一、研究背景與存在的問(wèn)題
換熱器是工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳的重要裝備，國(guó)家及各行業(yè)主管部門先后出臺(tái)多項(xiàng)政策支持高效換熱器研制。換熱器是工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的重要裝備，被稱為是工業(yè)血管。在石油化工、熱泵等領(lǐng)域，換熱器占投資總額的30%以上。換熱器的應(yīng)用領(lǐng)域廣，市場(chǎng)規(guī)模大。工業(yè)換熱器的特點(diǎn)是尺寸大，對(duì)材料規(guī)格需求多，焊接管束采用冷軋卷板，厚度最薄只有0.4毫米，而殼體和封頭采用熱軋卷板和中板，最厚達(dá)到20mm。工業(yè)換熱器的換熱工況多元復(fù)雜，高溫、高壓、大流量且介質(zhì)腐蝕性不穩(wěn)定。工業(yè)換熱器的選材要求，首先是傳熱效率高，第二是安全性和可靠性，耐蝕性是安全性和可靠性的首要保障；最后是經(jīng)濟(jì)性。
核電、石化、熱泵及濱海電站等特殊領(lǐng)域換熱器用材中不銹鋼占比超過(guò)50%，以316為主，年需求量在20萬(wàn)噸。核電汽水分離再熱器（MSR）換熱介質(zhì)腐蝕性較弱，但要承受高溫高壓，關(guān)鍵材料一直依賴進(jìn)口；濱海電站凝汽器采用海水作為冷卻介質(zhì)，氯離子濃度高達(dá)20000ppm，鈦材價(jià)格高且強(qiáng)度和彈性模量低，耐海水沖刷抗振動(dòng)性能差；石化領(lǐng)域換熱器換熱介質(zhì)復(fù)雜，除含氯離子外，還含有多種化學(xué)物質(zhì)，而熱泵中的換熱管要同時(shí)承受內(nèi)外側(cè)介質(zhì)的腐蝕，316在石化和熱泵領(lǐng)域耐點(diǎn)蝕性不足，且易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，導(dǎo)致介質(zhì)泄漏事故頻發(fā)。應(yīng)力腐蝕是316的固有特性，解決應(yīng)力腐蝕，材質(zhì)需要升級(jí)到904或2205，都需要付出高昂的成本代價(jià)。
二、解決思路與技術(shù)方案
超純鐵素體不銹鋼碳、氮含量極低，為單一的鐵素體組織，固態(tài)無(wú)奧氏體或馬氏體相變；具有高熱導(dǎo)低熱膨脹的物理特性，其導(dǎo)熱系數(shù)較300系增加50%以上，熱膨脹系數(shù)較后者降低1/3；在耐腐蝕方面也優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)力腐蝕免疫、耐堿腐蝕、耐氨腐蝕等，非常適用于換熱領(lǐng)域，并且由于不含或者含少量鎳，成本優(yōu)勢(shì)明顯。鑒于上述問(wèn)題，太鋼技術(shù)中心聯(lián)合鋼鐵研究總院、東北大學(xué)、中信金屬等單位，針對(duì)特殊領(lǐng)域換熱器用超純鐵素體不銹鋼對(duì)耐蝕性、焊接性、塑-韌性等的需求，開展了系列高性能超純鐵素體不銹鋼合金化設(shè)計(jì)、高潔凈度冶煉及連鑄技術(shù)、冷板連續(xù)生產(chǎn)及中厚板高塑性-韌性研究，解決了換熱器特殊領(lǐng)域用超純鐵素體不銹鋼材料設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的系列難題，實(shí)現(xiàn)了換熱用高性能超純鐵素體不銹鋼產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化及技術(shù)自主化，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)鐵素體不銹鋼生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步。
三、主要?jiǎng)?chuàng)新成果
1、特殊領(lǐng)域換熱器用系列高性能超純鐵素體不銹鋼合金化設(shè)計(jì)
總體思路是多維度差異化的品種設(shè)計(jì)與成分優(yōu)化。首先是超低碳設(shè)計(jì)，碳含量要極低化；其次是基于性能和成本的鉻鉬基礎(chǔ)合金和微合金成分優(yōu)化。
