十四五”我国高品质钢的研发及产业化

发布时间：2019-08-09 丨 浏览次数：6933

我国对高品质钢的需求涉及海洋工程及船舶、 轨道交通、汽车、能源电力、航空航天等重点领域，也涉及建筑、机械、家电等大宗钢材应用领域。高品质钢的共性关键制造技术包括先进的材料设计技术、冶炼技术、轧制技术、质量稳定化技术、焊接技术等。依靠材料品种和关键共性技术的技术创新，大力提升高品质钢铁产品的有效供给水平，是“十四五”时期我国钢铁行业供给侧改革的重要着力点之一。

1 提升我国重点工程所需关键钢材供给水平

   本文以高铁用钢、核电站核岛主设备材料、精密不锈带钢、高品质模具钢等为例，展示我国重点工程所需钢材的要求和实物水平。

   马钢针对车轮运用过程中复杂的磨损、接触疲劳、热损伤问题，采用提高材料强韧性匹配、改善相变特性的手段，研发出中碳硅钒合金化的高速、重载车轮材料。通过创新脱氧工艺，使钢中Al2O3夹杂微细化（＜3μm）和弥散化，并且形成塑性MnS包裹Al2O3夹杂。开发出先弱冷再强冷的梯度淬火工艺，保证踏面下10mm发生完全珠光体转变、同时内部处于奥氏体温度区，解决了车轮踏面存在非珠光体组织而造成早期剥离问题。马钢车轮钢冶金质量控制水平与日本车轮相当，车轮实物质量达到国际先进水平，在时速350公里的复兴号上运行超过140公里。

    我国核岛主设备材料已经跃居国际先进水平。钢研总院、一重、宝特等单位联合攻关，开发出系列核岛主设备材料及其制造技术，例如100-600吨级核岛大锻件低温韧性提升和组织性能均匀性控制、316LN主管道锻造开裂和晶粒度控制、690合金管材晶界碳化物控制等。

    航空航天、军工核电、高端电子、新能源等尖端领域使用的宽幅超薄精密不锈带钢，厚度≤0.05mm/50μm，市场需求以50%速度逐年增加。

    我国模具钢满足基本需求，但每年需进口8-10万吨中高端模具钢。钢研总院和抚顺特钢开发出高韧性压铸模DCK-S（FS438），比H13钢韧性提高25%，具有更高的回火稳定性、抗热龟裂性和淬透性。

2 提高我国大宗钢材的质量稳定性和适用性

    对于建筑、机械、家电用钢等量大面广的钢材产品，应全面推进标准升级和品牌建设，提高钢材的质量稳定性和适用性。这里以桥梁用钢为例，说明我国大宗钢材的质量稳定性和适用性。

（1）大跨度铁路桥梁用钢板

    铁路桥梁主要发展方向为“大跨度、重载荷、高速度”。这对桥梁结构的安全可靠性要求越来越严格，不仅对设计者提出了更高要求，而且对钢板质量也提出了更高要求。武钢联合中铁大桥勘测设计院，先后开发出用于大跨度铁路桥梁的 14MnNbq钢、Q420qE（WNQ570）钢、Q500qE钢，钢板厚度超过50mm。Q500qE桥梁钢采用低碳多元微合金化成分体系，按TMCP工艺组织生产，控制钢中软相（铁素体等）和硬相（贝氏体等）的大小、形态、尺寸、分布，并使晶粒适度细化，使得钢具有高的强度和较低的屈强比，同时低温韧性和焊接性能优异。Q500qE桥梁钢及配套焊接材料和焊接工艺等技术，成功应用于世界首座千米级公铁两用斜拉桥—沪通长江大桥。

（2）跨海大桥用双相不锈钢钢筋

    针对跨海桥梁的长寿命化需求，太钢开发出双相不锈钢筋产品、关键工艺及应用技术。例如：双相不锈钢VOD精炼及精确控氮技术、高强韧性能的控轧控冷技术、肋牙和轧辊孔型设计、高效酸洗及表面钝化等整套双相不锈钢钢筋生产工艺；建设具有大轧制能力、自动控制多段强冷却、热矫直等特点的高强不锈钢钢筋和棒材联合生产线，实现直条钢筋、盘卷钢筋和棒材的高效化生产；连接、剪切和折弯加工等双相不锈钢钢筋工程应用配套技术。太钢的双相不锈钢?12-40mm钢筋已在港珠澳大桥规模化应用。

