科技新进展：核电用高品质不锈钢制造技术及品种开发

一、研究背景

核裂变蕴藏着大量能量，1千克U235裂变产生的能量相当于2000吨煤燃烧产生的热量而且无碳排放，因此核电是当前我国调整能源结构、减少碳排放的重要手段，是我国的能源战略和发展的必由之路，核安全是世界各国最关心和最需要解决的重要问题。

不锈钢作为核反应堆主体设备制造的关键材料，是反应堆制造之骨，其质量是核电运行的安全基础。目前，我国核电技术已发展三代、四代甚至聚变堆，而四代钠冷快堆等先进核电技术仅美国、法国、俄罗斯等几个核电发达国家掌握，且技术封锁不转让；在目前国际环境复杂的情况下，我国的快堆发展深受限制，只能走自主的道路。为实现我国核电的快速、健康和可持续发展，迫切需要解决材料的“卡脖子”问题，快堆和聚变堆在我国是一个全新的概念，同时面临着奥氏体不锈钢在高温、低温、强中子辐照、强磁场环境下的特殊性能需求和材料制造技术问题。

本项目以钠冷快堆的高温环境和ITER计划极低温环境为代表的新一代核电技术对奥氏体不锈钢材料在性能及其制造工艺成熟稳定性、质量可靠性的高要求为目标，依靠自主创新，系统地解决了奥氏体不锈钢的高纯净度冶炼、性能和组织及其均匀性控制、高耐蚀高强韧性能协同等关键技术难题，开发出系列高品质不锈钢产品，满足了当今最为先进的压水堆、快堆、聚变堆等不同核电技术的不锈钢材料需求，实现我国核电用关键不锈钢材料从进口到自主、从堆外到堆内、从常规到尖端和从竞争到唯一的转变，保障我国核电工程的快速建设和安全运行，促进了我国核电技术和事业的健康发展，为我国能源结构调整和低碳减排夯实了基础。

二、解决问题的总体技术思路及方案

1、总体思路

各种核电技术原理不同，对材料的需求也不尽相同。以钠冷快堆为代表的四代核电技术，向着高温化（最高达650℃）方向发展，需要材料的高温性能；以ITER计划为代表的聚变核电技术则需要-269℃的极低温性能；以“华龙一号”为代表的大型压水堆向着大型化方向发展，在材料厚度、单重增加方面增加了制造难度。我国核电堆型多，对材料的技术要求复杂，但总体来讲，对有害因素最小化、有利因素最大化来提高材料质量、保证核电安全是材料制造的追求目标，从而在力学性能指标、纯净度、耐腐蚀性能、组织及其稳定性、均匀性方面提出了较高要求。

2、技术方案及实施过程

（1）核电高纯净不锈钢精炼技术

核电用不锈钢对核有害元素和夹杂物的控制要求目前以快堆316H不锈钢的要求为最高。项目针对快堆316H不锈钢，研究和开发超低氢含量控制、深脱氧及夹杂物含量控制以及核有害元素控制等多项冶炼技术，成为实现高品质核电不锈钢生产的基本条件。

超低氢含量控制技术：本项目利用太钢的生产条件和装备能力，针对连铸和模铸两条产线，分别开发了VD和RH两种超低氢精炼技术，其中将RH真空处理用于不锈钢脱氢尚属首次。两种工艺的脱氢率均达到80%以上。

①模铸产线VOD+VD双真空超低氢精炼工艺

针对单VOD脱氢效果差、适应性差的问题，开发了双真空脱氢工艺进行模铸钢锭生产，工艺流程为：铁水三脱预处理→K-OBM-S→VOD→LF→VD→LF→模铸。

②连铸产线RH真空脱气超低氢工艺

采用VOD+VD工艺可以满足氢含量要求，但脱气时间长、步骤多、生产组织难度大。为了实现连铸生产和多炉连浇，开发了更高效的RH精炼脱氢工艺。工艺流程为：铁水三脱预处理→AOD→LF→RH→LF→连铸。

