我國高端不銹鋼管制造技術

在當前鋼鐵行業高質量發展、鋼鐵行業綠色低碳發展的新時期，不銹鋼以其高耐蝕、長壽命、壽命周期成本低、100%回收利用等優點，成為最具發展潛力的鋼鐵產品。核電軍工化工等工業用材國產化進程的加快，建筑工程、供水領域等民用市場的拓展都預示著不銹鋼管應用前景廣闊，用戶對產品的需求不斷走向高端化——高、精、特、快、專、省，同時也將促進高端不銹鋼管制造技術不斷創新和進步，支撐不銹鋼管行業向綠色化、智能化、高質化、服務化方向發展。

在“2021（第二屆）中國不銹鋼管高峰論壇”上，王國棟院士發布了東北大學2011鋼鐵共性技術協同創新中心姜周華教授團隊的高端不銹鋼管制造技術研究成果，本文根據大會報告整理。

1.當前我國不銹鋼發展現狀

據中國特鋼企業協會不銹鋼分會數據，2020年我國不銹鋼粗鋼產量為3013.9萬噸，增長了2.51%，其中：Cr-Ni鋼（300系）1437.96萬噸，占比47.71%；Cr鋼（400系）592.50萬噸，占比19.66%；Cr-Mn鋼（200系）964.32萬噸，占比32.007%。進口不銹鋼為180.59萬噸，同比增加68.62萬噸，增長61.33%；出口不銹鋼為341.69萬噸，同比減少25.54萬噸，降低了6.95%。不銹鋼表觀消費量為2560.79萬噸，增長6.64%。

2.高端不銹鋼管產品

2.1高氮不銹鋼

高氮鋼是近年來出現的一種新型工程材料，是材料中的實際氮含量超過常壓下（0.1MPa）制備材料所能達到的極限值的鋼。其中，高氮奧氏體不銹鋼的氮含量在0.40%以上，高氮鐵素鐵、馬氏體不銹鋼的氮含量均大于0.08%。采用氮做合金元素，不僅可以穩定奧氏體組織，提高強度，使韌性無顯著下降，而且還可以提高耐腐蝕性能。

目前，高氮不銹鋼成為主要研究熱點，尤其是高氮奧氏體不銹鋼。比如用P900（18Cr-18Mn-0.6N）制成的護環，具有高的屈服強度和塑性，良好的耐腐蝕性能特別是耐應力腐蝕，低的導磁性能。高端無磁鉆鋌，具有低磁導率、高強度的機械性能、優越的耐腐蝕能力、耐晶間腐蝕開裂性能及優越的耐磨性能。

2.2雙相不銹鋼

雙相不銹鋼主要由鐵素體和奧氏體相組成，是一類集優良耐腐蝕、高強度和易于加工等諸多優異性能于一身的鋼種。物理性能介于奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼之間。具有優異的耐氯化物應力腐蝕和耐孔蝕性能；良好的腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能；綜合力學性能優異，有較高的強度和疲勞強度；良好的焊接性能；材料成型性能優良，廣泛應用于造船及運輸、石油和化工等領域。

雙相不銹鋼典型品種：第一類屬低合金型，代表牌號UNS S32304（23Cr-4Ni-0.1N），鋼中不含鉬，PREN值為24-26，在耐應力腐蝕方面可代替AISI304或316使用。第二類屬中合金型，代表牌號是UNS S31803（22Cr-5Ni-3Mo-0.15N，即2205），PREN值為32-35，其耐蝕性能介于AISI316L和6%Mo+N奧氏體之間。第三類屬高合金型，一般含25%Cr，還含有鉬和氮，有的還含有銅和鎢，標準牌號UNS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值為37-39，這類鋼的耐蝕性能高于22%Cr的雙相不銹鋼。第四類屬超級雙相不銹鋼型，含高鉬和氮，標準牌號UNS S32750（25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N，即2507），有的也含鎢和銅，PREN值大于40，可適用于苛刻的介質條件，具有良好的耐蝕與力學綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼相媲美。