3 大力提升高品质钢的共性关键技术

（1）先进材料设计技术

    耐高温、应力、腐蚀等服役环境适应性的钢铁材料设计技术；高强高韧钢铁材料设计技术；全生命周期“低碳”材料设计技术；结构/功能“一体化”材料设计技术等。“材料基因工程” 将成为材料设计中不可或缺的部分，它从更宽的组分范围、更多样复杂的微观结构来认识材料体系的特性，构建材料基因标准数据库，开发快速、可靠、高通量计算模拟方法，从而实现部分替代和指导材料实验，使新材料“研发周期减半、研发成本减半”。

（2）先进冶炼技术

    对应客户要求的服役条件，控制狭窄而准确的成分规格。轴承钢、弹簧钢、合结钢、工具钢、模具钢均有精确控制成分的要求。国外齿轮钢对S、Ti、Si、Al等成分要求更为严格，使淬透性带较窄，轿车齿轮钢淬透性一般要求在6HRC以下。高水平的转炉炼钢企业通过智能控制系统，可以获得高精度成分控制，高C-T目标比（≥95％），从而实现高效率和低成本。

    轴承钢的氧含量从30ppm降到5ppm，可使轴承疲劳寿命提高30倍。如果能将镍铬不锈钢中的磷降低到3ppm，就可以完全避免应力腐蚀。德国和日本齿轮钢材的含氧量最低为7ppm，硫作为易切削元素加入钢中，通过选择合理的冶金工艺改善硫化物的形态和分布，提高材料的可切削性，是易切削齿轮钢发展的方向。通过对高速、重载车轮Al2O3夹杂微细弥散化、塑性化以及碳极差控制技术，可以有效防止车轮轮辋开裂。

    采用恒拉速、低过热度、无氧化保护浇注、结晶器和凝固末端电磁搅拌、曲面形状倒角结晶器技术、优化二冷工艺、动态轻压下和重压下等系列连铸技术，显著改善铸坯质量，降低S、O、Si 等成分偏析，促进铸坯成分和组织的均匀化。

（3）先进轧制和热处理技术

    铸坯热送热装、直接轧制；降低开轧温度及控制终轧温度，减轻热加工后再结晶晶粒长大；梯度轧制；低温增塑轧制；变厚度轧制；精确轧制技术。

    梯度热处理；高速加热热处理；步进式加热炉、在线冷却装置、在线固溶炉及轧后冷却的合金钢线材控轧控冷；高强度宽幅冷轧机和电加热氮气保护退火炉的高强度合金钢板冷轧技术。

（4）质量稳定化技术

    质量稳定性是特殊钢品质的主要衡量标准。质量稳定化技术包括：高纯净度和组织精细控制技术；在线预测钢材表面缺陷、组织和力学性能技术；产品质量预警、反馈分析以及不同工序交互分析技术。利用信息化、智能化手段，减少人为因素对质量控制的影响，提高钢铁产品实物质量稳定性、可靠性和耐久性。

    先进的轴承钢企业可以将碳化物尺寸降低至0.5μm以下，且呈球状均匀分布，轴承寿命得到大幅度提高。模具钢企业通过控制碳化物不均匀度，显著提高大截面高品质Cr12系列冷作模具钢材（代表钢种D2）的质量稳定性和使用寿命。高强钢生产企业通过细化核反应堆容器高强度钢板的晶粒，使其幅照脆化温度由150-250℃显著降至50-70℃。

（5）先进焊接技术

    钢铁材料焊接技术进步具体表现在焊缝组织调控技术、焊接熔池净化技术以及解决重要工程用钢的焊接需求诸方面。

    厚钢板焊接时，填充焊材熔敷金属量大，焊接时间长，热输入总量高，焊后应力和变形大，焊接过程中易产生裂纹。不同应用领域对厚钢板焊接部要求的性能不同，因此厚板的焊接技术受到重视。主要包括广泛应用于各种大型钢结构的窄坡口焊接技术、造船业和建筑业使用厚度大于50mm钢板的大线能量焊接技术。此外，厚板的激光焊接和激光-电弧混合焊接、搅拌摩擦焊接（FSW）等技术也在不断开发之中。河钢针对临氢铬钼特厚钢板（大于100mm）的需求，研发出厚板双丝、三丝窄间隙埋弧焊接技术，解决焊接匹配性差等瓶颈问题，将临氢铬钼特厚钢板批量应用于超大型石化、煤化工核心装备。

    通常把-40℃至-196℃称为低温，低于-196℃称为超低温。低温钢的高效焊接材料与工程化应用技术被工信部列入提升高端钢材品种有效供给水平的相关内容。9Ni低温钢由于Ni含量较高，具有很高的低温韧性，可用于-196℃的环境，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气的大型容器。对这类易淬火的低温钢采用适当的焊接热输入、控制层间温度以及焊后缓冷等工艺措施，达到防止冷裂纹及改善热影响区韧性的目的。