国内外双相不锈钢的应用进展

□张文毓　□侯世忠中国船舶重工集团公司 第七二五研究所　河南洛阳　471023

国内外双相不锈钢的应用进展

□张文毓□侯世忠
中国船舶重工集团公司 第七二五研究所河南洛阳471023

双相不锈钢比奥氏体不锈钢的强度高一倍，所以使用双相不锈钢可以减轻质量、减少用量。目前，主要应用领域有船舶海水淡化装置、船用双相不锈钢板、船用锻件、轧制管材和铸件、运输业、建筑结构、深海油田、能源与环保工业、热交换器、纸浆和造纸工业、石油化学和化肥工业、食品和轻工工业、炼油工业等。可以预料，双相不锈钢的使用比例在今后会进一步扩大，双相不锈钢的发展有着光明的前景。从双相不锈钢的概况、应用情况、发展建议几方面进行了综述，提供了对国内外双相不锈钢最新的应用进展情况。

双相不锈钢系指在钢的固溶组织中铁素体和奥氏体相约各占一半，一般最少相的含量也需要达到30%，并简称为α+γ双相不锈钢。与铁素体不锈钢相比，α+γ双相不锈钢具有脆性转变温度低以及耐晶间腐蚀性能和焊接性能均显著提高的特性。将奥氏体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物的应力腐蚀性能结合在一起，且保留了铁素体不锈钢热导率高、线膨胀系数小和塑性好等特点。双相不锈钢的使用范围越来越广泛，传统上是利用其优越的耐局部腐蚀性尤其是耐应力腐蚀性能作为耐蚀材料的应用。近年来又从其强度着眼，出现了作为现代新型结构材料的应用，值得重视。

1　双相不锈钢概况

双相不锈钢根据成分特点可以分为两类，一类是Cr-Ni系双相不锈钢，主要特点是含有较高的铬和较低的镍；另一类是Cr-Mn-N双相不锈钢，其成分特点是含镍量低，且含有较高的氮成分（质量分数），见表1。

表1　两类双相不锈钢的化学成分/wt%

在众多的双相钢牌号中，目前工程上应用最多的有两种，即S31803/SAF2205和S32750/SAF2507。

近年来，国外双相不锈钢的产量在增长，大致占不锈钢总产量的1%～2%。中国的双相不锈钢产量也有较大的增长，2008年国内双相不锈钢的粗钢产量为16 867 t。

随着先进工艺装备的投产，中国双相不锈钢的规格品种也有了长足的进步。例如太钢的设备已可生产3 000 mm宽的中厚板、2 000 mm的热轧卷板和0.6 mm×1 500 mm的冷轧卷板。宝钢可生产4 000 mm宽的中厚板和1 600 mm的热轧卷板。

在双相不锈钢冶炼工艺技术方面也有很大的进展。太钢用AOD（氩氧脱碳工艺）炉冶炼含氮不锈钢，建立了氮合金化工艺模型，能够精确控制成品中的氮含量达±0.013 5%。另外，能够将成品中P、S含量控制在较低水平，为提高系列双相不锈钢产品的性能，尤其是含高氮双相不锈钢的性能提供了保证。

双相不锈钢的优势之一在于其优越的耐腐蚀性能，尤其是耐局部腐蚀性能，在镍价波动变化较大时，开发节镍经济型钢种，成为重点推广的产品，同时，由于它的高性价比，开发高牌号的钢种也已成为重要的发展方向之一。双相不锈钢的另一优势即具有相当于奥氏体不锈钢两倍的强度和良好的韧性，这恰恰成为近年来国外双相不锈钢的发展目标，它不仅可以用于传统的造纸和化工等加工领域中，而且利用它的高强度和良好的抗疲劳性能，也可以用于重要的公用工程，如桥梁和公路建设等［1］。

2　双相不锈钢应用

双相不锈钢比普通不锈钢的强度要高，双相不锈钢比奥氏体不锈钢的强度高一倍，所以使用双相不锈钢可以减轻质量、减少用量。在国外，结构领域中扩大双相不锈钢的使用已经成为一个亮点，特别是在桥梁和大的容器如造船和快艇等方面的应用。中国是发展中国家，有许多正在进行和潜在的建设项目及工业项目，所以在抗腐蚀的结构材料方面推广使用双相不锈钢具有重要的实际意义。目前，国际上双相不锈钢广泛应用于石油化工、运输、纸浆和造纸、建筑等几大领域（见表2）。国内由于起步较晚，在研究、生产和应用中相对落后。

