科技新进展：铬镍不锈钢RKEF-AOD双联法冶炼新工艺与含氮高强化产品开发及应用

     2024年07月25日

一、研究的背景与问题

不锈钢是国民经济的重要材料，2023年我国产量3600多万吨，全球占比62%左右，其中以304为代表的铬镍不锈钢占比超过50%，金属镍消耗量每年150万吨以上。但我国镍资源严重匮乏，依赖进口。

铬镍不锈钢通常以镍铁为原料，经电弧炉熔化后AOD精炼。其中镍铁价格高、波动大。本项目之前，镍铁和不锈钢生产的两大工艺流程是独立、分开的（图1）；从红土镍矿经矿热炉冶炼的镍铁不得不先浇注再在电弧炉二次熔化，导致冶炼工序能耗高、成本高。

图1 传统电弧炉-AOD冶炼铬镍不锈钢工艺流程

铬镍不锈钢耐蚀性好，但屈服强度低于 355MPa，如用于承载结构件需要增厚，不仅成本高，碳排放也高。美标 201 和国内 201 不锈钢的屈服强度较高，但其耐蚀性差，会严重降低使用寿命。本项目之前，成本低、强度高、耐蚀性好的奥氏体不锈钢产品属于空白（图 2），无法满足承载结构领域需求。

 

图2 Cr-Ni系及节镍Cr-Mn系不锈钢的PREN值与屈服强度

二、解决问题的思路与技术方案

本项目的总体思路（图3），一是以红土镍矿为原料，一体化集成镍铁和不锈钢冶炼两大工艺流程，形成RKEF-AOD双联法新工艺，提高能效、降低成本。主要技术难点包括镍点精准控制技术、矿热炉长寿命控制技术及RKEF镍铁水热送AOD新工艺流程等。 二是利用含氮高强化技术，在保持铬镍不锈钢耐蚀性前提下，提升产品强度，以满足承载结构领域需求，同时节约镍钼贵金属。主要技术难点有合金体系设计、铸坯气孔和凹陷控制技术、热轧边裂和表面脱皮控制技术、焊接性和焊接工艺、成形性及成形工艺等。

图3 项目总体研究思路

三、主要创新性成果

1、全球首创红土镍矿RKEF-AOD双联法冶炼不锈钢新工艺流程

①针对不同Fe/Ni比的红土镍矿，建立了配碳与矿热炉冶炼镍含量的对应关系，开发了动态柔性配碳技术及相应模型管理系统，实现了镍含量的动态精准控制（表1）

表1 镍铁水热送AOD冶炼304不锈钢

②针对SiO₂/MgO比高、渣熔点低、矿热炉寿命短，解析了配碳对渣熔点的影响规律（图4），开发了渣熔点动态调控工艺，实现了精准挂渣，从而显著降低了炉衬侵蚀，矿热炉寿命提升到10年以上。

 

图4 配碳比对矿热炉渣熔点的影响

③全球首次一体化集成了回转窑（RK）+矿热炉（EF）冶炼镍铁和AOD精炼不锈钢装备和产线，形成了RKEF-AOD双联法新工艺流程（图5），镍铁水入AOD炉的温度和镍点均满足不锈钢冶炼要求。2010年建成了全球第一条工业产线，新工艺流程吨钢可节电580kW·h，工序成本降低330元以上，降幅30%以上。

 

图5 RKEF—AOD双联法冶炼不锈钢新工艺流程

2、含氮高强化不锈钢产品开发及高表面制造技术

在保持铬镍不锈钢耐蚀性基础上，采用了最低的合金总量（Cr+Mn+Ni+Cu+Mo)及常压冶炼、连铸工艺获得0.20%以上的氮合金化，攻克了氮含量精准控制、铸坯气孔和表面凹陷、热轧带钢边裂和表面脱皮等技术难题。突破了双相不锈钢热连轧宽幅带钢2.0ｍｍ厚规格极限，并首发冷酸2B表面产品。相比铬镍不锈钢，新产品屈服强度提升30%以上；贵金属镍含量下降26%-81%，钼含量下降50%以上，综合合金成本降低20%以上。

①发现了氮细化奥氏体晶粒、提升表面钝化膜中铬和氮含量（图6）、延缓碳化物析出（图7）等诸多有利作用，在此基础上开发了4个含氮0.20%以上的奥氏体不锈钢产品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109（图8），其屈服强度在355 MPa以上，耐点蚀能力远优于几十年来国内外长期使用的美标201、印度201和国内201等铬锰系奥氏体不锈钢（图9），分别达到304、304L、316L和317L等铬镍系不锈钢级别，填补了经济型高强高耐蚀奥氏体不锈钢产品空白。

 

图6 氮提升QN1803不锈钢表面钝化膜中铬和氮含量

 

图7 QN1803和304不锈钢时效温度-时间-晶间腐蚀敏感性(TTS)曲线对比

 

图8 含氮高强化奥氏体不锈钢的PREN值与屈服强度

图9 QN1803、304及铬锰系奥氏体不锈钢的合金体系和耐点蚀当量对比

②开发了AOD精准吹氩控氮模型，以精准控制钢液氮含量；阐明了中包温度、连铸拉速和结晶器冷却速率等连铸工艺对铸坯氮气孔的影响规律（图10），解决了铸坯氮气孔缺陷；开发了含氮高强化不锈钢高熔化速率保护渣，解决了铸坯表面凹陷的技术难题。

