在當(dāng)前鋼鐵行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、鋼鐵行業(yè)綠色低碳發(fā)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(yōu)點，成為Z具發(fā)展?jié)摿Φ匿撹F產(chǎn)品。核電軍工化工等工業(yè)用材國產(chǎn)化進程的加快，建筑工程、供水領(lǐng)域等民用市場的拓展都預(yù)示著不銹鋼管應(yīng)用前景廣闊，用戶對產(chǎn)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(shù)不斷創(chuàng)新和進步，支撐不銹鋼管行業(yè)向綠色化、智能化、高質(zhì)化、服務(wù)化方向發(fā)展。

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

1　當(dāng)前我國不銹鋼發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)中國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會數(shù)據(jù)，2020年我國不銹鋼粗鋼產(chǎn)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(chǎn)品

2.1高氮不銹鋼

高氮鋼是近年來出現(xiàn)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(wěn)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(huán)，具有高的屈服強度和塑性，良好的耐腐蝕性能特別是耐應(yīng)力腐蝕，低的導(dǎo)磁性能。高端無磁鉆鋌，具有低磁導(dǎo)率、高強度的機械性能、優(yōu)越的耐腐蝕能力、耐晶間腐蝕開裂性能及優(yōu)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(yōu)良耐腐蝕、高強度和易于加工等諸多優(yōu)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(yōu)異的耐氯化物應(yīng)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(xué)性能優(yōu)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(yōu)良，廣泛應(yīng)用于造船及運輸、石油和化工等領(lǐng)域。

雙相不銹鋼典型品種：

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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)條件，具有良好的耐蝕與力學(xué)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(fā)展趨勢是經(jīng)濟型，超級和特超級。其中，LDX 2101(UNS S32101)為經(jīng)濟型Z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(yīng)力腐蝕開裂性能，現(xiàn)已廣泛用于造紙工業(yè)設(shè)備、食品加工設(shè)備、海上石油平臺、脫鹽(海水淡化)設(shè)備等特殊化工環(huán)境設(shè)備。SAF 3207HD抗拉強度極高，980-1180MPa，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(huán)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(yè)中制鹽、醬油釀造含有高氯化物的生產(chǎn)設(shè)備，以及海底石油開采的泵等氯離子腐蝕嚴(yán)重的環(huán)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(guī)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(yīng)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(xiàn)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(shè)備、濕法煙氣脫硫吸收塔、煙氣凈化設(shè)備、熱交換機、制藥?業(yè)、造紙工業(yè)中的漂白設(shè)備等。

2.4特種不銹鋼

特種不銹鋼產(chǎn)品主要應(yīng)用于耐蝕塑料模具（如4Cr13、4Cr13Mo、 4Cr13MoN）；能源領(lǐng)域（核電、火電、水電）的核電主管道、高壓鍋爐管、葉片、護環(huán)、水輪機導(dǎo)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(lǐng)域（如高強不銹軸承鋼（CSS-42L、X30CrMoN152），高強緊固件PH13-8Mo，15-5PH）；環(huán)保領(lǐng)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(shù)

3.1高端不銹鋼冶煉技術(shù)——電渣重熔

電渣重熔生產(chǎn)的高端精品特鋼，占我國特種冶金總產(chǎn)量90%以上。電渣重熔是生產(chǎn)高端特殊鋼和合金的主要方法。它是在水冷結(jié)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(chǎn)服役條件苛刻（高溫、高壓、高速、重載、腐蝕）、凝固時偏析嚴(yán)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(tǒng)電渣重熔存在電耗高、污染嚴(yán)重、成本高、潔凈度低、凝固質(zhì)量差、優(yōu)質(zhì)大錠缺等問題，亟需開發(fā)新一代電渣重熔技術(shù)，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(shù)升級的需求。