2.1船舶海水淡化装置

芬兰的欧托昆普（Outokumpu）公司和瑞典的阿维斯塔（Avcsta）公司的Jan Olsson和Malin Snis提出了一种新型的不锈钢，可应用于膜法和蒸馏法的海水淡化装置中。这种双相不锈钢已经成功地运用在世界各地的海水淡化装置中，更多高级合金不锈钢将会是多级闪蒸（MSF）和多效低温（MED）装置不二的选择［2］。

2.2船用双相不锈钢板

首制船用双相不锈钢是由法国阿塞洛公司（Areclor Group，France）供货的，2003年续建第二艘同型船，所需1 200 t双相不锈钢则改由瑞典阿维斯塔公司供货，该厂还将续建6艘同型船。我国有电弧炉和中厚板轧机的合金钢企业，如山西太钢集团、上海宝钢集团浦钢公司等，它们也能供应船用双相不锈钢板。

高速水翼船的水翼，强度要求高，又长期浸泡在海水中，且有空泡腐蚀，双相不锈钢板是制造这类大型水翼的理想材料。

2.3船用锻件、轧制管材和铸件

双相不锈钢锻件和管材适用于要求耐腐蚀的高强度船体零件，包括船体、机械、受压容器和管系。具体适用于建造船体结构（如管系、舵轴、舵柱、舵梢以及首尾柱等）和传动轴系与机械结构（如尾轴、中间轴、齿轮、齿轮轴、连杆、尾管轴、套管轴、连轴器和螺旋桨轴等）；当使用温度适合时，还可用于涡轮机零件（如主轴、整体转子、叶轮、叶片和涡轮机驱动的电子转子以及空压机转子）等。

表2　双相不锈钢的主要应用领域及相关的装置设备

近年来，国外已开始研制和应用耐海水腐蚀的HDR双相不锈钢作为海水管系材料，国内对双相不锈钢的研究应用也已起步，船用铸件有海水蝶阀、船用螺旋桨［3］。

2.4运输业

化学品船的波壁状液货舱也是利用双相不锈钢的典范之一。2007年太钢首次将国产2205双相不锈钢提供于川东造船厂制造9 000 t级（使用2205双相不锈钢约600 t）、5 500 t级及3 750 t级化学品船的液货舱，至今已供16艘船用中板，并仍在陆续签订供货合同。

2.5建筑结构

近年来，世界上约有十余座桥梁采用了双相不锈钢，多数是步行桥。如英国的York桥和瑞典A-parte桥都采用2205钢。意大利的Rffolo桥用了经济型2101钢。双相不锈钢也开始用于公路桥，尤其是那些对氯化物诱导腐蚀敏感的结构，如纽约的Brooklyn大桥，用了Alloy 2205钢筋，该钢的高强度和较高的伸长率赋予了它优良的抗疲劳性能，寿命比普通钢筋高2倍以上。

我国香港的昂船洲大桥，使用约2 000 t的2205钢板制造桥塔的上部外表面结构，预计寿命可达120年，免于维修。香港至深圳跨海湾长3.2 km的高速公路通道大轿，约有1 250 t的2205和316用作高速路钢筋。

西班牙巴塞罗那使用了500 t、4 mm厚的2101钢建造了面粉储仓。美国将亚光表面加工的AL2003薄板，约1 500 t用于建造世界上最大的不锈钢屋顶（卡塔尔多哈国际机场屋顶），印度由Outokumpu公司提供的200 t表面电解抛光2101双相不锈钢板，制成φ25 mm、φ38 mm、φ50 mm 3种规格20 km长的焊管，用于孟买街道过街天桥的扶手。

2.6深海油田

深海管道缆首选材料应是超级和特超级双相不锈钢，但是由于价格和制造方面的问题，又开发出了镀锌的19D双相不锈钢（ZCLDSS），其管道缆的设计寿命为20年，目前已在推广应用。另外，经济型低镍AL2003钢于2006年应用于东马来西亚油田深度超过1 200 m的海底输油管线，还有加铜的Ferralium225一SD50双相不锈钢已成为7 000 m深海底放置设备和电缆的容器材料，而且被开发用作极精确的海底定位仪和可控深海声学释放应答器的压力外壳和承载部件 （7 000 m海深相当700大气压，约70 MPa）。瑞典 Sandvik新开发的 SAF2906和SAF3207特超级双相不锈钢更具有超高强度和耐蚀性。

