8月5日，2024年中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會、中國金屬學會冶金科學技術獎名單公布，涉及不銹鋼材料的獲獎項目一等獎1項、二等獎1項、三等獎4項，其中由青拓集團主持完成的“鉻鎳系不銹鋼 RKEF-AOD雙聯(lián)法冶煉新工藝與含氮高強化產品開發(fā)及應用”項目榮獲一等獎。本文對該項目進行了介紹，以期為行業(yè)同仁提供借鑒。

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1 研究背景

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不銹鋼是國民經濟的重要材料，2023年我國產量3600多萬噸，全球占比62%左右，其中以304為代表的鉻鎳不銹鋼占比超過50%，金屬鎳消耗量每年150萬噸以上。但我國鎳資源嚴重匱乏，依賴進口。

鉻鎳不銹鋼通常以鎳鐵為原料，經電弧爐熔化后AOD精煉。其中鎳鐵價格波動大，而且長期維持在高價位運行。本項目之前，鎳鐵和不銹鋼生產的兩大工藝流程是獨立、分開的（圖1），從紅土鎳礦經礦熱爐冶煉的鎳鐵不得不先澆注再在電弧爐二次熔化，導致冶煉工序能耗高、成本高。

鉻鎳不銹鋼耐蝕性好，但屈服強度低于355MPa，如用于承載結構件需要增厚，成本和碳排放均較高。美標201和國內201不銹鋼的屈服強度較高，但其耐蝕性差，會嚴重降低使用壽命。本項目之前，成本低、強度高、耐蝕性好的不銹鋼產品屬于空白（圖2）。

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2 研究思路與技術方案

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2.1 項目整體思路

本項目的總體思路是：1）以紅土鎳礦為原料，一體化集成鎳鐵和不銹鋼冶煉兩大工藝流程，形成RKEF-AOD雙聯(lián)法新工藝，提高能效、降低成本；2）利用含氮高強化技術，在保持鉻鎳不銹鋼耐蝕性前提下，提升產品強度，以滿足承載結構領域需求，同時節(jié)約鎳鉬貴金屬。

2.2 技術方案

1）全球首創(chuàng)紅土鎳礦RKEF-AOD雙聯(lián)法冶煉新工藝流程

一體化集成鎳鐵和不銹鋼冶煉兩大工藝流程主要有三大技術難點：一是紅土鎳礦品位復雜，F(xiàn)e/Ni比波動大，一般在2-42之間，難以精準命中AOD所需鎳含量；二是SiO2/MgO比高，通常在1.8以上，渣熔點低，爐襯易受侵蝕，礦熱爐壽命1-3年；三是RKEF鎳鐵水如何直接熱送AOD，且成分和溫度均滿足要求。

①針對不同F(xiàn)e/Ni比的紅土鎳礦，建立了配碳與礦熱爐冶煉鎳含量的對應關系，開發(fā)了動態(tài)柔性配碳技術及相應模型管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了鎳含量的動態(tài)精準控制。

②針對SiO2/MgO比高、渣熔點低、礦熱爐壽命短，解析了配碳對渣熔點的影響規(guī)律，開發(fā)了渣熔點動態(tài)調控工藝，實現(xiàn)了精準掛渣，從而顯著降低了爐襯侵蝕，礦熱爐壽命提升到10年以上。運行初期采用富碳工藝，控制渣熔點在1600℃左右，低電流操作，降低渣液流動性，實現(xiàn)爐壁掛渣；正常運行采用低碳工藝，控制渣熔點在1530℃左右，高電流操作，提升鎳礦熔化效率，實現(xiàn)穩(wěn)定運行。

③全球首次一體化集成了回轉窯（RK）+礦熱爐（EF）冶煉鎳鐵和AOD冶煉不銹鋼產線，形成了RKEF-AOD雙聯(lián)法新工藝流程（圖3），鎳鐵水入AOD爐的溫度和鎳點均滿足不銹鋼冶煉要求。2010年建成了全球第一條工業(yè)產線。新工藝流程可節(jié)電580kWh/t，工序成本降低330元/t以上，降幅30%以上。

