8月5日，2024年中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)金屬學(xué)會(huì)冶金科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)名單公布，涉及不銹鋼材料的獲獎(jiǎng)項(xiàng)目一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、三等獎(jiǎng)4項(xiàng)，其中由青拓集團(tuán)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(qiáng)化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及應(yīng)用”項(xiàng)目榮獲一等獎(jiǎng)。本文對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要材料，2023年我國(guó)產(chǎn)量3600多萬(wàn)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(guò)50%，金屬鎳消耗量每年150萬(wàn)噸以上。但我國(guó)鎳資源嚴(yán)重匱乏，依賴進(jìn)口。
鉻鎳不銹鋼通常以鎳鐵為原料，經(jīng)電弧爐熔化后AOD精煉。其中鎳鐵價(jià)格波動(dòng)大，而且長(zhǎng)期維持在高價(jià)位運(yùn)行。本項(xiàng)目之前，鎳鐵和不銹鋼生產(chǎn)的兩大工藝流程是獨(dú)立、分開(kāi)的（圖1），從紅土鎳礦經(jīng)礦熱爐冶煉的鎳鐵不得不先澆注再在電弧爐二次熔化，導(dǎo)致冶煉工序能耗高、成本高。
鉻鎳不銹鋼耐蝕性好，但屈服強(qiáng)度低于355MPa，如用于承載結(jié)構(gòu)件需要增厚，成本和碳排放均較高。美標(biāo)201和國(guó)內(nèi)201不銹鋼的屈服強(qiáng)度較高，但其耐蝕性差，會(huì)嚴(yán)重降低使用壽命。本項(xiàng)目之前，成本低、強(qiáng)度高、耐蝕性好的不銹鋼產(chǎn)品屬于空白（圖2）。
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2 研究思路與技術(shù)方案
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2.1 項(xiàng)目整體思路
本項(xiàng)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(qiáng)化技術(shù)，在保持鉻鎳不銹鋼耐蝕性前提下，提升產(chǎn)品強(qiáng)度，以滿足承載結(jié)構(gòu)領(lǐng)域需求，同時(shí)節(jié)約鎳鉬貴金屬。
2.2 技術(shù)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(shù)難點(diǎn)：一是紅土鎳礦品位復(fù)雜，F(xiàn)e/Ni比波動(dòng)大，一般在2-42之間，難以精準(zhǔn)命中AOD所需鎳含量；二是SiO2/MgO比高，通常在1.8以上，渣熔點(diǎn)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系，開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)柔性配碳技術(shù)及相應(yīng)模型管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鎳含量的動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)控制。
②針對(duì)SiO2/MgO比高、渣熔點(diǎn)低、礦熱爐壽命短，解析了配碳對(duì)渣熔點(diǎn)的影響規(guī)律，開(kāi)發(fā)了渣熔點(diǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控工藝，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)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(yùn)行初期采用富碳工藝，控制渣熔點(diǎn)在1600℃左右，低電流操作，降低渣液流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)爐壁掛渣；正常運(yùn)行采用低碳工藝，控制渣熔點(diǎn)在1530℃左右，高電流操作，提升鎳礦熔化效率，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。
③全球首次一體化集成了回轉(zhuǎn)窯（RK）+礦熱爐（EF）冶煉鎳鐵和AOD冶煉不銹鋼產(chǎn)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(diǎn)均滿足不銹鋼冶煉要求。2010年建成了全球第一條工業(yè)產(chǎn)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(qiáng)化不銹鋼產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及高表面制造技術(shù)
