王国栋:我国高端不锈钢管制造技术

在“2021(第二届)中国不锈钢管高峰论坛”上,王国栋院士发布了东北大学2011钢铁共性技术协同创新中心姜周华教授团队的高端不锈钢管制造技术研究成果,本文根据东北大学王国栋院士在“2021(第二届)中国不锈钢管高峰论坛”上的报告整理。

1、当前我国不锈钢发展现状

据中国特钢企业协会不锈钢分会数据,2020年我国不锈钢粗钢产量为3013.9万吨,增长了2.51%,其中:Cr-Ni钢(300系)1437.96万吨,占比47.71%;Cr钢(400系)592.50万吨,占比19.66%;Cr-Mn钢(200系)964.32万吨,占比32.007%。进口不锈钢为180.59万吨,同比增加68.62万吨,增长61.33%;出口不锈钢为341.69万吨,同比减少25.54万吨,降低了6.95%。不锈钢表观消费量为2560.79万吨,增长6.64%。

2、高端不锈钢管产品

2.1 高氮不锈钢

高氮钢是近年来出现的一种新型工程材料,是材料中的实际氮含量超过常压下(0.1MPa)制备材料所能达到的极限值的钢。其中,高氮奥氏体不锈钢的氮含量在0.40%以上,高氮铁素铁、马氏体不锈钢的氮含量均大于0.08%。采用氮做合金元素,不仅可以稳定奥氏体组织,提高强度,使韧性无显著下降,而且还可以提高耐腐蚀性能。

目前,高氮不锈钢成为主要研究热点,尤其是高氮奥氏体不锈钢。比如用P900(18Cr-18Mn-0.6N)制成的护环,具有高的屈服强度和塑性,良好的耐腐蚀性能特别是耐应力腐蚀,低的导磁性能。高端无磁钻铤,具有低磁导率、高强度的机械性能、优越的耐腐蚀能力、耐晶间腐蚀开裂性能及优越的耐磨性能。

2.2 双相不锈钢

双相不锈钢主要由铁素体和奥氏体相组成,是一类集优良耐腐蚀、高强度和易于加工等诸多优异性能于一身的钢种。物理性能介于奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢之间。具有优异的耐氯化物应力腐蚀和耐孔蚀性能;良好的腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能;综合力学性能优异,有较高的强度和疲劳强度;良好的焊接性能;材料成型性能优良,广泛应用于造船及运输、石油和化工等领域。

双相不锈钢典型品种:第一类属低合金型,代表牌号UNS S32304(23Cr-4Ni-0.1N),钢中不含钼,PREN值为24-26,在耐应力腐蚀方面可代替AISI304或316使用。第二类属中合金型,代表牌号是UNS S31803(22Cr-5Ni-3Mo-0.15N,即2205),PREN值为32-35,其耐蚀性能介于AISI316L和6%Mo+N奥氏体之间。第三类属高合金型,一般含25%Cr,还含有钼和氮,有的还含有铜和钨,标准牌号UNS32550(25Cr-6Ni-3Mo-2Cu-0.2N),PREN值为37-39,这类钢的耐蚀性能高于22%Cr的双相不锈钢。第四类属超级双相不锈钢型,含高钼和氮,标准牌号UNS S32750(25Cr-7Ni-3.7Mo-0.3N,即2507),有的也含钨和铜,PREN值大于40,可适用于苛刻的介质条件,具有良好的耐蚀与力学综合性能,可与超级奥氏体不锈钢相媲美。

双相不锈钢品种发展趋势是经济型,超级和特超级。其中,LDX 2101(UNS S32101)为经济型最成功的低镍高氮双相不锈钢,具有高强度和良好耐氯化物应力腐蚀开裂性能,现已广泛用于造纸工业设备、食品加工设备、海上石油平台、脱盐(海水淡化)设备等特殊化工环境设备。SAF 3207 HD 抗拉强度极高,980-1180 MPa,PREN为50,临界点腐蚀(CPT)为90℃,可在更深的水下、更高的温度和压力环境下开采油、气田,是用于深水项目的理想材料。DP-3W高耐蚀超级双相不锈钢板主要用于食品工业中制盐、酱油酿造含有高氯化物的生产设备,以及海底石油开采的泵等氯离子腐蚀严重的环境。

2.3 超级奥氏体不锈钢

超级奥氏体不锈钢是一种特种不锈钢,与普通奥氏体不锈钢相比,Ni、Cr、Mo、N等合金元素含量均高于一般值,特别是Mo,可达4.5%~7%。其特点主要是:1)高合金化,主要是铬、钼、氮,尤其是钼,含量显著高于常规不锈钢;2)高纯化,尤其是C含量;3)高性能,具有高的耐局部腐蚀性能,抗应力腐蚀开裂性能。金相组织是100%的奥氏体。但由于铬和钼含量均较高, 处理不好 会出现金属中间相, 如sigma相。