2）含氮高強化不銹鋼產品開發(fā)及高表面制造技術

本項目開發(fā)的含氮高強化不銹鋼產品包括奧氏體和雙相不銹鋼。奧氏體不銹鋼開發(fā)有三個技術難點：一是成本低、強度高、耐蝕性好的合金體系屬于空白；二是煉鋼氮含量難于精準控制，連鑄鑄坯表面易出現(xiàn)氮氣孔和表面凹陷；三是氮含量高，軋制力大，需要較高溫度熱軋，帶鋼易發(fā)生邊裂和表面脫皮。雙相不銹鋼開發(fā)的技術難點一是鑄坯表層易出現(xiàn)粗大針狀奧氏體組織，且鎳含量低、高溫熱塑性差，帶鋼易出現(xiàn)邊裂和表面脫皮缺陷；二是由于含21%Cr且Mn含量在4%以上，冷軋退火表面生成極為致密的鉻錳氧化物，沒有拋丸的冷酸工序極難去除（圖4）。

①發(fā)現(xiàn)了氮細化奧氏體晶粒、提升表面鈍化膜中鉻和氮含量（圖5）、延緩碳化物析出等諸多有利作用，在此基礎上開發(fā)了4個含氮高強化奧氏體不銹鋼產品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109（圖6），其氮含量在0.20%以上，屈服強度在355MPa以上，耐點蝕能力分別達到304、304L、316L和317L級別。

②開發(fā)了AOD精準吹氬控氮模型，以精準控制鋼液氮含量；闡明了中包溫度、連鑄拉速和結晶器冷卻速率等連鑄工藝對鑄坯氮氣孔的影響規(guī)律，解決了鑄坯氮氣孔缺陷；開發(fā)了含氮高強化不銹鋼高熔化速率保護渣，解決了鑄坯表面凹陷的技術難題。

③建立了適用于含氮高強化奧氏體不銹鋼鑄坯鐵素體含量與合金成分的新型定量關系（圖7），發(fā)現(xiàn)了合金成分對熱軋氧化皮熔點的定量影響規(guī)律。通過調控合金成分以及中高溫快軋的熱軋工藝，攻克了熱軋帶鋼邊裂和表面脫皮缺陷的技術難題。

④開發(fā)了雙相不銹鋼QD2001的鑄坯組織細化和形態(tài)控制技術、熱軋相組織比例控制工藝、冷軋退火和酸洗技術，全球首發(fā)了2.0mm厚熱連軋寬幅帶鋼和2B表面產品。

3）含氮高強化不銹鋼的焊接和成形技術

含氮高強化不銹鋼應用主要有兩大技術難點：一是氮含量高，焊接時焊縫易發(fā)生氮逸出，出現(xiàn)氮含量下降和氮氣孔，耐蝕性能明顯下降；二是由于起始強度高，冷加工硬化明顯，板材難于滿足深沖+脹形的復合成形。此外，雙相不銹鋼兩相組織冷變形協(xié)同能力差，雙相不銹鋼盤條極易出現(xiàn)冷鐓開裂。

①開發(fā)了含氮高強化奧氏體不銹鋼的配套焊接工藝和焊接材料，形成了焊接工藝數據庫。如采用92%Ar+8%N2氣體保護并控制熱輸入（圖8），焊后耐蝕性達到鉻鎳不銹鋼水平。

②建立了含氮高強化奧氏體不銹鋼板材成形指數與合金成分的新型當量關系（圖9），通過調控合金成分和組織晶粒度的生產工藝，攻克了含氮高強化奧氏體不銹鋼成形開裂的技術難題。通過調控固溶退火工藝，使QD2001雙相不銹鋼盤條獲得了更接近50%兩相比例、晶粒更充分再結晶的組織，解決了冷鐓易開裂的技術難題。

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3 主要創(chuàng)新性成果

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本項目歷時十多年，由青拓集團聯(lián)合哈爾濱焊接研究所和重慶大學等單位，針對鉻鎳不銹鋼開展了冶煉工藝流程和品種兩方面的創(chuàng)新。主要創(chuàng)新點如下：

1）開發(fā)了RKEF-AOD雙聯(lián)法冶煉新工藝，突破了不同品味紅土鎳礦冶煉時鎳含量精準控制和動態(tài)精準掛渣等技術難點，實現(xiàn)了鎳鐵水100%熱送AOD精煉鉻鎳不銹鋼以及礦熱爐10年以上超長壽命，建成了國際上第一條工業(yè)產線。本工藝避免了鎳鐵的二次熔化，可節(jié)電580kWh/t，成本降低330元/t以上，綜合煉鋼成本降低30%以上。