2.7能源与环保工业

烟气脱硫（FGD）系统是用来消除燃煤电厂烟气中的SO2，以减少向大气中排放的数量，防止酸雨。加拿大Coleson Cove电厂是北美第—个在吸收塔的顶部采用360 t 2205双相不锈钢的。中国大多数是燃煤电厂，大量的FGD系统上马，必将开辟双相不锈钢新的市场。

2.8双相不锈钢在热交换器中的应用

如加氢脱硫厂的水/介质热交换器、油田和油井口的输送管道、生产纯碱用海水热交换器、盘管式热交换器、列管式热交换器、炼油厂海水热交换器等。

2.9纸浆和造纸工业

纸浆和造纸工业是最早使用双相不锈钢的加工工业，许多钢种都是根据这些工业的需要而发展起来的。在纸浆和造纸业领域，国内的硫酸盐蒸煮法仍多采用低碳钢制造的蒸煮锅，而国外早已普及使用双相不锈钢的蒸煮和漂白等设备，目前国内也有引进，但数量极少。此时，既耐腐蚀、强度又高的双相不锈钢就成了较理想的选择。

2.10石油化学和化肥工业

1972年瑞典的医药工业为了解决蒸馏塔中的应力、腐蚀、破裂问题，采用3RE60型双相不锈钢制造了两台蒸馏塔（当时2205还处在发展阶段）。双相不锈钢的高强度特点在制造各种储槽、运输罐和反应釜器时，能更好地体现出来。双相不锈钢在尿素和磷肥工业中的应用在近几年中也得到了很大的发展，据统计，化肥生产设备中的一个冷凝器，如用双相不锈钢制造，费用可降低到1/3左右，可见双相不锈钢在节省投资方面有着很大的优势。

2.11食品和轻工工业

食品和饮料生产装置中含氯离子水的换热设备使用较多，在这样的环境里，加工设备很容易出现应力腐蚀破裂。啤酒厂的热水槽和加热器，因介质温度在100℃左右，同时又含有约0.01%的氯离子。在这类设备中，20世纪70年代初期用3RE60型双相不锈钢，20世纪80年代初以2205为主，22%铬型双相不锈钢来代替，20世纪 90年代初又开始用SAF2304型双相不锈钢。在选用不同双相不锈钢时，以SAF2304最为便宜，而2205可用于氯离子浓度大于0.05%的溶液中。

2.12炼油工业

炼油工业是最早使用国产双相不锈钢的部门，在南京、镇海、天津、济南等炼化公司，多集中用在常减压蒸馏塔的塔顶衬里（或复合板）、塔内构件、空冷器和水冷器等，最长的已使用20年。镇海炼化公司是我国最大的炼油基地，年加工能力为1 600万t，冷凝冷却系统中多套设备使用双相不锈钢。

近期，针对特殊用途开发的用于Stamicarbon尿素汽提塔的含29%Cr、0.4%Ni的新钢种。为处理氯化物食品槽，日本也开发了含更高2%W的NAR. DP.3W钢，以及更好的抗蚀性、更高的力学性能及成型性和焊接性的DP28WTM钢。

利用双相不锈钢的高屈服强度将其作为结构件，用在油气井的仪表管路、上钻井架的张拉系统、潜水器、锚的支撑板、海上或陆上运输的驳船和槽车等设备上，可以开拓出双相不锈钢值得重视的新用途。同时双相不锈钢在环保节能等方面将有更大的应用前景。

综上所述，国内双相不锈钢在纸浆和造纸工业、油气工业、运输业、甚至建筑业几个大的领域涉及得不多，有的还只是刚刚开始。根据国情，利用双相不锈钢的性能优势，今后除继续扩大在化工和石化等领域的应用外，结合纸浆和造纸工业的技术改造需要，开发在这一领域中的应用；至于油气管线目前很难推广，双相不锈钢的价格太高了，但是制造有关油气田需要的耐氯离子和硫化氢的装置，像集气管线和换热设备等还是可以采用双相不锈钢，甚至超级双相不锈钢。海上运输业的发展，化学品船制造业方兴未艾，需要大量大张的钢板，这一缺口有待填平补齐。至于在建筑业方面的应用，至今还完全未涉及，其实滨海的城市雕塑景观和开发2304钢用于民用热水器方面完全可代替304和316奥氏体不锈钢。