超级奥氏体不锈钢主要用于制造海水处理设备、湿法烟气脱硫吸收塔、烟气净化设备、热交换机、制药工业、造纸工业中的漂白设备等。

2.4 特种不锈钢

特种不锈钢产品主要应用于耐蚀塑料模具(如4Cr13、 4Cr13Mo、 4Cr13MoN);能源领域(核电、火电、水电)的核电主管道、高压锅炉管、叶片、护环、水轮机导叶和叶片;油气开采(如超级13Cr、15Cr、双相不锈钢);石油化工的高温、耐蚀部件(管道、阀门);海洋工程(海水淡化、深海采油、建筑)(如超级双相不锈钢、超级奥氏体不锈钢、双相不锈钢钢筋);航空领域(如高强不锈轴承钢(CSS-42L、X30CrMoN152),高强紧固件PH13-8Mo,15-5PH);环保领域(如烟气脱硫用超级不锈钢NAS 254N、 NAS 354N)。

此外,还有热核聚变实验堆用不锈钢材料、核电用不锈钢材料——主管道、航空用超高强度不锈钢等。

3、高端不锈钢冶炼技术


3.1 高端不锈钢冶炼技术——电渣重熔

电渣重熔生产的高端精品特钢,占我国特种冶金总产量90%以上。电渣重熔是生产高端特殊钢和合金的主要方法。它是在水冷结晶器中,通过渣阻热,将自耗电极重新熔化和精炼,顺序凝固成钢锭的特种冶金方法。具有渣洗精炼、顺序凝固、铸锭无大型夹杂物、宏观和微观偏析小,成分和组织均匀等显著特点。适用于生产服役条件苛刻(高温、高压、高速、重载、腐蚀)、凝固时偏析严重的大型钢锭,极易偏析和析出脆性相的高合金铸锭。模铸和连铸(大夹杂物和偏析)无法替代。

传统电渣重熔存在电耗高、污染严重、成本高、洁净度低、凝固质量差、优质大锭缺等问题,亟需开发新一代电渣重熔技术,来满足高端装备升级、服役条件苛刻、性能要求极高、机组参数升级的需求。

东北大学钢铁共性技术创新中心创新采用全参数过程稳定的洁净化理论(Constant State of all Parameters, 简称CSP),实现低渗透率渣,全密闭惰性气保,渣温和成分、熔池、渣钢氧化性恒定;创新采用超快冷和最佳熔速下的浅平熔池均质化控制理论(Super-Cooling+Optimum Melting rate+Shallow Pool,简称SCOM-SP),在兼顾表面成形质量的同时,最大限度地降低LST(局部凝固时间),减少钢锭的宏观和微观偏析,实现电渣过程的均质化凝固。创新开发半连续电渣重熔实心和空心钢锭成套技术及装备,与传统电渣重熔流程对比,创新流程减少了工序、提高了质量、降低了成本,实现了生产的连续化、高效化、低成本化;创新流程生产的半连续实心钢锭的材料收得率提高10%,生产效率提高60%,成本降低15%-20%;半连续空心钢锭的质量大幅提高,材料收得率提高10%,生产效率提高60%,成本降低30%-60%。该技术被中国钢铁工业协会专家组评价为总体技术达到国际领先水平。

宝武特冶提供的CRP1000及CAP1400核电及700℃示范电站用关键材料,为首次探月工程嫦娥卫星和长征三号甲运载火箭、神舟六号载人航天和运载火箭作出贡献。舞钢生产的20MnNiMo电渣型钢板,用于8万吨模压机支撑件,最大厚度达390mm;SXQ500D等水电钢板,最大厚度达305mm,满足白鹤滩和乌东德水电站关键部件要求,填补国内空白,替代进口,进口价格从6万元/t降至2万元/t。通裕重工生产的百吨级大型电渣钢成为世界首台AP1000核电主管道关键材料,填补了国际空白,并出口国外;为我国福建霞浦第四代核电示范工程提供特厚电渣钢板,实现了第四代核电用钢的国产化。大冶特钢已成为全球顶级轴承制造企业(SKF、FAG、TIMKEN等)电渣材料供应商。其供应份额占我国准高速铁路(160km/h)轴承材料供应60%以上。中钢邢机的电渣冷轧辊在板带市场国内占有率达70%,出口世界50多个国家。