（1）系列超純鐵素體不銹鋼Cr、Mo成分匹配設(shè)計(jì)。PREN值（點(diǎn)蝕當(dāng)量，Cr+3.3Mo）是衡量鐵素體不銹鋼耐點(diǎn)蝕和耐縫隙腐蝕的重要指標(biāo)，圖1為鐵素體不銹鋼P(yáng)REN值與氯離子濃度、換熱溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，本項(xiàng)目綜合考量Cr、Mo的作用效果及成本，針對(duì)不同工況介質(zhì)開展了差異化品種設(shè)計(jì)。其中核電MSR采用439系，石化、熱泵及濱海電站換熱器則采用444、445及446系。
圖1不同PREN值鐵素體不銹鋼在不同溫度下可適用的Cl-濃度范圍
（2）系列超純鐵素體不銹鋼微合金化設(shè)計(jì)。研究了Ti、Nb、Cu等微合金化元素對(duì)超純鐵素體不銹鋼性能的作用規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了系列超純鐵素體不銹鋼的最優(yōu)性價(jià)比微合金化設(shè)計(jì)，并發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行成分優(yōu)化配置。如圖2(a)和(b)。
圖2Ti和Ni分別對(duì)超純鐵素體不銹鋼等軸晶比例(a)及韌性的影響(b)
2、高含鈦（＞0.3wt%）超純鐵素體不銹鋼高潔凈度冶煉及連鑄關(guān)鍵技術(shù)
高含鈦超純鐵素體不銹鋼全鋁無(wú)鈣高效脫氧冶煉技術(shù)，超純的碳含量小于100ppm，且Cr含量增加降低C活度，冶煉需大幅過(guò)氧，常規(guī)脫氧工藝效果差，含鈦類氧化物夾雜多，影響產(chǎn)品的耐蝕性能。另外，高含鈦超純鐵素體不銹鋼極易發(fā)生結(jié)晶器“結(jié)魚”，導(dǎo)致連鑄中斷或鑄坯表面質(zhì)量差，影響生產(chǎn)節(jié)奏和制造成本。
（1）本項(xiàng)目采用全鋁無(wú)鈣高效脫氧工藝和高堿度三元渣系的匹配，實(shí)現(xiàn)了鑄坯極低碳和超低氧的穩(wěn)定控制，夾雜物尺寸小于10mm，有效解決了夾雜物引起的點(diǎn)蝕。圖3為[Al]與aTi/aAl的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖3[Al]與aTi/aAl的對(duì)應(yīng)關(guān)系(a)及實(shí)施前后夾雜物形貌(b)
（2）高含鈦超純鐵素體不銹鋼鑄坯表面高質(zhì)量連鑄技術(shù)，本項(xiàng)目采用高過(guò)熱度、強(qiáng)冷卻技術(shù)，以及高黏度酸性結(jié)晶器保護(hù)渣的設(shè)計(jì)，鑄坯振痕深度低于0.3mm，消除了鑄坯卷渣，實(shí)現(xiàn)了鑄坯無(wú)修磨的目標(biāo)，降低成本優(yōu)化生產(chǎn)節(jié)奏。圖4(a)和(b)分別是原渣與本項(xiàng)目開發(fā)渣粘度隨溫度的變化規(guī)律及本項(xiàng)目開發(fā)渣對(duì)鈦化物吸收能力與原渣的對(duì)比。
圖4保護(hù)渣粘度隨溫度的變化(a)及本項(xiàng)目開發(fā)渣與原渣對(duì)鈦化物吸收能力對(duì)比(b)
3、高鉻鉬超純鐵素體不銹鋼冷軋卷板高效連續(xù)生產(chǎn)技術(shù)
高鉻鉬超純鐵素體不銹鋼合金含量高，Cr含量最高至28wt%，Mo含量最高至4wt%，金屬間化合物易析出，熱卷脆性大，熱線及冷軋易斷帶，冷板成材率低且具有極大的安全隱患。
（1）高鉻鉬超純鐵素體不銹鋼熱軋卷板高韌化技術(shù)，本項(xiàng)目系統(tǒng)研究了M23C6、Laves、TiP等合金化合物析出規(guī)律，采用控溫?zé)彳埖蜏鼐砣〉墓に?，大幅提升熱卷韌性，解決了熱卷脆斷難題。
圖5高鉻鉬鐵素體不銹鋼中金屬化合物析出規(guī)律