雙相不銹鋼品種發展趨勢是經濟型，超級和特超級。其中，LDX 2101(UNS S32101)為經濟型最成功的低鎳高氮雙相不銹鋼，具有高強度和良好耐氯化物應力腐蝕開裂性能，現已廣泛用于造紙工業設備、食品加工設備、海上石油平臺、脫鹽(海水淡化)設備等特殊化工環境設備。SAF 3207 HD 抗拉強度極高，980-1180 MPa，PREN為50，臨界點腐蝕（CPT）為90℃，可在更深的水下、更高的溫度和壓力環境下開采油、氣田，是用于深水項目的理想材料。DP-3W高耐蝕超級雙相不銹鋼板主要用于食品工業中制鹽、醬油釀造含有高氯化物的生產設備，以及海底石油開采的泵等氯離子腐蝕嚴重的環境。

2.3超級奧氏體不銹鋼

超級奧氏體不銹鋼是一種特種不銹鋼，與普通奧氏體不銹鋼相比，Ni、Cr、Mo、N等合金元素含量均高于一般值，特別是Mo，可達4.5%～7%。其特點主要是：1）高合金化，主要是鉻、鉬、氮，尤其是鉬，含量顯著高于常規不銹鋼；2）高純化，尤其是C含量；3）高性能，具有高的耐局部腐蝕性能，抗應力腐蝕開裂性能。金相組織是100%的奧氏體。但由于鉻和鉬含量均較高, 處理不好 會出現金屬中間相, 如sigma相。

超級奧氏體不銹鋼主要用于制造海水處理設備、濕法煙氣脫硫吸收塔、煙氣凈化設備、熱交換機、制藥工業、造紙工業中的漂白設備等。

2.4特種不銹鋼

特種不銹鋼產品主要應用于耐蝕塑料模具（如4Cr13、 4Cr13Mo、 4Cr13MoN）；能源領域（核電、火電、水電）的核電主管道、高壓鍋爐管、葉片、護環、水輪機導葉和葉片；油氣開采（如超級13Cr、15Cr、雙相不銹鋼）；石油化工的高溫、耐蝕部件（管道、閥門）；海洋工程（海水淡化、深海采油、建筑）（如超級雙相不銹鋼、超級奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼鋼筋）；航空領域（如高強不銹軸承鋼（CSS-42L、X30CrMoN152），高強緊固件PH13-8Mo,15-5PH）；環保領域（如煙氣脫硫用超級不銹鋼NAS 254N、 NAS 354N）。

此外，還有熱核聚變實驗堆用不銹鋼材料、核電用不銹鋼材料——主管道、航空用超高強度不銹鋼等。

3高端不銹鋼冶煉技術

3.1高端不銹鋼冶煉技術——電渣重熔

電渣重熔生產的高端精品特鋼，占我國特種冶金總產量90%以上。電渣重熔是生產高端特殊鋼和合金的主要方法。它是在水冷結晶器中，通過渣阻熱，將自耗電極重新熔化和精煉，順序凝固成鋼錠的特種冶金方法。具有渣洗精煉、順序凝固、鑄錠無大型夾雜物、宏觀和微觀偏析小，成分和組織均勻等顯著特點。適用于生產服役條件苛刻（高溫、高壓、高速、重載、腐蝕）、凝固時偏析嚴重的大型鋼錠，極易偏析和析出脆性相的高合金鑄錠。模鑄和連鑄（大夾雜物和偏析）無法替代。

傳統電渣重熔存在電耗高、污染嚴重、成本高、潔凈度低、凝固質量差、優質大錠缺等問題，亟需開發新一代電渣重熔技術，來滿足高端裝備升級、服役條件苛刻、性能要求極高、機組參數升級的需求。

