當前，在鋼鐵工業(yè)高質量發(fā)展、鋼鐵工業(yè)綠色低碳發(fā)展的新時代，不銹鋼管件以其高耐蝕性、長壽命、低生命周期成本、100%回收利用等優(yōu)勢，成為最具潛力的鋼鐵產(chǎn)品。核電、軍工、化工等工業(yè)材料國產(chǎn)化進程的加快，建筑工程、供水等民用市場的擴大，都表明不銹鋼管具有廣闊的應用前景，用戶對產(chǎn)品的需求正不斷向高端、高精度、特殊、快速、專業(yè)化、經(jīng)濟型方向發(fā)展。同時，也將推動高端不銹鋼管制造技術的不斷創(chuàng)新和進步，支撐不銹鋼管行業(yè)向綠色、智能、優(yōu)質、服務方向發(fā)展。
在“2021(第二屆)中國不銹鋼管高峰論壇”上，王國棟院士介紹了中國不銹鋼的發(fā)展現(xiàn)狀，以及高端不銹鋼管的典型產(chǎn)品和最新制造技術。這篇論文是根據(jù)會議報告整理的。
我國特鋼企業(yè)協(xié)會不銹鋼分會數(shù)據(jù)顯示，2020年，我國粗不銹鋼產(chǎn)量3013.9萬噸，增長2.51%，其中：鉻鎳鋼(300系)1437.96萬噸，占比47.71%；Cr (400系列)592.5萬噸，占比19.66%；鉻錳鋼(200系列)964.32萬噸，占比32.007%。進口不銹鋼180.59萬噸，同比增加68.62萬噸，增長61.33%；不銹鋼出口341.69萬噸，同比減少25.54萬噸，下降6.95%。不銹鋼表觀消費量為2560.79萬噸，同比增長6.64%。
高氮鋼是近年來出現(xiàn)的一種新型工程材料，材料中的實際氮含量超過了該材料在常壓(0.1MPa)下制備時所能達到的極限值。其中高氮奧氏體不銹鋼的氮含量在0.40%以上，高氮四氧化三鐵和馬氏體不銹鋼的氮含量都在0.08%以上。使用氮作為合金元素，不僅可以穩(wěn)定奧氏體組織，提高強度，還可以提高耐蝕性。
目前，高氮不銹鋼管件已成為主要的研究熱點，尤其是高氮奧氏體不銹鋼。例如，P900(18Cr-18Mn-0.6N)制成的護環(huán)具有較高的屈服強度和塑性，良好的耐腐蝕性能，尤其是耐應力腐蝕性能，較低的導磁能。高端無磁鉆鋌具有低磁導率、高強度機械性能、優(yōu)異的耐腐蝕性、抗晶間腐蝕開裂性和優(yōu)異的耐磨性。
雙相不銹鋼主要由鐵素體和奧氏體組成，是一種耐蝕性優(yōu)良、強度高、易加工的鋼。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)異的耐氯化物應力腐蝕和耐點蝕性能，良好的抗腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能，優(yōu)異的綜合力學性能，高強度和疲勞強度，良好的焊接性能和優(yōu)異的材料成型性能，廣泛應用于造船交通、石油化工等領域。雙相不銹鋼的典型類型包括：第一種是低合金型，代表品牌為UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N)。該鋼不含鉬，PREN值為24~26。在抗應力腐蝕方面，它可以代替AISI304或316。第二種屬于中合金型，代表品牌是UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N，即2205)，PREN值32~35。其耐蝕性介于AISI316L和6%Mo N奧氏體之間。第三種屬于高合金型，一般含25%的鉻、鉬、氮，部分還含銅、鎢。標準品牌UNS32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N)的PREN值為37~39。這種鋼的耐蝕性高于22%Cr。第四種是高鉬氮含量的超級雙相不銹鋼，標準級UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N，即2507)，部分還含有鎢和銅。PREN值大于40，適用于苛刻的介質條件，具有良好的耐腐蝕性能和機械綜合性能，可與超級奧氏體不銹鋼媲美。
