北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心十周年技术成果专题报道：双碳背景下的高性能绿色钢铁产品研发

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北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心

十周年技术成果专题报告

在“双碳”背景下，国家“十四五”现代能源体系规划提出促进多种能源协调发展的战略。随着国家重点清洁能源和传统能源项目建设不断发展，对安全服务的要求越来越高。钢铁材料作为重要的基础原材料，迫切需要迭代升级，开发更高强度、更长寿命、更高效率的高性能产品。绿色钢铁产品。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心先进能源钢铁团队承担了“十三五”、“十四五”国家重点研发计划80余项作为国家自然基金和校企合作科研项目。提出了基于组织调控和性能优化合金设计与过程控制理论的解决方案，突破了先进核电、风电/水电/高性能钢铁及合金材料设计、制备和质量控制的关键共性技术瓶颈。光伏发电、氢能/油气储运、煤炭开采等能源领域，为国家重大工程及装备先进金属材料的研发和应用提供理论基础和技术支撑。相关成果在ACTA、Corrosion Science、JMST、MC、MSEA、冶金学报等期刊发表学术论文200余篇，撰写专着3部，授权发明专利100余项，荣获省级专利10余项及部级科技进步奖。

1 优质管线钢的研发

1.1 CO2驱耐腐蚀油管

CO2-EOR是一项应用于油田开采过程中的技术，可显着提高油田采收率，大大提高经济效益，达到减少CO2排放、增加石油产量的目的。但该技术造成的站场输油管道金属管道严重的CO2腐蚀问题亟待解决。团队系统研究了金属管道在不同温度、不同Cl-等典型环境下的腐蚀机理，提出了低C下Cr的合金成分体系设计，明确了合金成分、显微组织类型、晶粒取向、晶间电位和夹杂物在钢中。物质类型和形态等许多因素影响低C和中Cr。钢材均匀腐蚀和点蚀影响机理从宏观、细观、微观、纳米等多尺度层面揭示钢种的耐腐蚀机理，突破了结构精细化的工业生产全过程控制技术，已成为国内钢铁企业的关键因素。制备了5Cr、7Cr，针对以CO2驱为代表的CO2驱特种钢管，提出了专有的CO2驱钢管腐蚀评价方法，实现了CO2驱特种管的工业化生产和试制（如图1所示），为CO2驱特种管的工业化生产和试制提供了依据。丰富我国耐腐蚀钢管品种，提高产品质量的途径。支持。

1.2 超临界CO2运输用钢

CCUS技术是一种从排放源捕获二氧化碳并通过管道将其运输至利用或储存区域的方法。为了便于管道运输和储存，通常将CO2压缩至超临界状态（压力>7.38MPa，温度>31.1℃）。然而，当二氧化碳管道泄漏或排气时，压力急剧下降，导致低温（约-50°C）。因此，管材需要有较好的耐低温韧性和止裂性能。另外，如果管道中含有H2O、O2、SO2等杂质，也容易造成钢管的腐蚀等问题。针对超临界CO2输运环境，团队采用数字化研发手段，结合机器学习和商业软件，对材料成分和显微组织进行优化设计，提出了超低C、低Mn、微合金化的微合金成分体系。铌和铬。进行了实验室研究、现场验证和焊接评估。 30kJ/cm焊接后，钢管基体及焊缝具有良好的低温韧性和耐CO2腐蚀性能，能满足钢铁超临界CO2输送的需要。

1.3 高牌号氢气管线钢

氢能源产业发展前景巨大。在当前氢能开发利用中，纯氢管道被认为是大规模、长距离氢气输送的必要载体。目前输氢管道优先采用X52及以下钢种。随着氢气需求量的不断增加，X65等更高等级氢气管线钢的市场需求不断扩大。但管线钢的强度等级越高，缺陷钢筋的比例就越高。氢气管道中的氢分子会与钢材表面发生碰撞，并被吸附在钢材表面。它们会从物理吸附转变为化学吸附，然后分解成氢原子。之后，它们将以原子的形式渗透到材料中，并在某些组织缺陷或应力集中处积累。它会引起管线钢的氢脆或氢致延迟开裂，甚至产生氢鼓泡等氢损伤。团队通过VASP、Materials Studio等软件进行第一性原理计算，分析不同浓度的C、Mn、Nb、V、Cr、Mo、Cu等元素偏析对晶界强度、H原子俘获和氢环境中的晶界氢。明确了脆化的影响、影响材料抗氢能力的主要元素，利用机器学习等方法优化管线钢的合金成分和显微组织，10MPa充氢后高性能氢脆指数低于10现场制备X65氢气管线钢。