3.2 高端不锈钢冶炼技术——加压冶金

加压不仅可以强化冶金过程,即提高元素溶解度、改善热力学条件、改善动力学条件,而且还可以改善凝固组织,即改变凝固过程相变、强化冷却效果、缩短局部凝固时间。

加压电渣重熔(PESR)是目前商业上生产高氮钢的有效方法。目前典型的合金化方式有两种:设有合金添加装置(德国)、制造复合电极(日本)。德国最大加压电渣炉为20t,熔炼室运行压力4.2MPa,最大生产铸锭直径1m重20t。

为促进辽宁航空和新材料等产业发展,东北大学钢铁共性技术创新中心与抚顺特钢、601(沈阳飞机设计研究所)、606(沈阳发动机研究所)、410(黎明)、112(沈飞),辽宁忠旺等达成了合作意向,2023-2024年将在沈抚示范区以10吨级工业化设备(10吨加压钢包炉、10吨加压电渣炉)实现高氮不锈轴承钢(X30-NEU)产业化,并将产品拓展到高端模具、医疗器械、军用刀具等领域。

3.3 特种合金冶炼技术

对于难变形高温合金GH4151铸锭冶金质量控制技术,东北大学钢铁共性技术创新中心从铸锭组织分析、合金凝固行为、合金偏析特征、裂纹形成机制、均匀化工艺研究等方面进行研究,制定了铸锭质量控制准则,经过挤压开坯、近等温锻造成形和最终热处理,最终对盘件的组织、γ'相和力学性能进行评估。通过控制GH4151合金铸锭冶金质量,制备的GH4151盘件具有优异的拉伸性能、持久性能和疲劳性能等力学性能,均超过了发动机设计厂家提供的技术指标要求。与其他盘件合金相比,GH4151合金的拉伸、持久性能与国外典型变形和粉末盘水平相当;超过了国内变形盘合金和粉末高温合金的拉伸性能和持久性能等力学性能;GH4151合金疲劳性能超过了国内粉末高温合金的性能。盘件性能的优越验证了锭型尺寸控制、热装退火、裂纹控制、均匀化工艺、元素偏析控制、γ’相组织控制的正确性与合理性。下一步将在沈抚新区工研院进行中试和产业转化。

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[打call] 敦行故远:故宫敦煌特展
本次展览是故宫博物院时隔70年第二次举办敦煌文物特展,共呈现188件来自丝绸之路甘肃段的文物和故宫博物院院藏文物,其他展品包括敦煌壁画临本35件,复制彩塑6身,高保真数字化壁画复制品超过70幅,以及仿制华盖、佛塔等辅助展品逾20件。展览共分为四个展厅,其中西雁翅楼、午门正殿两个展厅以敦煌文物为核心,为参观者解读敦煌文化艺术的独特魅力。展厅背景配色从莫高窟自然环境和壁画中汲取灵感,墙壁上展现敦煌壁画的经典作品,展台文物又与画面内容相呼应,塑造出多维一体的效果。
时间:2021年9月17日 - 11月18日
地点:北京故宫博物院

[打call] 梁绍基: 蚕我 我蚕
梁绍基是上海当代艺术博物馆「中国当代艺术收藏系列展」介绍的第6位艺术家,展览标题「蚕我 我蚕」寓意梁绍基在过往30年的创作实践始终与「蚕」紧密相连。「蚕」不仅是他的创作媒介,亦是赋予他创作的原动力与灵感来源。本展将展出一系列层次丰富的沉浸式装置、摄影与影像,呈现艺术家的「自然系列」代表作品,从梁绍基早期的探索研究,到1999年入选第48届威尼斯双年展的「床」,再到走向自省并传达哲思的「生命不能承受之轻」、「天庭」等装置作品。
梁绍基1945年生于上海,目前在浙江天台工作和生活。他于1986年师从万曼/Maryn Varbanov 研究软雕塑,1980年代末开始进行养蚕艺术实验,过去30年不断探索,创造了以蚕的生命历程为媒介、以与自然互动为特征、以时间、生命为核心的「自然系列」。
时间:2021年9月29日 - 2022年2月20日
展地:上海当代艺术博物馆

[打call] 陈钧德艺术与文献展
本次展览将展出超过160件海派艺术家陈钧德的画作,通过自20世纪50年代至晚期各个年代的代表性画作,全面呈现画家逾60年的创作生涯和风格流变。重要展品包括《有过普希金铜像的街》、《帝王之陵》、《蒙马特高地圣心教堂》和《梦境》等。
陈钧德(1937-2019)是中国海派油画家、美术教育家,1960年毕业于上海戏剧学院。他的艺术创作以上海都市写意为主,色彩明亮,饱含激情。
时间 2021年9月10日 - 10月7日
展地:上海刘海粟美术馆