雙相不銹鋼管件的發(fā)展趨勢是經(jīng)濟型、超級型和超級型。其中，LDX 2101(UNS S32101)是最經(jīng)濟、最成功的低鎳高氮雙相不銹鋼。具有較高的強度和良好的抗氯化物應力腐蝕開裂性能，已廣泛應用于造紙工業(yè)設備、食品加工設備、海上石油平臺、海水淡化(海水淡化)設備等特種化工環(huán)境設備中。SAF 3207 HD具有極高的抗拉強度，980~1180MPa，PREN 50，臨界點腐蝕(CPT)90。它可以在更深的水和更高的溫度和壓力環(huán)境下開采油氣田，是深水項目的理想材料。DP-3W超級雙相不銹鋼板具有高耐蝕性，主要用于食品工業(yè)制鹽、醬油釀造等含高氯化物的生產(chǎn)設備，以及海底石油開采用泵等氯離子腐蝕嚴重的環(huán)境中。
超級奧氏體不銹鋼管件是一種特種不銹鋼。與普通奧氏體不銹鋼相比，鎳、鉻、鉬、氮等合金元素的含量均高于一般數(shù)值，尤其是鉬，可達4.5% ~ 7%。其特點是：1)高合金化，主要是鉻、鉬、氮，尤其是鉬，其含量明顯高于常規(guī)不銹鋼；2)純度高，特別是C含量高；3)高性能，高抗局部腐蝕和抗應力腐蝕開裂。金相組織是100%奧氏體。但由于鉻、鉬含量高，處理不當會出現(xiàn)金屬中間相，如相。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、換熱器、制藥工業(yè)和造紙工業(yè)的漂白設備等。
特種不銹鋼管件制品主要用于耐腐蝕塑料模具(如4Cr13、4Cr13Mo、4cr 13 mon)；能源領域(核電、火電、水電)核電主管道、高壓鍋爐管、葉片、擋圈、汽輪機導葉、葉片；油氣開采(如超級13Cr、15Cr、雙相不銹鋼)；石油化工行業(yè)中的高溫耐腐蝕部件(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(如高強度不銹軸承鋼(CSS-42L，X30CrMoN152)，高強度緊固件PH13-8Mo，15-5PH)；環(huán)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——主管道、航空用超高強度不銹鋼等。
電渣重熔生產(chǎn)的高端優(yōu)質特殊鋼占我國特種冶金總產(chǎn)量的90%以上。電渣重熔是生產(chǎn)高端特種鋼和合金的主要方法。它是自耗電極在水冷結晶器中通過熔渣抗熱性進行重熔精煉，然后依次凝固成鋼錠的一種特殊冶金方法。它具有渣洗精煉、有序凝固、鑄錠無大夾雜物、宏微觀偏析小、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)、凝固時偏析嚴重的大型鋼錠，以及易偏析、易析出脆性相的高合金鋼錠。而連鑄(大夾雜和偏析)是無法替代的。
傳統(tǒng)的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、鋼錠短缺量大等問題。迫切需要開發(fā)新一代電渣重熔技術，以滿足高端設備升級、服役條件苛刻、性能要求極高和機組參數(shù)升級的要求。