2 清洁能源用钢研发

2.1 风电用高强钢

风力发电是清洁、可再生且经济的发电形式之一。风电开发利用率不断上升。与此同时，市场需求和应用场景也在逐渐发生变化。陆上风电正在从传统的平原、丘陵、山地向沙漠、戈壁、沙漠、油气田、盐碱地迈进，海上风电也进入规模化开发阶段，正在积极走向进入深海。风电塔筒的使用环境要求越来越高。同时，随着机组大型化，风塔载荷不断增大，对风电用钢的强度、低温韧性、焊接性能、疲劳性能等提出了更高的要求。团队与国内多家钢铁企业、科研院所和设计单位合作，率先提出塔筒优化设计和材料升级的协同轻量化创新解决方案，开发了正火轧制和TMCP工艺，开发了420-460MPa高强钢板。通过更换现有355MPa级钢板，实现塔体整体减重10%-15%。围绕500MPa级风电钢板关键技术和产品系列问题，成功突破了钢板材料设计与制备、环焊缝低应力焊接、高强塔筒热变形等一系列关键技术，疲劳程度达到了DC140。同等装机容量下，可节省钢材20%，疲劳寿命可提高25%以上。完成全球首套500MPa级高强钢风电塔筒吊装（图2），创下全球塔筒用钢板强度等级新纪录。

2.2 GiPa级高性能水电用钢

随着我国大容量抽水蓄能电站建设的快速发展，高水头、大HD值的压力管道规模越来越大，国内对高强度水电钢板的需求水电建设不断加大。为了减薄压力钢管、蜗壳和支管的壁厚，降低施工和焊接难度，抽水蓄能水电站建设中越来越多地使用800MPa以上的高强度钢板。浙江天台抽水蓄能电站已采用1000MPa级水电钢。电站试验。但1000MPa级水电钢板在厚度组织均匀性、强韧性匹配、应变时效稳定性、焊接裂纹敏感性等方面仍存在诸多问题。团队提出了基于合金成分优化的在线淬火+回火制备工艺。它利用变形过程中形成的大量变形带和高密度位错来提高钢板的淬透性，同时为纳米级析出提供更多的形状。核点，增强了相变过程中马氏体的变体选择性显着增加了大角度晶界的比例。在保证高强度的基础上，提高了钢板的低温冲击韧性和组织稳定性。 -60℃冲击功达到100J以上，从而提高应变时效稳定性。

2.3 超低温液氢储罐用钢

氢能具有热值高、零碳排放、可再生等特点。它被认为是21世纪最具发展潜力的能源。低温液氢储存具有密度高、充装效率高、安全性好的特点，发展潜力巨大。低温液氢储存是将氢气压缩并冷却至-253℃以下，液化并储存在绝热真空储存器中的储氢方法，这对低温储能罐的性能提出了严格的要求。目前，液氢在国外已得到广泛应用，但我国仅应用于航天系统，民用基本空白。国外在液氢储罐材料方面相对成熟，但国内应用缺乏相应的基础研究和材料开发设计。团队提出了基于合理堆垛层错能和Mn、Al合金化的成分思路，阐明Al元素在低温塑性变形和冲击过程中抑制ε-马氏体相变，促进形变孪晶的形成，显着提高为了提高低温韧性，制备了4.2K温度下冲击功高达231J的高锰钢，为液氢储罐用钢选材提供了技术储备。

3 高强度长寿命耐磨钢

因磨损而消耗的钢材约占钢材总量的10%左右。对于矿山机械来说，迫切需要轻量化，煤矿刮板输送机和农业机械的耐腐蚀，搅拌罐等的长寿命。探索并开发更高的耐用性。耐磨长寿命高性能绿色钢铁产品突破高强韧性、易焊接、耐腐蚀、低应力等关键共性技术，实现耐磨钢材料迭代升级，具有重大意义对于减少磨损造成的经济损失和资源浪费具有重要意义。重要意义。团队提出了基于Nb、Ti、Mo的微合金化成分设计，开发了低Pcm值高强易焊耐磨钢的显微组织控制技术，实现了免预处理NM400热输入范围为 16-20kJ/cm 的钢。热焊接；提出降低C、Mn，添加Re、Cu、Ni等合金设计理念，采用淬火高均匀低温回火工艺，获得小尺寸高耐蚀耐磨钢的生产和应用微区电位差；开发了基于TRIP效应的TiC颗粒强化耐磨钢的冶炼、连铸及TMCP制备技术；开发了薄规格耐磨钢直接淬火+矫直的短流程低应力耐磨钢控制技术。实现了系列耐磨钢的研发、推广和应用。 （北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心副主任 吴惠斌）

《世界金属导报》

2024年第46期B01