東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng)新中心創(chuàng)新采用全參數(shù)過程穩(wěn)定的潔凈化理論(Constant State of all Parameters，簡稱CSP)，實現(xiàn)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(chuàng)新采用超快冷和Z佳熔速下的淺平熔池均質(zhì)化控制理論（Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool，簡稱SCOM-SP)，在兼顧表面成形質(zhì)量的同時，Z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(xiàn)電渣過程的均質(zhì)化凝固。

創(chuàng)新開發(fā)半連續(xù)電渣重熔實心和空心鋼錠成套技術(shù)及裝備，與傳統(tǒng)電渣重熔流程對比，創(chuàng)新流程減少了工序、提高了質(zhì)量、降低了成本，實現(xiàn)了生產(chǎn)的連續(xù)化、高效化、低成本化；創(chuàng)新流程生產(chǎn)的半連續(xù)實心鋼錠的材料收得率提高10%，生產(chǎn)效率提高60%，成本降低15%-20%；半連續(xù)空心鋼錠的質(zhì)量大幅提高，材料收得率提高10%，生產(chǎn)效率提高60%，成本降低30%-60%。該技術(shù)被中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會專家組評價為總體技術(shù)達到領(lǐng)先水平。

寶武特冶提供的CRP1000及CAP1400核電及700℃示范電站用關(guān)鍵材料，為首次探月工程嫦娥衛(wèi)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(chǎn)的20MnNiMo電渣型鋼板，用于8萬噸模壓機支撐件，Z大厚度達390mm；SXQ500D等水電鋼板，Z大厚度達305mm，滿足白鶴灘和烏東德水電站關(guān)鍵部件要求，填補國內(nèi)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(chǎn)的百噸級大型電渣鋼成為世界首臺AP1000核電主管道關(guān)鍵材料，填補了空白，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(xiàn)了第四代核電用鋼的國產(chǎn)化。大冶特鋼已成為全球頂級軸承制造企業(yè)(SKF、FAG、TIMKEN等)電渣材料供應(yīng)商。其供應(yīng)份額占我國準(zhǔn)高速鐵路(160km/h)軸承材料供應(yīng)60%以上。中鋼邢機的電渣冷軋輥在板帶市場國內(nèi)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(shù)——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(xué)條件、改善動力學(xué)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(yè)上生產(chǎn)高氮鋼的有效方法。目前典型的合金化方式有兩種：設(shè)有合金添加裝置（德國）、制造復(fù)合電極（日本）。德國Z大加壓電渣爐為20t，熔煉室運行壓力4.2MPa，Z大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重20t。

為促進遼寧航空和新材料等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng)新中心與撫順特鋼、601（沈陽飛機設(shè)計研究所）、606（沈陽發(fā)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(qū)以10噸級工業(yè)化設(shè)備（10噸加壓鋼包爐、10噸加壓電渣爐）實現(xiàn)高氮不銹軸承鋼（X30-NEU）產(chǎn)業(yè)化，并將產(chǎn)品拓展到高端模具、醫(yī)療器械、軍用刀具等領(lǐng)域。

3.3特種合金冶煉技術(shù)

對于難變形高溫合金GH4151鑄錠冶金質(zhì)量控制技術(shù)，東北大學(xué)鋼鐵共性技術(shù)創(chuàng)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(zhì)量控制準(zhǔn)則，經(jīng)過擠壓開坯、近等溫鍛造成形和Z終熱處理，Z終對盤件的組織、γ'相和力學(xué)性能進行評估。

通過控制GH4151合金鑄錠冶金質(zhì)量，制備的GH4151盤件具有優(yōu)異的拉伸性能、持久性能和疲勞性能等力學(xué)性能，均超過了發(fā)動機設(shè)計廠家提供的技術(shù)指標(biāo)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(dāng)；超過了國內(nèi)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(xué)性能；GH4151合金疲勞性能超過了國內(nèi)粉末高溫合金的性能。

盤件性能的優(yōu)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(qū)工研院進行中試和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

（來源：世界金屬導(dǎo)報）