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(shí)期，不銹鋼以其高耐蝕、長(zhǎng)壽命、壽命周期成本低、100%回收利用等優(yōu)點(diǎn)，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(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快，建筑工程、供水領(lǐng)域等民用市場(chǎng)的拓展都預(yù)示著不銹鋼管應(yīng)用前景廣闊，用戶對(duì)產(chǎn)品的需求不斷走向高端化——高、精、特、快、專(zhuān)、省，同時(shí)也將促進(jìn)高端不銹鋼管制造技術(shù)不斷創(chuàng)新和進(jìn)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(guó)不銹鋼管高峰論壇”上，王國(guó)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(tuán)隊(duì)的高端不銹鋼管制造技術(shù)研究成果，本文根據(jù)大會(huì)報(bào)告整理。

1　當(dāng)前我國(guó)不銹鋼發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)中國(guó)特鋼企業(yè)協(xié)會(huì)不銹鋼分會(huì)數(shù)據(jù)，2020年我國(guó)不銹鋼粗鋼產(chǎn)量為3013.9萬(wàn)噸，增長(zhǎng)了2.51%，其中：Cr-Ni鋼（300系）1437.96萬(wàn)噸，占比47.71%；Cr鋼（400系）592.50萬(wàn)噸，占比19.66%；Cr-Mn鋼（200系）964.32萬(wàn)噸，占比32.007%。進(jìn)口不銹鋼為180.59萬(wàn)噸，同比增加68.62萬(wàn)噸，增長(zhǎng)61.33%；出口不銹鋼為341.69萬(wàn)噸，同比減少25.54萬(wàn)噸，降低了6.95%。不銹鋼表觀消費(fèi)量為2560.79萬(wàn)噸，增長(zhǎng)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(lái)出現(xiàn)的一種新型工程材料，是材料中的實(shí)際氮含量超過(guò)常壓下（0.1MPa）制備材料所能達(dá)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(qiáng)度，使韌性無(wú)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(diǎn)，尤其是高氮奧氏體不銹鋼。比如用P900（18Cr-18Mn-0.6N）制成的護(hù)環(huán)，具有高的屈服強(qiáng)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(wú)磁鉆鋌，具有低磁導(dǎo)率、高強(qiáng)度的機(jī)械性能、優(yōu)越的耐腐蝕能力、耐晶間腐蝕開(kāi)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(lèi)集優(yōu)良耐腐蝕、高強(qiáng)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(qiáng)度和疲勞強(qiáng)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(yùn)輸、石油和化工等領(lǐng)域。

雙相不銹鋼典型品種：

類(lèi)屬低合金型，代表牌號(hào)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(lèi)屬中合金型，代表牌號(hào)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(lèi)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(hào)UNS32550（25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N），PREN值為37-39，這類(lèi)鋼的耐蝕性能高于22%Cr的雙相不銹鋼。

第四類(lèi)屬超級(jí)雙相不銹鋼型，含高鉬和氮，標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)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(jí)奧氏體不銹鋼相媲美。

雙相不銹鋼品種發(fā)展趨勢(shì)是經(jīng)濟(jì)型，超級(jí)和特超級(jí)。其中，LDX 2101(UNS S32101)為經(jīng)濟(jì)型Z成功的低鎳高氮雙相不銹鋼，具有高強(qiáng)度和良好耐氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)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(tái)、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(qiáng)度極高，980-1180MPa，PREN為50，臨界點(diǎn)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(kāi)采油、氣田，是用于深水項(xiàng)目的理想材料。DP-3W高耐蝕超級(jí)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(kāi)采的泵等氯離子腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境。

2.3超級(jí)奧氏體不銹鋼

超級(jí)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(dá)4.5%～7%。其特點(diǎn)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(kāi)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(huì)出現(xiàn)金屬中間相，如sigma相。

超級(jí)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(jī)、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(hù)環(huán)、水輪機(jī)導(dǎo)葉和葉片；油氣開(kāi)采（如超級(jí)13Cr、15Cr、雙相不銹鋼）；石油化工的高溫、耐蝕部件（管道、閥門(mén)）；海洋工程（海水淡化、深海采油、建筑）（如超級(jí)雙相不銹鋼、超級(jí)奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼鋼筋）；航空領(lǐng)域（如高強(qiáng)不銹軸承鋼（CSS-42L、X30CrMoN152），高強(qiáng)緊固件PH13-8Mo，15-5PH）；環(huán)保領(lǐng)域（如煙氣脫硫用超級(jí)不銹鋼NAS 254N、 NAS 354N）。