超低氧和夹杂物细小化、弥散化精炼技术：为达到快堆316H钢种对钢中氧含量和夹杂物的高要求，开发了不锈钢的超低氧和夹杂物细小化、弥散化精炼技术，该技术主要特点是AOD/VOD采用硅脱氧工艺，一次LF配制高含量MgO+Al2O3渣系并使用强铝脱氧。

通过该技术的实施，铸坯中的夹杂物尺寸控制在15μm以下且数量明显减少，消除了大尺寸夹杂物，夹杂物成分由复合夹杂物变成纯镁铝尖晶石夹杂物；钢中全氧含量由30ppm以上降低到15ppm以下。

核有害元素控制技术：普通奥氏体不锈钢采用废钢等作为原料冶炼，钢中Co≈0.25%、V≈0.15%、Cu≈0.10%、P≈0.045%，远高于快堆316H的规定值。

本项目以铁水为主原料，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，将不锈钢中P、V、Cu、Co有害金属元素降低了60%以上，Co元素的降低率高达到93%。目前是世界范围唯一采用优质“三脱”铁水为原料生产核电用不锈钢的企业。

（2）反应堆环境下高耐蚀、高强韧性能匹配控制技术

快堆316H不锈钢高温强度和抗敏化态晶间腐蚀性能匹配控制技术：快堆316H不锈钢服役环境温度最高可达650℃，其高温力学性能是主要性能指标。同时，考虑到钢板在后续设备制造中需要焊接，焊接热影响区会产生敏化，因而要求钢板具备抗650℃×2h敏化态晶间腐蚀的能力。

按照经典理论，一般采用降低C含量或者添加稳定化元素Nb、Ti两种方式提高钢种的耐晶间腐蚀能力。降低碳含量会降低钢种强度，按比例加入Nb、Ti元素可提高钢种的抗晶间腐蚀性能，但Nb在核电产品规范中规定不能超过0.15%，而Ti元素的加入会形成夹杂物。因此，对于提高快堆316H抗晶间腐蚀能力同时满足高温强度的要求，只能从C元素和Nb元素含量的控制和匹配方面入手进行研究。同时开发了冶炼过程碳含量的精确控制技术，碳含量的控制精度达到±0.002%。

ITER316L极低温强韧性匹配控制技术开发：ITER316L用在最低-269℃的极低温环境下（超导线圈等），需要具有足够的极低温力学性能，要求-269℃下的屈服强度Rp0.2＞700MPa，抗拉强度Rm＞1000MPa，同时还要保持良好的断裂韧性。在国内外对于316L不锈钢的极低温性能的控制技术鲜有报道的情况下，根据奥氏体不锈钢的固溶强化机理，重点研究了N元素对奥氏体不锈钢-269℃极低温拉伸性能的影响。同时开发了冶炼过程氮含量的精确控制技术，碳含量的控制精度达到±0.01%。

通过N含量上限控制后，明显提高了ITER316L的低温屈服强度，包括屈服强度在内的-269℃力学性能、疲劳和断裂韧性均可满足技术要求。

（3）残余铁素体超低含量控制技术

18-10型不锈钢为亚稳态奥氏体不锈钢，在凝固组织中必然存在一定量的高温铁素体。随着锭坯尺寸的增加，厚度中心位置处的铁素体量和尺寸也随之增加。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，开发了锭坯凝固过程均匀性控制和固态下均质化处理的双控技术，实现了316型不锈钢残余铁素体含量的超低控制。

根据铁素体在锭坯中的分布特点，可以确定铁素体的析出和锭坯的冷却密切相关。锭坯表面冷却强度大，铁素体含量低且尺寸小，锭坯中心受传热条件的限制造成其冷却强度低于表面，铁素体含量高且尺寸大。据此，从提高锭坯浇注过程的凝固速度方面入手，解决铁素体的控制问题。

通过优化控制连铸工艺钢水过热度、二冷段冷却强度和电渣锭结晶器冷却水流量，使得连铸坯和电渣锭的铁素体含量明显降低。连铸坯中心处的铁素体含量由15%左右降低到9%左右，电渣锭中心处的铁素体含量由20%左右降低到11%左右。通过该措施能够满足部分钢种对于铁素体含量的要求，但无法满足快堆和ITER产品对于铁素体含量低于0.5%的要求，继而研究开发了固态下铁素体相的高温热处理回溶技术，彻底消除了锭坯/钢板中残余铁素体。

