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  • “十四五”我國高品質鋼的研發及產業化

    資訊來源:www.qianguizsj.com 2021-11-19

     我國對高品質鋼的需求涉及海洋工程及船舶、 軌道交通、汽車、能源電力、航空航天等重點領域,也涉及建筑、機械、家電等大宗鋼材應用領域。高品質鋼的共性關鍵制造技術包括先進的材料設計技術、冶煉技術、軋制技術、質量穩定化技術、焊接技術等。依靠材料品種和關鍵共性技術的技術創新,大力提升高品質鋼鐵產品的有效供給水平,是“十四五”時期我國鋼鐵行業供給側改革的重要著力點之一。

    1 提升我國重點工程所需關鍵鋼材供給水平

       本文以高鐵用鋼、核電站核島主設備材料、精密不銹帶鋼、高品質模具鋼等為例,展示我國重點工程所需鋼材的要求和實物水平。

       馬鋼針對車輪運用過程中復雜的磨損、接觸疲勞、熱損傷問題,采用提高材料強韌性匹配、改善相變特性的手段,研發出中碳硅釩合金化的高速、重載車輪材料。通過創新脫氧工藝,使鋼中Al2O3夾雜微細化(<3μm)和彌散化,并且形成塑性MnS包裹Al2O3夾雜。開發出先弱冷再強冷的梯度淬火工藝,保證踏面下10mm發生完全珠光體轉變、同時內部處于奧氏體溫度區,解決了車輪踏面存在非珠光體組織而造成早期剝離問題。馬鋼車輪鋼冶金質量控制水平與日本車輪相當,車輪實物質量達到國際先進水平,在時速350公里的復興號上運行超過140公里。

        我國核島主設備材料已經躍居國際先進水平。鋼研總院、一重、寶特等單位聯合攻關,開發出系列核島主設備材料及其制造技術,例如100-600噸級核島大鍛件低溫韌性提升和組織性能均勻性控制、316LN主管道鍛造開裂和晶粒度控制、690合金管材晶界碳化物控制等。

        航空航天、軍工核電、高端電子、新能源等尖端領域使用的寬幅超薄精密不銹帶鋼,厚度≤0.05mm/50μm,市場需求以50%速度逐年增加。

        我國模具鋼滿足基本需求,但每年需進口8-10萬噸中高端模具鋼。鋼研總院和撫順特鋼開發出高韌性壓鑄模DCK-S(FS438),比H13鋼韌性提高25%,具有更高的回火穩定性、抗熱龜裂性和淬透性。

    2 提高我國大宗鋼材的質量穩定性和適用性

        對于建筑、機械、家電用鋼等量大面廣的鋼材產品,應全面推進標準升級和品牌建設,提高鋼材的質量穩定性和適用性。這里以橋梁用鋼為例,說明我國大宗鋼材的質量穩定性和適用性。

    (1)大跨度鐵路橋梁用鋼板

        鐵路橋梁主要發展方向為“大跨度、重載荷、高速度”。這對橋梁結構的安全可靠性要求越來越嚴格,不僅對設計者提出了更高要求,而且對鋼板質量也提出了更高要求。武鋼聯合中鐵大橋勘測設計院,先后開發出用于大跨度鐵路橋梁的 14MnNbq鋼、Q420qE(WNQ570)鋼、Q500qE鋼,鋼板厚度超過50mm。Q500qE橋梁鋼采用低碳多元微合金化成分體系,按TMCP工藝組織生產,控制鋼中軟相(鐵素體等)和硬相(貝氏體等)的大小、形態、尺寸、分布,并使晶粒適度細化,使得鋼具有高的強度和較低的屈強比,同時低溫韌性和焊接性能優異。Q500qE橋梁鋼及配套焊接材料和焊接工藝等技術,成功應用于世界首座千米級公鐵兩用斜拉橋—滬通長江大橋。

    (2)跨海大橋用雙相不銹鋼鋼筋

        針對跨海橋梁的長壽命化需求,太鋼開發出雙相不銹鋼筋產品、關鍵工藝及應用技術。例如:雙相不銹鋼VOD精煉及精確控氮技術、高強韌性能的控軋控冷技術、肋牙和軋輥孔型設計、高效酸洗及表面鈍化等整套雙相不銹鋼鋼筋生產工藝;建設具有大軋制能力、自動控制多段強冷卻、熱矯直等特點的高強不銹鋼鋼筋和棒材聯合生產線,實現直條鋼筋、盤卷鋼筋和棒材的高效化生產;連接、剪切和折彎加工等雙相不銹鋼鋼筋工程應用配套技術。太鋼的雙相不銹鋼?12-40mm鋼筋已在港珠澳大橋規?;瘧?。