（2）高鉻鉬超純鐵素體不銹鋼熱軋卷板高質(zhì)量焊接技術(shù)，冷連軋連續(xù)生產(chǎn)是高鉻鉬超純鐵素體不銹鋼提高成材率降低成本的關(guān)鍵，但通板過(guò)程中，最厚6毫米帶鋼焊縫要經(jīng)歷206次的正反彎曲，焊縫脆斷成為制約連續(xù)生產(chǎn)的瓶頸。本項(xiàng)目采用高能量密度控制、低熔合比激光焊接技術(shù)及焊后在線熱處理技術(shù)，成功解決了焊縫斷裂問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)冷軋卷板連續(xù)生產(chǎn)。
4、高超純鐵素體不銹鋼熱軋中板高塑-韌性制備技術(shù)
超純鐵素體不銹鋼尺寸效應(yīng)明顯，隨厚度增加，脆性增加；氮化鈦相為方形的硬質(zhì)顆粒，很容易造成應(yīng)力集中成為裂紋源；而且隨著厚度的增加，退火熱應(yīng)力增加，脆化明顯。
（1）動(dòng)載荷下鐵素體不銹鋼孿生誘發(fā)脆性轉(zhuǎn)變機(jī)理。在沖擊斷裂過(guò)程中，微裂紋并非在組織中隨機(jī)產(chǎn)生，而是優(yōu)先在形變孿晶的尖端并在與形變孿晶呈一定角度的方向上萌生，并且形變孿晶的孿晶界為裂紋的擇優(yōu)擴(kuò)展提供最有利的路徑，從而導(dǎo)致微裂紋的相互連接、聚合及主裂紋的形成。隨后，主裂紋將通過(guò)其尖端附近形變孿晶尖端處微裂紋的增長(zhǎng)和聚合實(shí)現(xiàn)自身擴(kuò)展，并隨著這一過(guò)程的不斷重復(fù)，最終導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生，如圖6所示。
圖6動(dòng)載荷下鐵素體不銹鋼孿生誘發(fā)脆性轉(zhuǎn)變機(jī)理
（2）超純鐵素體不銹鋼熱軋中板梯度溫度協(xié)同處理技術(shù)。通過(guò)再結(jié)晶退火，晶粒細(xì)化，抑制孿晶形成；通過(guò)時(shí)效退火形成碳化鈮析出對(duì)氮化鈦的包覆減少應(yīng)力集中；通過(guò)低溫消應(yīng)力退火消除中板熱應(yīng)力。本項(xiàng)目打破了厚度超過(guò)6mm超純鐵素體不銹鋼鋼板無(wú)應(yīng)用價(jià)值的傳統(tǒng)認(rèn)知，成功開發(fā)了8毫米及以上厚度高韌性超純鐵素體不銹鋼中板，并實(shí)現(xiàn)了最厚20毫米中板的穩(wěn)定生產(chǎn)。
圖7再結(jié)晶退火溫度(a)及時(shí)效退火(b)對(duì)超純鐵素體不銹鋼沖擊功的影響
圖88mm高韌性超純鐵素體不銹鋼中板沖擊功及?3300mm封頭沖壓
四、應(yīng)用情況及效益
本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了系列換熱用高性能超純鐵素體不銹鋼的規(guī)?；a(chǎn)，率先與下游企業(yè)完成應(yīng)用技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)多個(gè)項(xiàng)目的國(guó)內(nèi)國(guó)際首發(fā)，并且牽頭將超純鐵素體不銹鋼納入GB/T713.7承壓設(shè)備用鋼標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展。
圖9換熱用高性能超純鐵素體不銹鋼應(yīng)用技術(shù)開發(fā)
實(shí)踐證明超純鐵素體不銹鋼在提升換熱效率的同時(shí)，可降低12%以上的材料成本，性價(jià)比優(yōu)異。高性能超純鐵素體不銹鋼換熱器廣泛應(yīng)用于三代核電站MSR、大溫差余熱回收熱泵機(jī)組、濱海電站凝汽器等。
圖10換熱用高性能超純鐵素體不銹鋼典型應(yīng)用案例
高性能超純鐵素體不銹鋼率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化及技術(shù)自主化，推動(dòng)國(guó)內(nèi)鐵素體不銹鋼生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步；同時(shí)推動(dòng)了國(guó)內(nèi)換熱設(shè)備產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新，為換熱器高效化提供材料支撐；本項(xiàng)目拓寬了超純鐵素體不銹鋼的應(yīng)用領(lǐng)域，緩解對(duì)鎳資源的依賴。
