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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2021成都车展正在火热进行中,极狐汽车也来到此次展会现场,展示了极狐阿尔法T、极狐阿尔法S、极狐阿尔法S 华为HI版三款重磅车型。此外,极狐还在现场推出了技术展区,并为现场媒体揭秘了极狐汽车车身架构。

无论汽车如何发展、变化,安全始终是消费者最为关注的一点。为此,不同于以往车展,此次极狐就在现场设置了非常独特的展区,通过极狐阿尔法S的车身,展示了极狐品牌极具特色的钢铝混合架构,以及电芯封装技术,让现场观众可以更为直观地了解极狐汽车对于安全的理念。同时,极狐还是开设了“极狐技术日”,现场技术专家也深度解读了极狐越级安全车身和世界级的制造工艺。
目前在汽车工业中,车身材料主要有三大类别,分别是全钢车身、全铝车身和钢铝混合车身。极狐汽车基于IMC平台架构,所采用的就是钢铝混合车身。同时,极狐还采用了上钢、下铝的“笼式框架”结构,在关键位置使用超高级别材料,合理分配承压与吸能的不同职能。

而之所以采用了这样的结构,也是兼顾了两种材料不同的特性。钢材料强度均衡,并且在韧性、塑性和成本上都极具优势;而铝合金材料则具备了更轻的特点,但成本较高、工艺复杂。所以在设计之初,极狐工程师综合了钢铝的优缺点,选定了钢铝混合车身的技术路线,根据材料本身的特性和车辆不同部位的要求,合理选材,更好地均衡两种材料的特点。
据介绍,极狐汽车在A、B柱及门槛等位置应用强度达到1500MPa的超高强度热成型钢,用来保证碰撞发生后乘员舱的完整。此外,极狐汽车还在车身侧面还采用了钢门槛与铝挤出型材结合的设计。在前副车架和前纵梁的位置,极狐汽车还都使用了吸能溃缩的设计,能够在更大程度上吸收碰撞时产生的能量。最终,极狐阿尔法T的车身扭转刚度达到了55000Nm/°,阿尔法S则达到了60000Nm/°,优化了NVH性能,减少车身疲劳破坏和异响的发生,保证极狐产品在各种工况下的操纵稳定性和碰撞安全性。

设计很重要,而生产制造也同样至关重要。为极狐钢铝混合车身进行生产的是蓝谷麦格纳工厂,它同时还是奔驰大G、全新宝马5系、捷豹E-PACE、i-PACE等众多国际一线高端品牌汽车的生产商,这为极狐汽车良好品质和做工打下了坚实的基础。

作为基于正向开发的纯电架构打造的产品,极狐汽车在电池安全、防腐性能以及轻量化方面也有着出色的表现。极狐产品的动力电池整体设计融入到车身和底盘设计开发中,将动力电池和整车紧密连接在一起,确保了车身整体刚度和电池安全。在20余种碰撞工况的1000余小时仿真测试及100余轮次的实测验证中,动力电池均未受到损伤。

此外,极狐下车身部分采用了大量的抗腐蚀性能优异的铝合金材料,并加入了6道防腐屏障,可以保证顾客买到的每一辆车都能做到10年无功能失效及锈穿。
基于这些安全理念,造就了极狐产品出色的安全性能。在现场,极狐阿尔法T、极狐阿尔法S、极狐阿尔法S 华为HI版三款车型都受到了观众极大地关注。
极狐阿尔法S定位新一代智能豪华纯电轿车,兼具了轿车的舒适性和SUV的通过性,而掀背式设计为车辆提供了巨大的行李箱空间,让它又具备了旅行车般的舒适性。

而阿尔法S华为HI版,则是全球首款搭载了三颗激光雷达的量产车,在阿尔法S的基础上,它具备了华为目前最高阶智能驾驶水平,并在城区也有着非常优异的表现,具备人车混行避障、快速路巡航、脱困换道、大卡车压线形式避让、自动泊车等功能。
极狐阿尔法T,定位全地形性能纯电SUV,搭载了自适应全地形四驱系统,具备雪地、泥地、沙地三种驾驶模式。阿尔法T电池系统有着出色的低温表现,东北地区冬季也能够正常驾驶。并且支持直流快充,35分钟内可实现加电50%,最高可实现653km综合续航。