2）在保持鉻鎳不銹鋼耐蝕性基礎上，采用了最低的合金總量（Cr+Mn+Ni+Cu+Mo）及常壓冶煉連鑄工藝獲得0.20%以上的氮合金化，開發(fā)了新型含氮高強化不銹鋼及制造技術。攻克了鑄坯氣孔和表面凹陷、熱軋帶鋼邊裂和表面脫皮以及難冷酸等技術難題，形成了4個耐點蝕能力分別達到304、304L、316L和317L等鉻鎳系級別的含氮高強化奧氏體不銹鋼系列產品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109，以及1個耐點蝕能力達到304級別的經濟型雙相不銹鋼QD2001。其中QD2001突破了雙相不銹鋼熱連軋寬幅帶鋼2.0mm厚規(guī)格極限，并首發(fā)冷酸2B表面產品。相比鉻鎳不銹鋼，新品種屈服強度提升30%以上；貴金屬鎳含量下降26%-81%，鉬含量下降50%以上，綜合合金成本降低20%以上。

3）開發(fā)了含氮高強化不銹鋼配套焊接工藝和焊接材料，形成了焊接數據庫。采用92%Ar+8%N2氣體保護并控制熱輸入，突破了焊縫氮元素損失、焊縫氮氣孔、焊縫耐蝕性下降等焊接技術瓶頸，焊后耐蝕性達到鉻鎳不銹鋼水平。建立了適用于含氮高強化奧氏體不銹鋼板材成形指數與合金成分的新型當量關系，通過調控合金成分和組織晶粒度的生產工藝，攻克了其成形開裂的技術難題。通過組織調控工藝，使得雙相不銹鋼QD2001獲得了更接近50%兩相比例、更充分再結晶的組織，解決了冷鐓開裂的技術難題。

本項目授權11項發(fā)明專利；發(fā)表SCI、EI論文14篇；發(fā)布產品標準25項，含國標2項、行標7項、團標16項，其中主編6項，另有1項國標和2項主編行標2024年下半年發(fā)布。2022年，金屬學會組織評價委員會認為該項成果達到國際領先水平。

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4 應用情況與效果

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相比電弧爐-AOD冶煉工藝，RKEF-AOD雙聯(lián)法新工藝冶煉工序噸鋼成本降低330元，1%鎳合金成本降低240元，冶煉含8%Ni的304不銹鋼水噸鋼綜合成本降低了2250元，降幅達17.7%。新工藝自2012年開始推廣至廣青金屬科技、北部灣新材料、德龍鎳業(yè)等眾多不銹鋼公司，2016年開始推廣至“一帶一路”國家印尼，共形成了1040萬噸年產能。2021至2023三年來累計銷售26萬多噸含氮高強化不銹鋼產品，其中出口3萬多噸。實現(xiàn)了在軌道交通、裝配式建筑和能源化工等多個承載結構市場領域的全球首次應用。

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5 經濟社會效益

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2021-2023年，新增產值146.6億元，新增利稅8.6億元。

相比同等耐蝕級別的鉻鎳不銹鋼，含氮高強化不銹鋼產品累計節(jié)約鎳鉬貴金屬12856t，實現(xiàn)社會效益15.6億元，為減少貴金屬消耗并降低資源對外依存度作出了貢獻。

RKEF-AOD雙聯(lián)法冶煉新工藝顯著降低了鉻鎳系不銹鋼成本，促成青山自2014年起成為全球最大、最有競爭力的不銹鋼生產企業(yè)。其2023年產值3821億元，世界500強排名257位，不銹鋼產量占全球25%以上。新工藝推廣至國內不銹鋼行業(yè)，不僅降低了不銹鋼產品成本，也為下游行業(yè)節(jié)約了使用成本，從而提升了我國不銹鋼行業(yè)整體競爭力。

RKEF-AOD雙聯(lián)法冶煉新工藝助推印尼自2021年起成為全球第2大不銹鋼生產國，其年產量超過400萬噸，全部以紅土鎳礦原料，100%采用RKEF-AOD雙聯(lián)法冶煉新工藝，成為我國“一帶一路”國家戰(zhàn)略的典型示范工程。

含氮高強化不銹鋼產品的成功開發(fā)、量產、納入國行標及工程應用，改寫了全球幾十年來節(jié)鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性無法達到鉻鎳不銹鋼水平的歷史，突破了幾十年來量大面廣的鉻鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性、強度和成本難于兼顧、難于用于承載結構的國際難題；對于不銹鋼品種結構優(yōu)化、產品性能升級、工程應用的高強輕量化節(jié)能減排、鎳鉬貴金屬資源節(jié)約乃至不銹鋼行業(yè)可持續(xù)高質量發(fā)展等，都具有非常重要的意義。