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前瞻:“十三五”钢铁产品研发重点在哪里?

发布日期:2015-12-08

  2015年是“十二五”收官之年。而根据国际钢协2020年课题和中国工程院课题预测,中国钢铁行业表观消费量正是在2015年左右达到顶峰,进入行业投资负增长的时代。站在2015年末展望未来,进入需求峰值平台区的钢铁行业,其技术创新的方向是什么?即将到来的“十三五”,钢铁行业应该把产品研发重点放在哪里?

  “生态、低成本、高性能钢铁产品开发是互联网时代钢铁业智能化的主体。”11月10日,在由中国冶金报社主办的2015(首届)中国钢铁产业链电商高峰论坛上,中国工程院原副院长、中国金属学会理事长、中国稀土行业协会会长干勇在主旨演讲中给出了这样的答案。生态产品需要满足在生产和全生命周期的时间尺度上减少社会的资源、能源与环境的负荷,并且能提高社会能源的生产和使用效率。钢铁企业应该进行这样的产品开发,从而获取新的竞争力。

  在此基础上,结合“十三五”国家重点专项的内容,他指明了钢铁行业“十三五”技术发展的总体任务方向———绿色化、智能化钢铁制造流程及品种技术集成的研发与应用,并详细介绍了相关产品的基础研究及重大关键技术。

 

国家能源战略需要先进能源用钢支撑

  干勇指出,我国在先进能源用钢的基础研究和重大关键技术方面已经取得了进步,“十三五”时期还要继续在这方面开展重点研究。

  例如,在火电领域,研发和建设先进超超临界火电机组成为优化我国能源结构、实现减排目标的重要举措。而且,我国已攻克600℃超超临界耐热钢技术,产品已占领市场;已建成600℃超超临界电站122.4GW,占世界的80%;已研制出与目前国外先进水平相当的6吨级镍基耐热合金铸锻件和各种口径锅炉管,为700℃超超临界汽轮机耐热合金及其10吨~30吨级部件研制奠定了坚实的技术基础。

  在核电领域,国内一重、钢铁研究总院、二重、上重等单位已初步掌握AP1000锻件生产技术,并实现了供货,但产品质量稳定性尚待提升。此外,一重和钢铁研究总院正在开展CAP1400大锻件研发工作。国内宝钢股份+宝银特种钢管公司、抚钢+久立特材等单位围绕AP1000传热管分别开展攻关。目前宝钢股份+宝银特种钢管公司完成了CPR1000传热管试制,已供货一台份(防城港核电项目)。我国AP1000机组Inconel690传热管的国产化攻关正处于关键时刻。

  干勇介绍,高/低温、高压、复杂介质环境下能源用钢的失效行为(断裂、腐蚀、磨损)与机理,能源用钢的高强韧、长寿命机理与组织精细化调控,低成本、耐腐蚀双金属复合材料全轧制复合机理与调控,高强高韧钢低成本合金设计与全流程组织细化TMCP (热机械控制工艺)技术,提高耐磨性、耐蚀性与高温性能稳定性的基体组织与析出相控制技术,双金属复合材料全轧制复合工艺与装备关键技术,高品质宽厚板和大型铸锻件高洁净、均质化制造技术,是“十三五”时期我国先进能源用钢基础研究及重大关键技术。

  具体目标是,管线钢满足年输气量450亿立方米及可在-40℃下安全服役的重大需求;“钢-钛”和“钢-耐蚀合金”复合板界面剪切强度达到200兆帕以上;LNG (液化天然气)储罐用钢合金成本比传统9%镍钢降低20%以上,综合性能达到9%镍钢水平;二氧化碳驱油气开采用耐蚀钢使用寿命延长两倍;煤机用耐磨钢耐磨性提高到相同硬度的传统耐磨钢的1.5倍以上,机加工与焊接性能不低于传统耐磨钢;耐热合金与核能用钢满足700℃火电机组示范工程建设和新一代核电站应用要求。

 

补齐“工业强基”短板有赖特殊钢开发

  “工业强基”是我国实现从“制造大国”到“制造强国”跨越式发展的基础,其中基础件量大面广,但我国高端装备关键基础件仍需要从国外进口。以高端模具为例,高端模具用材料仅有国外几个先进模具钢企业能生产,国内不能生产,几乎全部依赖进口。因此,我国在特殊钢研发方面还有很多工作需要做。