现场,北汽新能源工程研究院副院长曹琛女士,极狐阿尔法S产品总监段立飞先生,极狐汽车全国直销总经理赵志楠先生,极狐汽车全国渠道及销售事业总监马百功先生,就大家感兴趣的问题,接受了现场媒体的采访:

媒体:今年上半年以来,极狐的两款车型销量越来越好,今年后面的时间在营销方面有什么规划?阿尔法S 华为HI版年底要交付,想问一下这款车最新进展情况。

马百功:实际上今年对于整个极狐品牌来说是第一年,从整个营销战略上也有比较清晰的规划,今年上半年我们更多是让消费者能够感受到、看到我们这个品牌,能够认知并且接受我们这个品牌。

下半年我们的规划是提供更多的落地活动,包括跟客户的接触,能够让客户真真正正地全方位感受到我们品牌以及产品,所以说可以看到实际上我们从6月份、7月份陆续开展了沉侵式体验营“极狐行动”,主要的目的也是为了加强极狐品牌产品与当地客户及媒体的互动,给媒体老师及当地用户们提供更多体验。

明年我们将从品牌和产品两个维度一起发力,本着守正出奇的方针,我们从产品品质、安全、性能多方面进行整合的营销,继续打造品牌,继续推广产品。

刚才您提到的极狐阿尔法S华为HI版,这款车我们实际上在今年4月17日品牌之夜的时候正式预售,这款车极狐与华为联合共同打造的,是首款采用华为HI智能驾驶全栈解决方案量产车,是全球首款搭载3颗激光雷达的量产车。这款车预售以来备受市场和用户关注,也收到大量用户订单,我们预计在今年Q4及明年陆续地交付。

媒体:现在很多车企都在说华为技术,极狐是如何对消费者去解释这种区别?刚才在楼下看前大灯,前灯使用起来肯定很好、高级,但是如果想快一步那成本很高,如果让消费者打消这个顾虑?

赵志楠: 3年前我们就开始和华为一起研发面向下一代的智能驾驶解决方案,可以说,我们是最早与华为一起布局于智能驾驶领域的主机厂之一。

如同刚才曹院长所讲的IMC架构,我们的底盘的开放度会更高,在我们这个平台上,除了您知道的华为HI,我们两个月前和百度也共同发布了一个新一代共享无人车Apollo Moon。我们这个平台具备未来智能驾驶场景解决方案的硬件基础。

第二点,刚才两位专家也讲到了,我们有世界级的制造工厂,保证了一流的品牌,我们的车整体的操控、整体的驾驶愉悦性都非常高,客户喜欢我们的车,都从试驾开始的,试驾完了直接会提走我们的车。

媒体:曹院长,关于阿尔法S华为版HI版,有人说与华为合作相当于把灵魂交出去,好像传统车企认为应该从踏实角度一步一步往上走,不愿意把整体的解决方案和架构分享给别人让别人主导。极狐为什么敢尝试用这样的方式来造自己的电动车?

曹琛:实际上我想对这个问题,应该以一种更加开放的心态来去看待技术的进步和生态的合作,我们和华为的合作确实像刚才赵总讲到的,我们是三年前就共同在智能驾驶领域合作去进行产品的开发,这点可以通过在不同的领域以不同的视角去进行产品在最初时的定义和场景的定义,共同去进行一个产品的打合。

来自于ICT行业或者消费电子行业,大家更多地去看重的是怎样去洞察消费者在场景下的这样一些体验,这是我们通过产品的迭代和开发的理念可以感受到科技带给我们生活的日新月异的一些变化。

对于汽车产品,它是一个高复杂的系统产业,产业链非常长、技术涉及到的学科非常充分、高技术密集性和劳动密集性的产业。在过程中,其实我们也要去不断吸收消费者对于产品的新诉求,我们认为这样一个合作并不是说我们会失去我们产品主导的位置。

或者换句话说,我们更看重的是怎样通过这种跨领域的强强联手合作来提升我们产品本身的竞争力,给大家带来更好的赋能、更好的体验,而且我相信通过我们这样合作的方式,我们一定会给大家带来不一样的极狐阿尔法S华为 HI版,大家能感受到更加有冲击力的汽车下一代技术,也相信我们会围绕着这样一种创新型的业态会将智能化汽车的道路越走越宽阔,这是我的理解。


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