本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的含氮高強(qiáng)化不銹鋼產(chǎn)品包括奧氏體和雙相不銹鋼。奧氏體不銹鋼開(kāi)發(fā)有三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：一是成本低、強(qiáng)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(zhǔn)控制，連鑄鑄坯表面易出現(xiàn)氮?dú)饪缀捅砻姘枷?；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(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)一是鑄坯表層易出現(xiàn)粗大針狀?yuàn)W氏體組織，且鎳含量低、高溫?zé)崴苄圆?，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(méi)有拋丸的冷酸工序極難去除（圖4）。
①發(fā)現(xiàn)了氮細(xì)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(chǔ)上開(kāi)發(fā)了4個(gè)含氮高強(qiáng)化奧氏體不銹鋼產(chǎn)品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109（圖6），其氮含量在0.20%以上，屈服強(qiáng)度在355MPa以上，耐點(diǎn)蝕能力分別達(dá)到304、304L、316L和317L級(jí)別。
②開(kāi)發(fā)了AOD精準(zhǔn)吹氬控氮模型，以精準(zhǔn)控制鋼液氮含量；闡明了中包溫度、連鑄拉速和結(jié)晶器冷卻速率等連鑄工藝對(duì)鑄坯氮?dú)饪椎挠绊懸?guī)律，解決了鑄坯氮?dú)饪兹毕?；開(kāi)發(fā)了含氮高強(qiáng)化不銹鋼高熔化速率保護(hù)渣，解決了鑄坯表面凹陷的技術(shù)難題。
③建立了適用于含氮高強(qiáng)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(guān)系（圖7），發(fā)現(xiàn)了合金成分對(duì)熱軋氧化皮熔點(diǎn)的定量影響規(guī)律。通過(guò)調(diào)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(shù)難題。
④開(kāi)發(fā)了雙相不銹鋼QD2001的鑄坯組織細(xì)化和形態(tài)控制技術(shù)、熱軋相組織比例控制工藝、冷軋退火和酸洗技術(shù)，全球首發(fā)了2.0mm厚熱連軋寬幅帶鋼和2B表面產(chǎn)品。
3）含氮高強(qiáng)化不銹鋼的焊接和成形技術(shù)
含氮高強(qiáng)化不銹鋼應(yīng)用主要有兩大技術(shù)難點(diǎn)：一是氮含量高，焊接時(shí)焊縫易發(fā)生氮逸出，出現(xiàn)氮含量下降和氮?dú)饪?，耐蝕性能明顯下降；二是由于起始強(qiáng)度高，冷加工硬化明顯，板材難于滿足深沖+脹形的復(fù)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(kāi)裂。
①開(kāi)發(fā)了含氮高強(qiáng)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(shù)據(jù)庫(kù)。如采用92%Ar+8%N2氣體保護(hù)并控制熱輸入（圖8），焊后耐蝕性達(dá)到鉻鎳不銹鋼水平。
②建立了含氮高強(qiáng)化奧氏體不銹鋼板材成形指數(shù)與合金成分的新型當(dāng)量關(guān)系（圖9），通過(guò)調(diào)控合金成分和組織晶粒度的生產(chǎn)工藝，攻克了含氮高強(qiáng)化奧氏體不銹鋼成形開(kāi)裂的技術(shù)難題。通過(guò)調(diào)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(jié)晶的組織，解決了冷鐓易開(kāi)裂的技術(shù)難題。
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3 主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
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本項(xiàng)目歷時(shí)十多年，由青拓集團(tuán)聯(lián)合哈爾濱焊接研究所和重慶大學(xué)等單位，針對(duì)鉻鎳不銹鋼開(kāi)展了冶煉工藝流程和品種兩方面的創(chuàng)新。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下：
1）開(kāi)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(shí)鎳含量精準(zhǔn)控制和動(dòng)態(tài)精準(zhǔn)掛渣等技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)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(zhǎng)壽命，建成了國(guó)際上第一條工業(yè)產(chǎn)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(chǔ)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(kāi)發(fā)了新型含氮高強(qiáng)化不銹鋼及制造技術(shù)。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(shù)難題，形成了4個(gè)耐點(diǎn)蝕能力分別達(dá)到304、304L、316L和317L等鉻鎳系級(jí)別的含氮高強(qiáng)化奧氏體不銹鋼系列產(chǎn)品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109，以及1個(gè)耐點(diǎn)蝕能力達(dá)到304級(jí)別的經(jīng)濟(jì)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(chǎn)品。