核級不銹鋼是一類組織穩(wěn)定性高、中子吸收截面小、感生放射性低的不銹鋼材料。核級不銹鋼用于核電站核島一回路與高放冷卻劑相接觸的耐腐蝕設(shè)備或部件的制造。由于核級不銹鋼在成分、性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，可滿足中微子、暗物質(zhì)探測、硬X射線光源等大科學(xué)研究領(lǐng)域設(shè)備制造要求，因而使用領(lǐng)域得到擴(kuò)展。
太鋼核級不銹鋼多項產(chǎn)品實現(xiàn)國內(nèi)首家國產(chǎn)化
太鋼作為不銹鋼領(lǐng)軍企業(yè)，積極參與了我國核電事業(yè)的發(fā)展和建設(shè)。21世紀(jì)初，在我國核電設(shè)備制造技術(shù)、不銹鋼制造技術(shù)提升和國家提高核電國產(chǎn)化率的背景下，太鋼投身于RCC-M規(guī)范核級不銹鋼材料的研發(fā)。至2022年，太鋼全程參與了二代半、三代、四代、五代不同核電技術(shù)各種核級不銹鋼材料的研發(fā)，現(xiàn)具有年1.5萬噸的供貨能力，累計供貨近10萬噸，國內(nèi)市占率多年保持在60%以上，是國內(nèi)主要的核電材料供應(yīng)企業(yè)（圖1）。與此同時，太鋼核級不銹鋼還出口俄羅斯、巴基斯坦等國外核電項目。
太鋼見證了近20年我國核電的發(fā)展過程，實現(xiàn)了多項產(chǎn)品的國內(nèi)首家國產(chǎn)化，每年都有新產(chǎn)品研制成功、走向市場，為我國核電發(fā)展貢獻(xiàn)了太鋼力量。表1列出了太鋼核級不銹鋼材料國產(chǎn)化歷程重大事件。
四大類核級不銹鋼滿足不同技術(shù)堆型核電項目需要
太鋼擁有從礦山、煉鐵、煉鋼、軋鋼、鍛造、熱處理等全流程的不銹鋼制造工藝流程和裝備，裝備精良、工藝成熟、經(jīng)驗豐富，非常適合核級不銹鋼的生產(chǎn)。現(xiàn)有核級不銹鋼冶煉流程四條，可按成分要求、技術(shù)特點(diǎn)、合同數(shù)量和規(guī)格合理選擇，從產(chǎn)品質(zhì)量、供貨進(jìn)度、可靠性、穩(wěn)定性、均一性等方面全面滿足核級不銹鋼技術(shù)和質(zhì)保要求。
太鋼擁有四大類核級不銹鋼產(chǎn)品，可滿足百萬千瓦級壓水堆及其他全部不同技術(shù)堆型核電項目的建設(shè)需要。第一類法國“RCC-M技術(shù)規(guī)范核級不銹鋼”，主要用在二代+、三代（華龍一號）壓水堆。第二類“ASME BPVC規(guī)范核級不銹鋼”，主要用在三代（CAP1000、CAP1400）壓水堆。第三類“鈉冷快堆核級不銹鋼”，主要用于包括鈉冷快堆為代表的四代高溫技術(shù)核電堆型。第四類“聚變堆核級不銹鋼”，主要用于國際合作項目ITER計劃及我國聚變堆CFETR等項目。
壓水堆項目核1級不銹鋼板，太鋼是國內(nèi)唯一供貨單位，產(chǎn)品實物質(zhì)量總體達(dá)到世界先進(jìn)水平，主要技術(shù)指標(biāo)世界領(lǐng)先；鈉冷快堆核級不銹鋼板，太鋼在國內(nèi)率先完成工藝和產(chǎn)品開發(fā)，質(zhì)量指標(biāo)達(dá)到世界領(lǐng)先水平；聚變堆不銹鋼材料，太鋼產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平，得到用戶高度認(rèn)可。太鋼316H鋼板獲快堆聯(lián)盟“鳳凰獎”。此外，中國國際核聚變能源計劃執(zhí)行中心就聚變堆鋼板貢獻(xiàn)向太鋼發(fā)來感謝信。
太鋼核級不銹鋼生產(chǎn)技術(shù)路線
近年來，太鋼以鈉冷快堆的高溫環(huán)境對316H不銹鋼的高溫性能要求為基礎(chǔ)，結(jié)合在壓水堆、聚變堆鋼板制造技術(shù)方面的技術(shù)積累，從化學(xué)成分、組織、性能控制技術(shù)等方面深入研究和開發(fā)，以有害因素最小化、有利因素最大化為目標(biāo)，形成一套完整的高品質(zhì)不銹鋼制造工藝和技術(shù)。
3.1 核電高純凈不銹鋼精煉技術(shù)