（4）钢板全厚度组织和性能高均匀性、高稳定性控制技术

由于核电站服役安全性的要求，对钢板全厚度组织、性能均匀性和稳定性提出了较高的要求。快堆316H不锈钢板要求所有厚度范围内任意位置的晶粒度都要控制在4-6级；压水堆和ITER项目用不锈钢要求晶粒度控制在≥4级，级差不超过2级。目前核电不锈钢钢板需求厚度范围为6-150mm，由于钢板规格的差异性，热加工和热处理中过程中的晶粒变化均会改变晶粒的尺寸和均匀性，生产过程很容易出现晶粒尺寸不合格或“混晶”的问题，晶粒度控制成为工钢板制造中的要点和难点。为解决晶粒度控制问题，针对不同厚度的钢板开发出不同的晶粒度控制技术，1）薄规格（6-14mm）钢板：控温轧制+固溶处理工艺的晶粒度控制技术，2）厚规格（≥30mm）钢板：控变形量轧制+固溶处理工艺的晶粒度控制技术，3）中等厚度（≥15-29mm）钢板：复合制坯+控变形量制+固溶处理工艺的晶粒度控制技术。通过晶粒度控制技术的开发和实施，实现了晶粒度组织精准调控，使太钢成为国内首家具备6-150mm全厚度规格范围高品质核电钢板制造技术的厂家。

三、主要创新性成果

1、不锈钢超低氢低氧、高纯净精炼技术

通过开发RH、VOD高效脱氢、强铝脱氧、高碱度高氧化镁渣系、弱钙处理技术，实现了不锈钢脱氢率＞80% 、锭坯中[H]≤2ppm、T[O]≤15ppm、夹杂物细化且弥散分布，将氢、氧元素和非金属夹杂物对材料的危害将至行业最低水平。

2、锭坯残余铁素体超低含量控制技术

通过开发锭坯低过热度、快速冷却等凝固技术及其高温均质处理技术，将锭坯中残余铁素体含量由20%降低到0.5%以下，实现了快堆316H、ITER316L产品中零铁素体，提高了材料性能稳定性，满足了在核电特殊环境下的特殊性能要求。

3、钢板高组织均匀性控制技术

通过研究和总结奥氏体不锈钢在热轧、热处理过程晶粒度的变化机理和规律，开发三种不同技术特点的晶粒度控制技术，具备了6~150mm厚度的钢板晶粒度级别可按不同技术需求进行控制，且全厚度范围级差不超过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要求。

4、提高快堆316H抗晶间腐蚀能力技术

通过C元素和Nb元素的合理匹配控制，将316H钢种的抗晶间腐蚀能力提高到与其超低碳钢种316L同等的水平，高度统一了快堆316H对抗晶间腐蚀性能和高温强度之间的矛盾关系，实现了钢种能力的超越。

5、ITER316L极低温强度和韧性控制技术

通过研究氮元素对奥氏体不锈钢低温强度和韧性的影响规律，通过氮元素的合理控制，将316L的-269℃屈服强度提高了约40Mpa，实现了ITER316L低温强度和韧性的良好匹配。

四、应用情况与效果

2011年至今，自主开发的核电用高品质不锈钢制造技术在全流程生产过程中，工艺稳定，生产技术持续优化，关键指标稳中向好，形成系列化高端产品。2011年到2020年期间，太钢为重大工程项目提供304型、316型高品质不锈钢核电材料达6万多吨，是国内该类材料的主要供货单位，是宽厚、特厚核级不锈钢板的唯一供货单位，核电不锈钢市场占有率连续多年持续保持第一（60%以上）。

同时，太钢为我国新堆型、新技术核电项目、军工项目及其空间暗物质探测等大科学研究项目提供了大量的高品质不锈钢材料。中国快堆产业化技术创新战略联盟、中国国际聚变能源计划执行中心等单位给予了太钢很高的评价，并荣获2021年冶金科技进步一等奖。

信息来源：中国宝武太原钢铁集团公司