3　发展建议

近年来，随着Ni价的不断上涨和大幅波动，双相不锈钢呈现出两头发展的趋势。其一，充分发挥双相不锈钢资源节约的优势，发展以2101等经济型双相不锈钢，其发展方向为代替传统的300系列奥氏体不锈钢，其设计思想以Mn、N元素代替Ni、Mo等贵金属。其二，充分发挥双相不锈钢高强度、良好耐腐蚀性能的特点，发展以2507和2906为代表的超级双相不锈钢，以部分代替超级奥氏体不锈钢904L、254Mo等［5］。

新型稀土双相不锈钢SG52已取得较大进展，该钢以稀土改性，并以氮代镍，经济有效，在冶金和石化等行业具有广阔的生产与应用前景。为促进我国双相不锈钢的发展，建议如下。

①利用多种宣传手段，加大宣传力度。

②重点发展需要量大、用途广、工艺较成熟的牌号，例如2205、2304等常规钢号。积极推广经济型不锈钢，如2101钢的生产和应用。进一步研发生产特超级双相不锈钢，满足更高耐蚀性、更高强度、更高温度应用的需求。在用途上，除继续发展在水处理工业、石化、制盐、化学品船等领域的用途外，还需要扩大在油气、环保、海水淡化、海洋工程、建筑结构，以及制造业的换热器、容器、储罐等工业用途的发展，开发潜在巨大的民用市场。

③当前国内主要产品是采用4辊轧机单张生产的中厚板，为提高效率，多用连轧和炉卷轧机生产热轧卷板（剪切板）。扩大应用的关键需加快试制和供应薄规格的冷轧双相不锈钢卷板，还应加速生产和开发管材、长材，以及铸、锻件、焊材等配套产品。

④为适应双相不锈钢日渐广泛的推广应用，国内应加强对双相不锈钢焊接技术的普及和配套焊接材料的研制。

⑤组织生产企业与使用单位上下游结合及产学研的联合攻关，加强国内外技术的交流，推进双相不锈钢生产技术的发展。

4　结束语

从双相不锈钢国内外发展情况可以看出，双相不锈钢是一种资源节约型的高性能的不锈钢产品，它的生产和应用符合不锈钢未来发展的方向。同时，双相不锈钢又是一种高技术、高附加值的产品，它的开发和生产不仅体现了不锈钢生产企业的技术水平，同时也可为企业创造更多的经济效益。可以预料，双相不锈钢的使用比例在今后会进一步扩大，双相不锈钢的发展有着光明的前景。

［1］吴玖，刘尔华.国内外双相不锈钢材料和应用的发展［J］.不锈，2010（1）：1-8.

［2］ 李杭宇，王晓娟，宋保维.船舶海水淡化装置的研究现状与发展［J］，船舶工程，2008，30（3）：1-4.

［3］ 陈国虞，周金鸿.高速船用高强度双相不锈钢［J］.热处理，2006（4）：12-6.

［4］ 何天荣.双相不锈钢及其特殊性能与应用［J］.南方金属，2005（1）：1-3.

［5］ 武英杰，申鹏，颜海涛.双相不锈钢的国内外研究进展［J］.科技创新导报，2010（28）：41.

Duplex stainless steel has double strength compared with austenitic stainless steel，so the use of duplex stainless steel can reduce its weight and volume.Currently，the main application areas are sea water desalting plant in marine，marine type duplex stainless steel，marine forgings，rolled pipes and castings，transportation，building structure，deepwater oil field，energy and environmental protection industry，heat exchangers，pulp and paper industry，petrochemistry and fertilizer industry，food and light industry，petroleum refining industry etc.It is expected that the proportion of duplexstainless steel in use will be further expanded in the future；the development of duplex stainless steel has a bright future.With a summary of several aspects involving the general situation of duplex stainless steel，its applications and development proposals，we hope to provide a understanding on the latest progress of duplexstainless steel applications both at home and abroad.

双相不锈钢；应用；进展

Duplex Stainless Steel；Application；Progress

TG142

B

1672-0555（2015）03-062-05

2015年5月

张文毓（1968年-），女，高级工程师，主要从事情报研究工作