此外，還有熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆用不銹鋼材料、核電用不銹鋼材料——主管道、航空用超高強(qiáng)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(guó)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(guò)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(wú)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(diǎn)。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(shí)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(wú)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(wèn)題，亟需開(kāi)發(fā)新一代電渣重熔技術(shù)，來(lái)滿足高端裝備升級(jí)、服役條件苛刻、性能要求極高、機(jī)組參數(shù)升級(jí)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(guò)程穩(wěn)定的潔凈化理論(Constant State of all Parameters，簡(jiǎn)稱(chēng)CSP)，實(shí)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(jiǎn)稱(chēng)SCOM-SP)，在兼顧表面成形質(zhì)量的同時(shí)，Z大限度地降低LST（局部凝固時(shí)間），減少鋼錠的宏觀和微觀偏析，實(shí)現(xiàn)電渣過(guò)程的均質(zhì)化凝固。

創(chuàng)新開(kāi)發(fā)半連續(xù)電渣重熔實(shí)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(duì)比，創(chuàng)新流程減少了工序、提高了質(zhì)量、降低了成本，實(shí)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(shí)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(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)專(zhuān)家組評(píng)價(jià)為總體技術(shù)達(dá)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(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭、神舟六號(hào)載人航天和運(yùn)載火箭作出貢獻(xiàn)。舞鋼生產(chǎn)的20MnNiMo電渣型鋼板，用于8萬(wàn)噸模壓機(jī)支撐件，Z大厚度達(dá)390mm；SXQ500D等水電鋼板，Z大厚度達(dá)305mm，滿足白鶴灘和烏東德水電站關(guān)鍵部件要求，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，替代進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格從6萬(wàn)元/t降至2萬(wàn)元/t。

通裕重工生產(chǎn)的百?lài)嵓?jí)大型電渣鋼成為世界首臺(tái)AP1000核電主管道關(guān)鍵材料，填補(bǔ)了空白，并出口國(guó)外；為我國(guó)福建霞浦第四代核電示范工程提供特厚電渣鋼板，實(shí)現(xiàn)了第四代核電用鋼的國(guó)產(chǎn)化。大冶特鋼已成為全球頂級(jí)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(guó)準(zhǔn)高速鐵路(160km/h)軸承材料供應(yīng)60%以上。中鋼邢機(jī)的電渣冷軋輥在板帶市場(chǎng)國(guó)內(nèi)占有率達(dá)70%，出口世界50多個(gè)國(guó)家。

3.2高端不銹鋼冶煉技術(shù)——加壓冶金

加壓不僅可以強(qiáng)化冶金過(guò)程，即提高元素溶解度、改善熱力學(xué)條件、改善動(dòng)力學(xué)條件，而且還可以改善凝固組織，即改變凝固過(guò)程相變、強(qiáng)化冷卻效果、縮短局部凝固時(shí)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(guó)）、制造復(fù)合電極（日本）。德國(guó)Z大加壓電渣爐為20t，熔煉室運(yùn)行壓力4.2MPa，Z大生產(chǎn)鑄錠直徑1m重20t。

為促進(jìn)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(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所）、606（沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所）、410（黎明）、112（沈飛），遼寧忠旺等達(dá)成了合作意向，2023-2024年將在沈撫示范區(qū)以10噸級(jí)工業(yè)化設(shè)備（10噸加壓鋼包爐、10噸加壓電渣爐）實(shí)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(duì)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(jī)制、均勻化工藝研究等方面進(jìn)行研究，制定了鑄錠質(zhì)量控制準(zhǔn)則，經(jīng)過(guò)擠壓開(kāi)坯、近等溫鍛造成形和Z終熱處理，Z終對(duì)盤(pán)件的組織、γ'相和力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估。

通過(guò)控制GH4151合金鑄錠冶金質(zhì)量，制備的GH4151盤(pán)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(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)要求。與其他盤(pán)件合金相比，GH4151合金的拉伸、持久性能與國(guó)外典型變形和粉末盤(pán)水平相當(dāng)；超過(guò)了國(guó)內(nèi)變形盤(pán)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(guò)了國(guó)內(nèi)粉末高溫合金的性能。

盤(pán)件性能的優(yōu)越驗(yàn)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(jìn)行中試和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

（來(lái)源：世界金屬導(dǎo)報(bào)）