    3 大力提升高品質鋼的共性關鍵技術

    (1)先進材料設計技術

        耐高溫、應力、腐蝕等服役環境適應性的鋼鐵材料設計技術;高強高韌鋼鐵材料設計技術;全生命周期“低碳”材料設計技術;結構/功能“一體化”材料設計技術等?!安牧匣蚬こ獭?將成為材料設計中不可或缺的部分,它從更寬的組分范圍、更多樣復雜的微觀結構來認識材料體系的特性,構建材料基因標準數據庫,開發快速、可靠、高通量計算模擬方法,從而實現部分替代和指導材料實驗,使新材料“研發周期減半、研發成本減半”。

    (2)先進冶煉技術

        對應客戶要求的服役條件,控制狹窄而準確的成分規格。軸承鋼、彈簧鋼、合結鋼、工具鋼、模具鋼均有精確控制成分的要求。國外齒輪鋼對S、Ti、Si、Al等成分要求更為嚴格,使淬透性帶較窄,轎車齒輪鋼淬透性一般要求在6HRC以下。高水平的轉爐煉鋼企業通過智能控制系統,可以獲得高精度成分控制,高C-T目標比(≥95%),從而實現高效率和低成本。

        軸承鋼的氧含量從30ppm降到5ppm,可使軸承疲勞壽命提高30倍。如果能將鎳鉻不銹鋼中的磷降低到3ppm,就可以完全避免應力腐蝕。德國和日本齒輪鋼材的含氧量最低為7ppm,硫作為易切削元素加入鋼中,通過選擇合理的冶金工藝改善硫化物的形態和分布,提高材料的可切削性,是易切削齒輪鋼發展的方向。通過對高速、重載車輪Al2O3夾雜微細彌散化、塑性化以及碳極差控制技術,可以有效防止車輪輪輞開裂。

        采用恒拉速、低過熱度、無氧化保護澆注、結晶器和凝固末端電磁攪拌、曲面形狀倒角結晶器技術、優化二冷工藝、動態輕壓下和重壓下等系列連鑄技術,顯著改善鑄坯質量,降低S、O、Si 等成分偏析,促進鑄坯成分和組織的均勻化。

    (3)先進軋制和熱處理技術

        鑄坯熱送熱裝、直接軋制;降低開軋溫度及控制終軋溫度,減輕熱加工后再結晶晶粒長大;梯度軋制;低溫增塑軋制;變厚度軋制;精確軋制技術。

        梯度熱處理;高速加熱熱處理;步進式加熱爐、在線冷卻裝置、在線固溶爐及軋后冷卻的合金鋼線材控軋控冷;高強度寬幅冷軋機和電加熱氮氣保護退火爐的高強度合金鋼板冷軋技術。

    (4)質量穩定化技術

        質量穩定性是特殊鋼品質的主要衡量標準。質量穩定化技術包括:高純凈度和組織精細控制技術;在線預測鋼材表面缺陷、組織和力學性能技術;產品質量預警、反饋分析以及不同工序交互分析技術。利用信息化、智能化手段,減少人為因素對質量控制的影響,提高鋼鐵產品實物質量穩定性、可靠性和耐久性。

        先進的軸承鋼企業可以將碳化物尺寸降低至0.5μm以下,且呈球狀均勻分布,軸承壽命得到大幅度提高。模具鋼企業通過控制碳化物不均勻度,顯著提高大截面高品質Cr12系列冷作模具鋼材(代表鋼種D2)的質量穩定性和使用壽命。高強鋼生產企業通過細化核反應堆容器高強度鋼板的晶粒,使其幅照脆化溫度由150-250℃顯著降至50-70℃。

    (5)先進焊接技術

        鋼鐵材料焊接技術進步具體表現在焊縫組織調控技術、焊接熔池凈化技術以及解決重要工程用鋼的焊接需求諸方面。

        厚鋼板焊接時,填充焊材熔敷金屬量大,焊接時間長,熱輸入總量高,焊后應力和變形大,焊接過程中易產生裂紋。不同應用領域對厚鋼板焊接部要求的性能不同,因此厚板的焊接技術受到重視。主要包括廣泛應用于各種大型鋼結構的窄坡口焊接技術、造船業和建筑業使用厚度大于50mm鋼板的大線能量焊接技術。此外,厚板的激光焊接和激光-電弧混合焊接、攪拌摩擦焊接(FSW)等技術也在不斷開發之中。河鋼針對臨氫鉻鉬特厚鋼板(大于100mm)的需求,研發出厚板雙絲、三絲窄間隙埋弧焊接技術,解決焊接匹配性差等瓶頸問題,將臨氫鉻鉬特厚鋼板批量應用于超大型石化、煤化工核心裝備。

        通常把-40℃至-196℃稱為低溫,低于-196℃稱為超低溫。低溫鋼的高效焊接材料與工程化應用技術被工信部列入提升高端鋼材品種有效供給水平的相關內容。9Ni低溫鋼由于Ni含量較高,具有很高的低溫韌性,可用于-196℃的環境,比奧氏體不銹鋼有更高的強度,適宜制造貯存液化氣的大型容器。對這類易淬火的低溫鋼采用適當的焊接熱輸入、控制層間溫度以及焊后緩冷等工藝措施,達到防止冷裂紋及改善熱影響區韌性的目的。




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