼含有較高的Cr、Mo以及50%左右的鐵素體，熱處理會經過多個有害中間相的轉變，其中危害最大的就是σ相，它使鋼的塑韌性降低，嚴重惡化耐蝕性能。因此熱處理制度的選擇必須嚴格遵守以下兩條：一是避免在有害相析出的敏感區熱處理；二是熱處理后的快速冷卻。合金含量的不同，直接影響到雙相不銹鋼在熱處理過程中的有害相的析出行為，這里既包括有害相的種類，如σ相、Cr2N、Lavis等，又包括析出相的不同溫度區間。通過對不同合金的系列雙相不銹鋼熱處理過程中組織轉變行為及對性能的影響規律進行研究，發現低Ni、低Mo的經濟型雙相不銹鋼對低溫Cr2N的析出敏感，而對σ相的析出不敏感；而中合金及超級雙相不銹鋼，由于Cr、Mo含量相對較高，因此，σ相析出的敏感性強，穩定存在的溫度范圍寬，穩定存在的上限溫度高（圖4）。因此，針對不同成分的雙相不銹鋼，熱處理制度也不同。

    圖4 不同成分雙相不銹鋼的TTT曲線

    這里列出了典型的2205雙相不銹鋼不同熱處理制度下的組織性能對比，見表2。

    從上述結果可以看出，2205經過850℃熱處理，較1050℃熱處理后的延伸率、沖擊韌性大幅度降低。從金相組織分析，前者除了α、γ外，還有大量第二相析出；通過XRD衍射分析，前者可以看到非常明顯的標志σ相的特征峰。通過透射電子衍射，測得基體和析出相的衍射斑，與標準花樣進行對照得出基體為體心立方點陣的鐵素體，析出相為四方結構的σ相。此外，太鋼圍繞雙相不銹鋼在高效酸洗、焊接、成型、雙相不銹鋼復合板制備、大直徑雙相不銹鋼鍛件等方面開展了相關的技術工作，解決了含Mo雙相不銹鋼帶鋼的酸洗速度慢、冷板沖壓開裂以及復合板熱處理、鍛件的中心縮孔等難題，同時還為用戶提供了配套的焊接技術服務。

    3、市場開發

    近年來，伴隨著太鋼雙相不銹鋼的技術進步，太鋼已經實現了雙相不銹鋼的品種規格系列化，并在國內重點領域、重點工程及涉外的項目中，得到廣泛應用，在2012年被評為“冶金市場開拓獎”。

    3.1 化學品船制造

    與316L、304L相比，雙相不銹鋼具有高的強度，實現厚度的減薄，同時耐蝕性增強，可以運輸更多種類的化學品，因此是制作液貨倉內膽的理想材料。由于化學品的種類多，因此對船板的表面粗糙度有非常高的要求（一般要求Ra≤5μm），同時考慮到要進行波形板的壓制和液貨艙的結構，因此要求鋼板具有較好的板型、殘余應力分布均勻、合格的厚度方向拉伸性能及無脆性相析出等。太鋼先后通過了CCS、LR、GR、BV、DNV、ABS等多國船級社認證，2205已經大批量用于萬噸級（如需要LR認證的33000噸級）的化學品船制造。

    3.2 紙漿造紙

    在造紙工業領域中， 蒸煮與漂白是兩個重要的環節，與之相關的設備均受到不同程度的腐蝕。傳統的硫酸鹽法蒸煮工藝中蒸煮液的主要成分是NaOH和Na2S，還有一些來自于堿回收系統的Na2CO3、Na2SO4、Na2SO3和Na2S2O3，如果封閉循環用水，蒸煮液中NaCl含量會大量增加。 傳統蒸煮設備大都是壓力容器，在160～180℃的工作溫度下，上述的鹽類對設備都有腐蝕作用。而漂白廢液對環境影響最大、污染最嚴重，漂白設備的腐蝕介質主要是氯化段的Cl-，H+以及氧化劑Cl2、ClO2，在氯化塔頂或洗漿機上都有嚴重腐蝕現象，不能用316L。太鋼產的2101、2304、2205雙相不銹鋼批量用于國內外的造紙項目，較好解決了防腐問題，同時在壁厚減薄方面具有顯著優勢。

    3.3 天然氣集氣管線

    在油氣開采過程中，集氣管線要在含有大量H2S、CO2和CI－甚至很高的CI－酸性環境中服役。太鋼雙相不銹鋼通過了殼牌、美孚、BP等國際知名公司的認證，并提供了上萬噸的2205卷板，用來制作PDO（阿曼國家石油公司）天然氣集氣管線，設計溫度為0～120℃，設計壓力為13MPa，訂貨標準為API-5LC的規范要求。同時，2205的無縫鋼管及焊接鋼管，在我國塔里木克拉蘇氣田大北區塊地面建設集氣管線工程同樣得到成功應用，設計壓力為16MPa，輸送壓力為12.2～14.81MPa，輸送溫度為21～70℃。

    3.4 核電

    核電做為一種清潔能源，在我國的能源發展戰略中具有重要地位，要大力發展，其中從美國西屋（WestHouse）公司引進的AP1000核電技術，是目前我國核電技術的重要組成。在眾多的核電設備中，乏燃料水池的覆面板材質被確定為S32101經濟型雙相不銹鋼，代替304L不銹鋼，主要是利用其高強度、良好的耐腐蝕性以及低Ni含量的經濟型，同時對S32101在130℃的高溫瞬時拉伸有明確要求（Rp0.2≥362MPa），工程設計板材的厚度范圍為6.35～50.8mm，最大板寬為3060mm，最大板長為13700mm，目前已形成了能源領域的核電專用技術條件。此外，針對核電海水循環泵的使用特點，太鋼分別生產了最大厚度為60mm的2507、S32760等超級雙相不銹鋼中厚板，用于泵體及法蘭的制作。