 

图10 温度对QN1803不锈钢氮溶解度的影响

③建立了适用于含氮高强化奥氏体不锈钢铸坯铁素体含量与合金成分的新型定量关系（图11），发现了合金成分对热轧氧化皮熔点的定量影响规律。通过调控合金成分以及中高温快轧的热轧工艺，攻克了热轧带钢边裂和表面脱皮缺陷的技术难题。

 

图11 传统铁素体当量Dg值、新型铁素体当量Dg值与铸坯铁素体实测值对比

④开发了双相不锈钢QD2001的铸坯组织细化和形态控制技术（图12）、热轧相组织比例控制工艺、冷轧退火和酸洗技术，全球首发了2.0mm厚热连轧宽幅带钢和2B表面产品。

 

图12 双相不锈钢QD2001的铸坯组织细化和形态优化

3、含氮高强化不锈钢的焊接和成形技术

含氮高强化不锈钢的加工应用主要有两大技术难点：一是氮含量高，焊接时焊缝易发生氮逸出，出现氮含量下降和氮气孔，耐蚀性能明显下降；二是由于起始强度高，冷加工硬化明显，板材难于满足深冲+胀形的复合成形，此外双相不锈钢两相组织冷变形协同能力差，双相不锈钢盘条极易出现冷镦开裂。

①开发了含氮高强化奥氏体不锈钢的配套焊接工艺和焊接材料，形成了焊接工艺数据库。采用92%Ar+8%N₂气体保护并控制热输入（图13），焊后耐蚀性达到铬镍不锈钢水平。

 

图13 QN1803和304不锈钢焊接热输入对比

②发现了冷成形过程中形变马氏体（图14）对成形性的影响，建立了含氮高强化奥氏体不锈钢板材成形指数与合金成分的新型当量关系（图15），通过调控合金成分和组织晶粒度的生产工艺，攻克了含氮高强化奥氏体不锈钢成形开裂的技术难题。通过调控固溶退火工艺，使QD2001双相不锈钢盘条获得了更接近50%两相比例、晶粒更充分再结晶的组织，解决了冷镦易开裂的技术难题。

图14 QN1803和304不锈钢冷成形过程中的形变马氏体（绿色标记）

图15 含氮高强化不锈钢板材MD30（a）及成形指数FT（b）与杯突值对应关系

四、应用情况与效果

本项目历时十多年，由青拓集团等单位针对铬镍不锈钢开展了冶炼工艺流程和含氮高强化品种等两方面的创新。2021-2023年，新增产值146.6亿元，新增利税8.6亿元。项目获授权发明专利11项；发布相关产品标准25项，含国标2项、行标7项、团标16项，其中主编6项，另有1项国标和2项主编行标今年下半年发布；发表学术论文15篇。2022年，中国金属学会组织评价委员会认为“该项成果达到国际领先水平”。

2010年开始以红土镍矿为原料，应用RKEF-AOD双联法新工艺精炼铬镍系不锈钢的,2022年开始应用于含氮高强化奥氏体不锈钢的生产。新工艺同常规电弧炉-AOD工艺相比，吨钢可节电580kW·h、碳排放减少460kg、成本降低330元；每1%镍合金成本降低240元，冶炼含8%Ni的304不锈钢水吨钢综合成本降低了2250元，降幅达17.7%。新工艺不仅降低了不锈钢产品成本，也为用户节约了使用成本，从而提升了我国不锈钢行业整体竞争力。

RKEF-AOD双联法冶炼新工艺自2012年开始推广至广青金属科技、北部湾新材料、德龙镍业等众多不锈钢公司；2016年开始推广至“一带一路”国家印尼，共形成了1040万吨年产能。新工艺促成青山自2014年起成为全球最大、最有竞争力的不锈钢生产企业；其2023年产值3821亿元，世界500强排名257位，不锈钢产量占全球25%以上。新工艺也助推印尼自2021年起成为全球第2大不锈钢生产国，其年产量超过400万吨，全部以红土镍矿原料，100%采用RKEF-AOD双联法冶炼新工艺，成为我国“一带一路”倡议的典型示范工程。

2021至2023三年来累计销售26万多吨含氮高强化不锈钢产品，其中出口3万多吨。实现了在轨道交通、装配式建筑和能源化工等多个承载结构市场领域的全球首次应用。相比同等耐蚀级别的铬镍不锈钢，含氮高强化不锈钢产品累计节约镍钼贵金属12856吨，实现社会效益15.6亿元，为减少贵金属消耗并降低资源对外依存度做出了贡献。

含氮高强化不锈钢产品的成功开发、量产、纳入国行标（表2）及工程应用，改写了全球几十年来节镍奥氏体不锈钢耐蚀性无法达到铬镍不锈钢水平的历史，突破了几十年来量大面广的铬镍奥氏体不锈钢耐蚀性、强度和成本难于兼顾、难于用于承载结构的国际难题；对于不锈钢品种结构优化、产品性能升级、工程应用的高强轻量化节能减排、镍钼贵金属资源节约乃至不锈钢行业可持续高质量发展等都具有非常重要的意义。

表2 含氮高强化奥氏体不锈钢产品标准和统一数字代号

信息来源：福建青拓特钢技术研究有限公司