[打call] 乾隆色谱2.0:清代宫廷丝织品的色彩重建
本次展览在2014年「乾隆色谱:从历史档案复原清代色彩」展的基础上,进一步呈现近十年来对清代宫廷丝织品染料、色彩及染色工艺研究的阶段性成果,展出以乾隆时期服饰为代表的清代丝织品,以及采用多重证据法科学化推演重建的色谱,系统阐释17世纪晚期至19世纪早期中国高水平染织产品中染料-色彩-工艺之间的关系。
清代共有四个皇家织造局,包括分别位于苏州、南京和杭州的江南三织造,以及位于北京的京内织染局。江南织造的技术档案因为历史原因可能已流失,而京内织染局的档案资料保留完整,为当代研究提供了重要参考。在进一步的研究中,科研人员通过分析以乾隆时期服饰为代表的的清中期文物实物,发现清代京内织染局档案中记载的染色方法与文物样品中检测的染料种类存在一定差异,京内织染局档案中记载的染色方法更具有系统性,而从实物样品中来看,应用染料种类及套色方法则更加多元化,色谱也更加丰富多样。
时间:2021年9月19日 - 12月5日
展地:杭州中国丝绸博物馆

[打call] 乐居长安:唐都长安人的生活展
唐代的长安城是当时世界上规模最大的城市,鼎盛时期市区人口超过100万人。本次展览遴选西安4家文物机构的约100件(套)藏品,通过「百千家似围棋局」「月照长安万户人」「一日看尽长安花」「千歌万舞不可数」四个章节,再现大唐长安城的繁华盛景。
唐长安城沿用了隋代大兴城的遗址,城区平面呈长方形,总面积达84平方公里,由宫城、皇城、外郭城组成,一百零八坊呈轴对称分布,皇城与宫城分布在长安城北侧,朱雀大街以东归万年县管辖,以西归长安县管辖。都城规划遵循坊市制度,将住宅区(坊)和交易区(市)分开。
时间:2021年9月15日 - 12月14日
展地:苏州吴文化博物馆

[打call] 浮世绘艺术
本次展览将展出72幅中国美术馆馆藏日本浮世绘作品、79件南京博物院院藏日本文物,分为美人绘、役者绘、风景花鸟画共3部分,展现浮世绘的艺术美。第一部分以「美人绘」为主题,主要展出以艺伎、町人等女性为对象的浮世绘作品,包括鸟居清信的《美人与少女》、铃木春信的《洗衣女》与《持扇女》,以及描金竹叶黑漆小粉盒、描金扁方漆盒等日本文物。第二部分以「役者绘」为主题,主要展现与歌舞伎相关的浮世绘作品,「役者」即指歌舞伎中的人物。这部分展品包括鸟居清长的《剧》、东洲斋写乐的《三代目大谷鬼次之奴江户兵卫》、歌川丰国的《役者舞台之姿绘》 等。第三部分主要展示浮世绘中的风景花鸟画,展品包括葛饰北斋的《千绘之海·甲州火振》、《富岳三十六景·凯风快晴》、溪斋英泉的《雪景》,以及铃木其一的《松鹤画屏》等。
时间:2021年7月21日 - 11月
地点:南京博物院

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(634)就在李淳风写下《推背图》大约250年以后,凶恶奸诈的大将军朱温废了唐昭宣帝,自己登基,改国号为梁,开始了50多年的五代十国时期,到公元960年,赵匡胤陈桥兵变,黄袍加身,建立了又一个大一统的王朝--大宋。50多年以后,到北宋真宗四年,在河北诞生了一代伟大的易学家邵雍,他以十首诗预言了身后直至今天的历史大事,总名《梅花诗》。

宋朝是中国所有统一王朝中最弱的一个。北宋刚刚建国就向辽国割让了燕云十六州。北宋末年,女真族人崛起,打败辽国后在黄龙府建立了金国。公元1125年,金国平灭辽国,随后就把兵锋直指大宋,两年以后在靖康俘虏了宋朝的徽钦二帝。这就是岳飞在《满江红》中提到的“靖康耻”。钦宗的弟弟康王赵构泥马渡江,在南京建立了南宋政权,后迁都杭州。

大约150年后,南宋被忽必烈的铁骑征服。公元1279年,陆秀夫背着南宋小皇帝赵丙投海而死,其他随身将士和皇妃也都被飓风淹没在大海中。对于这段历史,《梅花诗》中以“山河虽好非完璧,不信黄金是祸胎”以及 “三百年来终一日,长天碧水叹弥弥”来预言。其中“山河虽好非完璧”指北宋割让燕云十六州之事;“黄金”者,定都黄龙府的大金是也。“三百年来终一日”指北宋在公元960年建立政权,至公元1279年灭亡,共享国祚300多年。“长天碧水叹弥弥”喻赵丙投海而死。


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