    3.5 橋梁（跨海大橋）

    對于建筑橋梁，特別是跨海大橋，由于所處的環境惡劣（Cl-濃度高達20000ppm）、海上施工及維護難度大，大橋橋墩的腐蝕破壞成為跨海大橋長壽命、安全、低成本運行的限制環節。而雙相不銹鋼鋼筋具有高耐腐蝕性、高強韌性及便于島上施工等優點，目前已成為國際建造跨海大橋關鍵部位材料的較為理想的解決方案。太鋼的雙相不銹鋼螺紋鋼筋、連接件、折彎件組合產品通過了權威的英國CARES認證，建立了不銹鋼鋼筋標準和應用技術規范，目前8000余噸雙相不銹鋼螺紋鋼筋在世界最長、設計壽命超過120年的港珠澳跨海大橋得到成功應用，對提升我國海洋橋梁、港口、島礁等工程設計和建設水平，具有重大的示范效應和戰略意義。

    3.6 壓力容器

    雙相不銹鋼具有高強度、良好的耐蝕性和焊接性能，目前已經成為壓力容器行業的重要選材。特別是在解決傳統奧氏體不銹鋼遇到的應力腐蝕問題、點腐蝕問題方面，具有顯著優勢。根據壓力容器行業的特點，太鋼的系列雙相不銹鋼已經在石化、煉油、煤化工等領域的反應器、塔器、換熱器、管板等得到成功應用。

    真空制鹽工程的蒸發罐，2205雙相不銹鋼在耐應力腐蝕方面具有316L不可比擬的優越性。2205的復合板兼顧了不銹鋼的耐蝕性和容器用碳素結構鋼的強度，同時較同厚度的不銹鋼成本顯著降低，因此是真空制鹽蒸發罐的理想選材。太鋼產的2205復合板成功應用于重慶索特百萬噸/年真空制鹽、湖北藍天60萬t/年真空制鹽等項目。在聚酯原料精對苯二甲酸（PTA）裝置中，隨著設計產能提升（從900kt/a到2000kt/a）， 設備外形參數也隨之放大， 同時考慮到PTA生產中有醋酸和溴離子的存在，介質的腐蝕性極強，因此需在耐蝕性和經濟性之間找到平衡，2205替代316L、3l7L以及904L已成為較為理想的解決方案。

    在蠟油加氫裝置中的熱高分氣空冷器，其操作介質為熱高分油氣（含H2S、NH3、氯、H2O等），操作壓力為11.3MPa，太鋼的2205中厚板成功得以應用。

    封頭是壓力容器的重要設備，對材料不僅要求具有較好的耐蝕性、焊接性，而且還需具有良好的旋壓成型性。雙相不銹鋼具有較高的屈服強度，封頭成型時的回彈性較強；同時延伸率偏低（一般25%～30%），需更大的彎曲半徑及必要的中間退火。太鋼生產的2101、2304、2205、2507等系列雙相不銹鋼均成功進行了封頭壓制，并在石化、壓力容器中得到廣泛應用。

    板式熱交換器以其高效、緊湊、金屬耗量少等特點愈來愈受到青睞，一般分為全焊式和可拆式兩種，目前雙相不銹鋼在該領域已經得到了成功應用。全焊式材料的厚度一般為2.0mm，可拆式的厚度為0.6～0.8mm。二者相比，后者的波紋板對雙相不銹鋼的冷成型性要求更為嚴格。實踐證明，由于雙相不銹鋼強度高，45°的r值（塑性應變比）較0°、90°高，使其承受復雜成型的條件較為有利。太鋼生產的0.6～2.0mm的2205冷板，已在國內板式換熱器制作得到成功應用，設備運行良好。

    3.7 建筑幕墻

    由于沿海氣候的獨特性，普通304、316制作的幕墻支架經常會發生表面銹蝕的現象，影響其美觀和安全。實踐證明，選用2205雙相不銹鋼可以從根本上解決上述問題。

    太鋼生產的2205雙相不銹鋼冷板，用于迪拜標志性建筑——ADIC工程（阿布扎比移民局大樓），該建筑位于阿聯酋首都阿布扎比，既有沙漠，又面對大海，自然環境下的侵蝕嚴重。2205雙相不銹鋼主要用于2098個遮陽傘（23980平方米）支撐架的制作，較好解決了支撐架要求高強度和經受高溫、潮濕、風沙等惡劣環境的防腐問題。

    3.8 海水淡化

    海水淡化是采用多級閃蒸或多級分餾等工藝，將海水進行處理，變成日常生產生活用水。

    雙相不銹鋼耐Cl-點腐蝕能力好，其需求隨設計的日處理海水能力增加而增加。太鋼已經成為國際知名海水淡化工程公司的合格供應商，2304、2205板材已經用于制造海水淡化的主要設備。此外，太鋼的雙相不銹鋼系列品種，在城市軌道交通、大型水利工程（如長江三峽水利工程、紫坪埔水利工程、向家壩水利工程等）、環保脫硫項目、水處理等眾多領域同樣得到應用。

    4、結論

    （1）經歷了三個不同階段，雙相不銹鋼到目前已經形成了系列化，并在今后繼續向經濟型和超級型方向發展。

    （2）太鋼圍繞雙相不銹鋼，突破了冶煉、熱加工、熱處理等多項關鍵共性技術，成功開發了不同合金的雙相不銹鋼系列品種。

    （3）太鋼的雙相不銹鋼在化學品船、紙漿造紙、橋梁、壓力容器、核電、天然氣管線、建筑幕墻、海水淡化等多個得到成功應用。

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責任編輯：王元

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