東北大學鋼鐵共性技術創新中心創新采用全參數過程穩定的潔凈化理論(Constant State of all Parameters, 簡稱CSP)，實現低滲透率渣，全密閉惰性氣保，渣溫和成分、熔池、渣鋼氧化性恒定；創新采用超快冷和最佳熔速下的淺平熔池均質化控制理論（Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool，簡稱SCOM-SP)，在兼顧表面成形質量的同時，最大限度地降低LST（局部凝固時間），減少鋼錠的宏觀和微觀偏析，實現電渣過程的均質化凝固。創新開發半連續電渣重熔實心和空心鋼錠成套技術及裝備，與傳統電渣重熔流程對比，創新流程減少了工序、提高了質量、降低了成本，實現了生產的連續化、高效化、低成本化；創新流程生產的半連續實心鋼錠的材料收得率提高10%，生產效率提高60%，成本降低15%-20%；半連續空心鋼錠的質量大幅提高，材料收得率提高10%，生產效率提高60%，成本降低30%-60%。該技術被中國鋼鐵工業協會專家組評價為總體技術達到國際領先水平。

寶武特冶提供的CRP1000及CAP1400核電及700℃示范電站用關鍵材料，為首次探月工程嫦娥衛星和長征三號甲運載火箭、神舟六號載人航天和運載火箭作出貢獻。舞鋼生產的20MnNiMo電渣型鋼板，用于8萬噸模壓機支撐件，最大厚度達390mm；SXQ500D等水電鋼板，最大厚度達305mm，滿足白鶴灘和烏東德水電站關鍵部件要求，填補國內空白，替代進口，進口價格從6萬元/t降至2萬元/t。通裕重工生產的百噸級大型電渣鋼成為世界首臺AP1000核電主管道關鍵材料，填補了國際空白，并出口國外；為我國福建霞浦第四代核電示范工程提供特厚電渣鋼板，實現了第四代核電用鋼的國產化。大冶特鋼已成為全球頂級軸承制造企業(SKF、FAG、TIMKEN等)電渣材料供應商。其供應份額占我國準高速鐵路(160km/h)軸承材料供應60%以上。中鋼邢機的電渣冷軋輥在板帶市場國內占有率達70%，出口世界50多個國家。

3.2高端不銹鋼冶煉技術——加壓冶金

加壓不僅可以強化冶金過程，即提高元素溶解度、改善熱力學條件、改善動力學條件，而且還可以改善凝固組織，即改變凝固過程相變、強化冷卻效果、縮短局部凝固時間。

加壓電渣重熔（PESR）是目前商業上生產高氮鋼的有效方法。目前典型的合金化方式有兩種：設有合金添加裝置（德國）、制造復合電極（日本）。德國最大加壓電渣爐為20t，熔煉室運行壓力4.2MPa，最大生產鑄錠直徑1m重20t。

為促進遼寧航空和新材料等產業發展，東北大學鋼鐵共性技術創新中心與撫順特鋼、601（沈陽飛機設計研究所）、606（沈陽發動機研究所）、410（黎明）、112（沈飛），遼寧忠旺等達成了合作意向，2023-2024年將在沈撫示范區以10噸級工業化設備（10噸加壓鋼包爐、10噸加壓電渣爐）實現高氮不銹軸承鋼（X30-NEU）產業化，并將產品拓展到高端模具、醫療器械、軍用刀具等領域。

3.3特種合金冶煉技術

對于難變形高溫合金GH4151鑄錠冶金質量控制技術，東北大學鋼鐵共性技術創新中心從鑄錠組織分析、合金凝固行為、合金偏析特征、裂紋形成機制、均勻化工藝研究等方面進行研究，制定了鑄錠質量控制準則，經過擠壓開坯、近等溫鍛造成形和最終熱處理，最終對盤件的組織、γ'相和力學性能進行評估。通過控制GH4151合金鑄錠冶金質量，制備的GH4151盤件具有優異的拉伸性能、持久性能和疲勞性能等力學性能，均超過了發動機設計廠家提供的技術指標要求。與其他盤件合金相比，GH4151合金的拉伸、持久性能與國外典型變形和粉末盤水平相當；超過了國內變形盤合金和粉末高溫合金的拉伸性能和持久性能等力學性能；GH4151合金疲勞性能超過了國內粉末高溫合金的性能。盤件性能的優越驗證了錠型尺寸控制、熱裝退火、裂紋控制、均勻化工藝、元素偏析控制、γ’相組織控制的正確性與合理性。下一步將在沈撫新區工研院進行中試和產業轉化。