相比鉻鎳不銹鋼，新品種屈服強(qiáng)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(kāi)發(fā)了含氮高強(qiáng)化不銹鋼配套焊接工藝和焊接材料，形成了焊接數(shù)據(jù)庫(kù)。采用92%Ar+8%N2氣體保護(hù)并控制熱輸入，突破了焊縫氮元素?fù)p失、焊縫氮?dú)饪?、焊縫耐蝕性下降等焊接技術(shù)瓶頸，焊后耐蝕性達(dá)到鉻鎳不銹鋼水平。建立了適用于含氮高強(qiáng)化奧氏體不銹鋼板材成形指數(shù)與合金成分的新型當(dāng)量關(guān)系，通過(guò)調(diào)控合金成分和組織晶粒度的生產(chǎn)工藝，攻克了其成形開(kāi)裂的技術(shù)難題。通過(guò)組織調(diào)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(jié)晶的組織，解決了冷鐓開(kāi)裂的技術(shù)難題。
本項(xiàng)目授權(quán)11項(xiàng)發(fā)明專利；發(fā)表SCI、EI論文14篇；發(fā)布產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)25項(xiàng)，含國(guó)標(biāo)2項(xiàng)、行標(biāo)7項(xiàng)、團(tuán)標(biāo)16項(xiàng)，其中主編6項(xiàng)，另有1項(xiàng)國(guó)標(biāo)和2項(xiàng)主編行標(biāo)2024年下半年發(fā)布。2022年，金屬學(xué)會(huì)組織評(píng)價(jià)委員會(huì)認(rèn)為該項(xiàng)成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
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4 應(yīng)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(dá)17.7%。新工藝自2012年開(kāi)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(kāi)始推廣至“一帶一路”國(guó)家印尼，共形成了1040萬(wàn)噸年產(chǎn)能。2021至2023三年來(lái)累計(jì)銷售26萬(wàn)多噸含氮高強(qiáng)化不銹鋼產(chǎn)品，其中出口3萬(wàn)多噸。實(shí)現(xiàn)了在軌道交通、裝配式建筑和能源化工等多個(gè)承載結(jié)構(gòu)市場(chǎng)領(lǐng)域的全球首次應(yīng)用。
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5 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益
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2021-2023年，新增產(chǎn)值146.6億元，新增利稅8.6億元。
相比同等耐蝕級(jí)別的鉻鎳不銹鋼，含氮高強(qiáng)化不銹鋼產(chǎn)品累計(jì)節(jié)約鎳鉬貴金屬12856t，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益15.6億元，為減少貴金屬消耗并降低資源對(duì)外依存度作出了貢獻(xiàn)。
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(jìng)爭(zhēng)力的不銹鋼生產(chǎn)企業(yè)。其2023年產(chǎn)值3821億元，世界500強(qiáng)排名257位，不銹鋼產(chǎn)量占全球25%以上。新工藝推廣至國(guó)內(nèi)不銹鋼行業(yè)，不僅降低了不銹鋼產(chǎn)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(guó)不銹鋼行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)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(chǎn)國(guó)，其年產(chǎn)量超過(guò)400萬(wàn)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(guó)“一帶一路”國(guó)家戰(zhàn)略的典型示范工程。
含氮高強(qiáng)化不銹鋼產(chǎn)品的成功開(kāi)發(fā)、量產(chǎn)、納入國(guó)行標(biāo)及工程應(yīng)用，改寫(xiě)了全球幾十年來(lái)節(jié)鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性無(wú)法達(dá)到鉻鎳不銹鋼水平的歷史，突破了幾十年來(lái)量大面廣的鉻鎳奧氏體不銹鋼耐蝕性、強(qiáng)度和成本難于兼顧、難于用于承載結(jié)構(gòu)的國(guó)際難題；對(duì)于不銹鋼品種結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)品性能升級(jí)、工程應(yīng)用的高強(qiáng)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(zhì)量發(fā)展等，都具有非常重要的意義。