太鋼以鐵水為主原料，開發(fā)“三脫鐵水預(yù)處理+低雜質(zhì)元素合金”的原料純凈化技術(shù)和流程，并根據(jù)需要開發(fā)出了“三脫鐵水→K-OBM-S→VOD”和“三脫鐵水+中頻爐預(yù)溶液→AOD→RH”兩條精煉工藝路線，實現(xiàn)了不銹鋼純凈度控制的突破，也是世界唯一采用優(yōu)質(zhì)“三脫”鐵水為原料生產(chǎn)核電用不銹鋼的企業(yè)。
通過開發(fā)核電不銹鋼精煉關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)脫氫率＞80% 、[H]≤2ppm，T[O]≤15ppm，P、V、Cu、Co有害金屬元素降低了60%以上，Co元素的降低率高達(dá)93%，消除了粗系夾雜物，各類細(xì)系夾雜物級別控制在1.0級以內(nèi)。
3.2 高耐蝕、高強(qiáng)韌性能匹配控制技術(shù)
化學(xué)成分是鋼種力學(xué)性能、耐蝕性能的基礎(chǔ)。太鋼首先應(yīng)通過成分設(shè)計和控制，使得鋼種同時兼顧各項性能要求。對于奧氏體不銹鋼而言，強(qiáng)化力學(xué)性能的手段一般只有碳元素和氮元素，碳元素對鋼種強(qiáng)度有利但對耐腐蝕性能不利，氮元素對鋼種的強(qiáng)度和耐腐蝕性能都有利。
針對鋼板高溫強(qiáng)度、高耐蝕要求的矛盾需求關(guān)系，太鋼通過C、Nb、N等元素的控制，實現(xiàn)了不銹鋼的高溫高強(qiáng)、高耐蝕、強(qiáng)韌性最佳匹配，成為高質(zhì)量穩(wěn)定工業(yè)化生產(chǎn)的重要保證。
3.3 殘余鐵素體超低含量控制技術(shù)
鑒于殘余鐵素體對奧氏體不銹鋼高溫、低溫和導(dǎo)磁性能等不利的問題，太鋼針對鋼板軋制用連鑄坯和電渣錠中鐵素體含量、分布規(guī)律以及鐵素體在熱軋、熱處理時不能消除的特點(diǎn)，通過分析鋼液非平衡凝固過程中鐵素體相的析出行為和固態(tài)下鐵素體相的高溫擴(kuò)散行為，分別開發(fā)了錠、坯、板上殘余鐵素體含量的科學(xué)、合理化控制技術(shù)，既能利用到鐵素體對力學(xué)性能、組織均勻性方面好的貢獻(xiàn)，也能夠有效避免殘余鐵素體造成的危害。
3.4 性能均勻性、穩(wěn)定性控制技術(shù)
鋼板性能均勻性、穩(wěn)定性取決于組織的穩(wěn)定性，最主要是晶粒度及其均勻性。針對不同厚度的鋼板，為了實現(xiàn)鋼板全厚度范圍晶粒度和性能的精準(zhǔn)和均勻控制，根據(jù)奧氏體不銹鋼的固有特性，太鋼開發(fā)出包括薄規(guī)格鋼板“匹配固溶處理技術(shù)”、超厚規(guī)格鋼板“高壓縮比+大單道變形量+高終軋溫度+匹配固溶處理技術(shù)”、中等規(guī)格鋼板“復(fù)合疊軋控制技術(shù)”等系列鋼板晶粒度控制技術(shù)，具備了6-150mm厚度的鋼板晶粒度級別按技術(shù)要求進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)控、且全厚度范圍的級差不超過2級的工藝技術(shù)水平，滿足了核電產(chǎn)品對材料組織均勻性的內(nèi)在需求。
展望
現(xiàn)階段，在我國大力推動“雙碳”戰(zhàn)略的背景下，核電產(chǎn)業(yè)提升空間很大。至2035年核電發(fā)電量占比將達(dá)到10%，年建設(shè)6-8臺，不銹鋼年需求量達(dá)到1.5萬噸。四代核電、聚變堆快速發(fā)展，微堆、小型堆發(fā)展迫切，大型核電向內(nèi)陸發(fā)展等未來核電的發(fā)展動態(tài)和方向，都為核級不銹鋼提供了廣闊的市場和發(fā)展前景，也提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)。太鋼可以通過冶煉、軋制、鍛造、熱處理等技術(shù)開發(fā)以及設(shè)備升級改造，實現(xiàn)尺寸更大、技術(shù)指標(biāo)更高的核級不銹鋼產(chǎn)品的制造，同時加快研發(fā)含硼不銹鋼、鎳基合金等新材料，補(bǔ)齊國內(nèi)核電產(chǎn)業(yè)鏈上材料缺口，為中國核電發(fā)展和走出國門提供有力的支撐。
