[发明专利]铁素体－奥氏体不锈钢

说明书

本发明涉及一种具有高含量Cr和N以及低含量Ni的铁素体-奥氏体钢，该钢主要是为了用于合成尿素设备的高压组件。然而，该钢也适用于需要良好耐蚀性或高强度之处的其他目的。

双相不锈钢是一些特征在于两相具有不同组成时的铁素体-奥氏体结构的钢。现有的双相不锈钢主要是与Cr、Mo、Ni和N熔成的合金。双相结构意味着在铁素体中富集有Cr和Mo而在奥氏体中富集有Ni和N。大多数现有的双相钢含有22-27％Cr、4-7％Ni、0-4％Mo和0.1-0.3％N。这使材料得到具有30-70％铁素体而其余为奥氏体的双相结构。为使合金具有特定的性能，其他元素，如Mn、Cu、Si和W也可存在。

双相不锈钢，特别是由于双相不锈钢中的Ni含量，经常是用作奥氏体不锈钢而且是对较低价值的可供选择方案。从而经常能发现具有相应于奥氏体的耐蚀性能的双相不锈钢。这种钢的一个实例是含有20％Cr、18％Ni、6％Mo和0.2％N的奥氏体254 SMO^R(UNS S 31254)，该钢具有与含25％Cr、7％Ni、4％Mo和0.3％N的双相钢SAF 2507^R(UNS S 32750)相同水平的含氯环境中的耐腐蚀性能。

然而，某些奥氏体钢，如专门为用于尿素工艺开发的，含25％Cr、22％Ni和2％Mo的Sandvik 2RE69用于尿素工艺中迄今还没有适当的双相不锈钢中的对应钢种。这一问题已由本发明得到了解决。

双相不锈钢的合金化水平向上受到结构稳定性的限制。铁素体-奥氏体结构意味着该材料对在475℃时的脆性和在600-1000℃温度范围时的金属间相分离敏感。金属间相的分离主要是由高含量Cr和Mo而增强的，但它可通过含有N而被抑制。N对结构稳定性的作用意味着可使较高含量的Cr合金化入该材料中而不会对使结构稳定性有任何恶化。然而，N含量向上受到其在熔体中的溶解度的限制，使孔隙率提高到的百分比过高，并受到合金中固溶度的限制，可造成氮化物析出。

为提高熔体中N的溶解度，可提高Mn和Cr的含量。然而，Mn增加了金属间相分离的危险，从而应限制Mn。由于N是一种强奥氏体促进剂，所以可通过增加N含量而显著地降低Ni含量并仍保持铁素体-奥氏体结构。

用于合成尿素的设备构成了对奥氏体和双相不锈钢的一种有意义的用途。尿素是在高压和高温下通过氨和二氧化碳的合成制得的。高压部分中的工艺溶液对碳钢腐蚀非常严重。从而基本上使用特种钢，但也使用钛和锆。然而，后者在购买和生产时成本很高，从而限制了它们的使用。

当前，奥氏体不锈钢作为尿素工艺的高压部分材料处于支配地位。经常使用的钢是Sandvik 3R60R U.G.，该钢是改进的AISI 316L(UNS S 31603)，其特征在于18％Cr、14％Ni和2.7％Mo和仔细控制的铁素体含量。在大多数要求的应用中，使用25％Cr-22％Ni-2％Mo(UNS S 31050)类型的钢。对使用不锈钢的要求是，可维持该钢的钝性。因此，将氧添加入尿素合成的工艺溶液中。从而，这种添加仅由于材料-技术观点所必须，但却同时造成能量和产率损失，以及在过高量时的潜在安全危险。因此，在工艺-技术观点以外，如果能完全除去，则合乎要求的是减少添加氧。然而，在当前的工艺方法中，难以保证在工艺溶液中存在的所需氧量。这种场合是例如在汽提塔，即大多数转化热交换器中发生的溶液沸腾。在一定条件下在Cr25-Ni22-Mo2(UNS S 31050)类型钢上也发生某些腐蚀。在AISI 316L(UNS S 31603)上的腐蚀主要发生在冷凝条件下。从而，不能在全部工艺中保证合适的钝性。

低劣的材料质量也造成尿素工艺中的腐蚀，导致侵蚀焊接连接。材料的不均匀是腐蚀的另一原因。这些因素表明，良好的结构稳定性是在尿素溶液中对良好耐腐蚀性，或在需要良好耐腐蚀性的其他用途中的先决条件。

关于尿素用钢的组成，公知的是，Cr对耐腐蚀性具有有利的影响。一系列研究也已表明，奥氏体中的Ni在当工艺溶液中产生低含量氧时的条件下是有害的。这导致随着钢中Ni含量的增加，腐蚀速度显著提高。另一方面，含低含量Ni的铁素体钢在这些条件具有很低的腐蚀性。然而，铁素体钢作为结构材料由于不良的结构稳定性而具有很大的局限性，导致与焊接和生产有关的许多问题。