東北大學鋼鐵通用技術創(chuàng)新中心創(chuàng)新性地采用全參數(shù)恒態(tài)(CSP)理論，實現(xiàn)低透氣性渣、全密封惰性氣體保護、渣溫成分、熔池和渣鋼氧化恒定；采用創(chuàng)新的超快冷最佳熔化速率淺池(SCOM-SP)控制理論。在兼顧表面成形質量的同時，最小化LST(局部凝固時間)，減少鋼錠的宏微觀偏析，實現(xiàn)電渣過程的均勻化凝固。開發(fā)實心和空心鋼錠半連續(xù)電渣重熔成套技術和設備。與傳統(tǒng)的電渣重熔工藝相比，該創(chuàng)新工藝減少了工序，提高了質量，降低了成本，實現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)、高效率、低成本。創(chuàng)新工藝生產(chǎn)的半連續(xù)固態(tài)鑄錠材料收得率提高10%，生產(chǎn)效率提高60%，成本降低15%~20%。半連續(xù)空心錠質量大幅提高，材料成材率提高10%，生產(chǎn)效率提高60%，成本降低30%~60%。該技術被中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會專家組評定為整體技術達到國際領先水平。寶特冶煉廠提供的CRP1000、CAP1400核電站和700示范電站關鍵材料，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做出了貢獻。
8萬噸模壓機支架采用WISCO生產(chǎn)的20MnNiMo電渣鋼板，最大厚度390mmSXQ500D等水電鋼板，最大厚度305mm，滿足白鶴灘、烏東德水電站關鍵部件要求，填補國內空白，替代進口，進口價格由6萬元/噸降至2萬元/噸。
通重工生產(chǎn)的100噸電渣鋼成為世界首條AP1000核電主管道的關鍵材料，填補了國際空白并出口國外；為中國福建霞浦第四代核電示范工程提供了特厚電渣鋼板，實現(xiàn)了第四代核電用鋼的國產(chǎn)化。
大冶特鋼已成為世界頂級軸承制造商(SKF、FAG、鐵姆肯等)的電渣材料供應商。).其供應份額占中國準高速鐵路(160km/h)軸承材料供應的60%以上。
中鋼吉星公司的電渣冷軋輥在板帶材市場的國內占有率達70%，并出口到世界50多個國家。
加壓不僅可以強化冶金過程，即增加元素的溶解度，改善熱力學條件和動力學條件，還可以改善凝固組織，即改變凝固過程中的相變，強化冷卻效果，縮短局部凝固時間。
加壓電渣重熔是生產(chǎn)高氮鋼的一種有效的工業(yè)化方法。目前有兩種典型的合金化方法：安裝合金添加裝置(德國)和制造復合電極(日本)。德國最大的加壓電渣爐為20噸，熔煉室工作壓力為4.2MPa，最大生產(chǎn)錠直徑1米，重20噸。
為促進遼寧航空和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展，東北大學鋼鐵通用技術創(chuàng)新中心與撫順特鋼、沈陽飛機設計研究所、沈陽發(fā)動機研究所、黎明、沈飛、遼寧忠旺等達成合作意向。2023-2024年，神府示范區(qū)將實現(xiàn)10噸工業(yè)裝備(10噸加壓鋼包爐、10噸加壓電渣爐)高氮不銹軸承鋼(X30-NEU)。
針對GH4151高溫合金鑄錠冶金質量控制技術，東北大學鋼鐵通用技術創(chuàng)新中心從鑄錠組織分析、合金凝固行為、合金偏析特征、裂紋形成機理、均勻化工藝等方面進行了研究，并制定了鑄錠質量控制標準。經(jīng)擠壓開坯、近等溫鍛造和最終熱處理后，對板材的顯微組織、相和力學性能進行了評價。通過控制GH4151合金鑄錠的冶金質量，制備的GH4151盤具有優(yōu)異的拉伸性能、持久性能和疲勞性能等力學性能，均超過發(fā)動機設計制造商提供的技術指標要求。與其他圓盤合金相比，GH4151合金的拉伸和持久性能與國外典型變形和粉末圓盤相當。超過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合金的疲勞性能超過國產(chǎn)粉末高溫合金。板材的優(yōu)越性能驗證了鑄錠尺寸控制、熱裝退火、裂紋控制、均勻化工藝、元素偏析控制和'相結構控制的正確性和合理性。下一步將在沈撫新區(qū)工業(yè)研究院進行中試和產(chǎn)業(yè)轉化。