  “十三五”特殊钢基础研究及重大关键技术的主要研发内容包括:特殊钢新型强韧化机制与高可靠长寿命机理,制备及服役过程微观组织演化,耐高温、应力、腐蚀等服役环境适应性的材料设计技术,特殊钢高洁净度冶炼、夹杂物精确控制、均质化与组织精细化控制、精确成型与加工等产品质量稳定控制技术,低成本制造及简化流程技术,规律及其定量化描述,特种软磁合金性能调控机理等。

  具体目标是,大幅提高特殊钢及其制品的性能、质量稳定性和可靠性,关键产品质量达到进口产品水平,典型特殊钢品种的国内市场自给率达到80%以上,使用寿命在目前基础上延长50%;高性能超级模具钢可使用10万次以上,超高强度钢及高强度不锈钢制造成本降低40%。实现高服役安全性耐热钢、高可靠性真空脱气轴承钢、高效率低损耗及特殊用途电工钢、取向硅钢以及特种电机用电磁功能材料的规模化生产和应用。

 

极端环境用钢 强壮海工装备的“心脏”

  开采海洋资源是国家重大战略,我国海洋油气资源丰富,但油气资源对外依存度超过50%。这主要是因为我国90%以上的海洋油气资源储藏于500米以上深水水域,深海装备是开发这些资源的重要支撑;而我国海工装备的“心脏”———水下钻、采、集、输系统关键部件全部依赖进口。对此,干勇表示,我国亟须开发高强度、大规格、易焊接的船舶与海洋工程用钢。

  就海工特种合金而言,国外研发历史悠久,材料形成系列,更新换代频率高。而国内却呈现高端空白、低端不能用的特征。其表现为:先进材料品种空白,如7Mo超级不锈钢、耐蚀合金等;特种合金制造关键共性技术缺乏,如超纯冶炼、无缺陷连铸、无裂纹热加工等技术;现有产品等级低、质量差、寿命短,使用不安全;钛资源丰富,但海洋用钛尚在起步阶段。

  因此,“十三五”期间,我国深海油气开发用钢技术主要研发内容包括:大尺度、极寒环境用低温钢强韧化机理,海洋用钢低成本、高耐蚀设计原理,不同海洋服役环境下海洋用钢腐蚀机理与影响规律,可大线能量易焊接钢成分设计、生产工艺、生产装备关键技术,船舶及海工用钢产品差异化评价技术,高耐蚀海工特种部件粉末冶金工艺技术,超低温用钢成分、工艺、应用评价及建造关键技术。

  干勇明确,“十三五”期间,应显著提升我国船舶及海工用钢的研发及应用水平,典型材料的性能分别达到最大强度785兆帕级,最大规格180毫米以上,最大焊接热输入200焦耳/厘米,最大寿命延长50%以上,实现焊材、型材配套,示范应用总量达到千吨以上,实现相关高端品种的自给率(按牌号计算)从目前不足40%提高到70%以上。此外,还要完善应用评价体系建设,逐步建立产品评级体系和海工用钢专用规范体系。

 

开发高性能交通与建筑用钢满足品质需求

  随着人们生活水平的提高,对高性能交通与建筑用钢的需求也日益增长。以第三代汽车用钢板为例,其应用可在原减重23%的基础上,继续减重10%~20%,整车减重3%~6%,燃耗可降低4%。在世界先进发动机研制和生产中,高温合金材料用量已占到发动机总量的40%~60%。而这些应用部位都关乎发动机的可靠性和安全性,对材料综合性能水平和相关基础工业水平要求甚高。

  为了满足这些新需求,我国需要在高性能交通与建筑用钢方面加大基础研究及重大关键技术的研发,其主要内容包括:高性能交通用钢多相与动态相变强韧化机理、抗冲击、耐腐蚀、耐疲劳设计原理、成形回弹、延迟开裂机理,建筑用钢的耐海洋大气腐蚀、抗震、耐火机理,第三代先进汽车用钢的多相组织设计与调控、生产工艺与装备及制造关键技术,高强度钢成形关键工艺与控制技术,第三代汽车用钢应用及轻量化评价技术,高速重载铁路用钢的窄成分冶炼、超低氧控制技术、高耐磨抗冲击重轨组织调控技术,建筑用钢组织稳定性控制技术、低屈强比控制技术、表面预处理技术。

  具体目标是:大幅度、大规模地推动车身轻量化和节能减排,实现1000兆帕~1500兆帕的高强塑积第三代汽车用钢的制备与应用,整车减重8%~20%以上;实现时速300千米以上高铁用材基本国产化,重载钢轨满足5亿吨运量或50年使用寿命要求;高耐蚀货车车体用钢满足25 年服役寿命要求;典型建筑及桥梁用钢使用寿命可延长到50年~100年,且满足耐火、耐候、耐蚀等功能复合化要求。

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