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多项产品实现国内首家国产化!太钢核级不锈钢的研发与应用
来源: | 作者:Emma | 发布时间: 2023-05-19 | 879 次浏览 | 分享到:

       核级不锈钢是一类组织稳定性高、中子吸收截面小、感生放射性低的不锈钢材料。核级不锈钢用于核电站核岛一回路与高放冷却剂相接触的耐腐蚀设备或部件的制造。由于核级不锈钢在成分、性能方面表现优异,可满足中微子、暗物质探测、硬X射线光源等大科学研究领域设备制造要求,因而使用领域得到扩展。

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太钢核级不锈钢多项产品实现国内首家国产化

太钢作为不锈钢领军企业,积极参与了我国核电事业的发展和建设。21世纪初,在我国核电设备制造技术、不锈钢制造技术提升和国家提高核电国产化率的背景下,太钢投身于RCC-M规范核级不锈钢材料的研发。至2022年,太钢全程参与了二代半、三代、四代、五代不同核电技术各种核级不锈钢材料的研发,现具有年1.5万吨的供货能力,累计供货近10万吨,国内市占率多年保持在60%以上,是国内主要的核电材料供应企业(图1)。与此同时,太钢核级不锈钢还出口俄罗斯、巴基斯坦等国外核电项目。

太钢见证了近20年我国核电的发展过程,实现了多项产品的国内首家国产化,每年都有新产品研制成功、走向市场,为我国核电发展贡献了太钢力量。表1列出了太钢核级不锈钢材料国产化历程重大事件。


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四大类核级不锈钢满足不同技术堆型核电项目需要

太钢拥有从矿山、炼铁、炼钢、轧钢、锻造、热处理等全流程的不锈钢制造工艺流程和装备,装备精良、工艺成熟、经验丰富,非常适合核级不锈钢的生产。现有核级不锈钢冶炼流程四条,可按成分要求、技术特点、合同数量和规格合理选择,从产品质量、供货进度、可靠性、稳定性、均一性等方面全面满足核级不锈钢技术和质保要求。

太钢拥有四大类核级不锈钢产品,可满足百万千瓦级压水堆及其他全部不同技术堆型核电项目的建设需要。第一类法国“RCC-M技术规范核级不锈钢”,主要用在二代+、三代(华龙一号)压水堆。第二类“ASME BPVC规范核级不锈钢”,主要用在三代(CAP1000、CAP1400)压水堆。第三类“钠冷快堆核级不锈钢”,主要用于包括钠冷快堆为代表的四代高温技术核电堆型。第四类“聚变堆核级不锈钢”,主要用于国际合作项目ITER计划及我国聚变堆CFETR等项目。

压水堆项目核1级不锈钢板,太钢是国内唯一供货单位,产品实物质量总体达到世界先进水平,主要技术指标世界领先;钠冷快堆核级不锈钢板,太钢在国内率先完成工艺和产品开发,质量指标达到世界领先水平;聚变堆不锈钢材料,太钢产品质量达到国际先进水平,得到用户高度认可。太钢316H钢板获快堆联盟“凤凰奖”。此外,中国国际核聚变能源计划执行中心就聚变堆钢板贡献向太钢发来感谢信。

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太钢核级不锈钢生产技术路线

近年来,太钢以钠冷快堆的高温环境对316H不锈钢的高温性能要求为基础,结合在压水堆、聚变堆钢板制造技术方面的技术积累,从化学成分、组织、性能控制技术等方面深入研究和开发,以有害因素最小化、有利因素最大化为目标,形成一套完整的高品质不锈钢制造工艺和技术。

3.1 核电高纯净不锈钢精炼技术

太钢以铁水为主原料,开发“三脱铁水预处理+低杂质元素合金”的原料纯净化技术和流程,并根据需要开发出了“三脱铁水→K-OBM-S→VOD”和“三脱铁水+中频炉预溶液→AOD→RH”两条精炼工艺路线,实现了不锈钢纯净度控制的突破,也是世界唯一采用优质“三脱”铁水为原料生产核电用不锈钢的企业。

通过开发核电不锈钢精炼关键技术,实现脱氢率>80% 、[H]≤2ppm,T[O]≤15ppm,P、V、Cu、Co有害金属元素降低了60%以上,Co元素的降低率高达93%,消除了粗系夹杂物,各类细系夹杂物级别控制在1.0级以内。

3.2 高耐蚀、高强韧性能匹配控制技术

化学成分是钢种力学性能、耐蚀性能的基础。太钢首先应通过成分设计和控制,使得钢种同时兼顾各项性能要求。对于奥氏体不锈钢而言,强化力学性能的手段一般只有碳元素和氮元素,碳元素对钢种强度有利但对耐腐蚀性能不利,氮元素对钢种的强度和耐腐蚀性能都有利。

针对钢板高温强度、高耐蚀要求的矛盾需求关系,太钢通过C、Nb、N等元素的控制,实现了不锈钢的高温高强、高耐蚀、强韧性最佳匹配,成为高质量稳定工业化生产的重要保证。 

3.3 残余铁素体超低含量控制技术

鉴于残余铁素体对奥氏体不锈钢高温、低温和导磁性能等不利的问题,太钢针对钢板轧制用连铸坯和电渣锭中铁素体含量、分布规律以及铁素体在热轧、热处理时不能消除的特点,通过分析钢液非平衡凝固过程中铁素体相的析出行为和固态下铁素体相的高温扩散行为,分别开发了锭、坯、板上残余铁素体含量的科学、合理化控制技术,既能利用到铁素体对力学性能、组织均匀性方面好的贡献,也能够有效避免残余铁素体造成的危害。

3.4 性能均匀性、稳定性控制技术

钢板性能均匀性、稳定性取决于组织的稳定性,最主要是晶粒度及其均匀性。针对不同厚度的钢板,为了实现钢板全厚度范围晶粒度和性能的精准和均匀控制,根据奥氏体不锈钢的固有特性,太钢开发出包括薄规格钢板“匹配固溶处理技术”、超厚规格钢板“高压缩比+大单道变形量+高终轧温度+匹配固溶处理技术”、中等规格钢板“复合叠轧控制技术”等系列钢板晶粒度控制技术,具备了6-150mm厚度的钢板晶粒度级别按技术要求进行准确调控、且全厚度范围的级差不超过2级的工艺技术水平,满足了核电产品对材料组织均匀性的内在需求。

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展望

现阶段,在我国大力推动“双碳”战略的背景下,核电产业提升空间很大。至2035年核电发电量占比将达到10%,年建设6-8台,不锈钢年需求量达到1.5万吨。四代核电、聚变堆快速发展,微堆、小型堆发展迫切,大型核电向内陆发展等未来核电的发展动态和方向,都为核级不锈钢提供了广阔的市场和发展前景,也提出了新的技术挑战。太钢可以通过冶炼、轧制、锻造、热处理等技术开发以及设备升级改造,实现尺寸更大、技术指标更高的核级不锈钢产品的制造,同时加快研发含硼不锈钢、镍基合金等新材料,补齐国内核电产业链上材料缺口,为中国核电发展和走出国门提供有力的支撑。

(太钢核级不锈钢荣获2022年度中国钢铁工业产品开发市场开拓奖)