特殊领域换热器用高性能超纯铁素体

不锈钢产品及关键技术开发

1 研究背景

换热器是工业领域节能降碳的重要装备，国家及各行业主管部门先后出台多项政策支持高效换热器研制。换热器是工业领域的重要装备，被称为工业血管。在石油化工、热泵等领域，换热器占投资总额的30%以上。换热器的应用领域广，市场规模大。工业换热器的特点是尺寸大，对材料规格需求多，焊接管束采用冷轧卷板，厚度最薄只有0.4mm，而壳体和封头采用热轧卷板和中板，最厚达到20mm。工业换热器的换热工况多元复杂，高温、高压、大流量且介质腐蚀性不稳定。工业换热器的选材要求首先是传热效率高；第二是安全性和可靠性，耐蚀性是安全性和可靠性的首要保障；最后是经济性。

核电、石化、热泵及滨海电站等特殊领域换热器用材中不锈钢占比超过50%，以316为主，年需求量在20万吨。核电汽水分离再热器（MSR）换热介质腐蚀性较弱，但要承受高温高压，关键材料一直依赖进口；滨海电站凝汽器采用海水作为冷却介质，氯离子浓度高达20000ppm，钛材价格高且强度和弹性模量低，耐海水冲刷抗振动性能差；石化领域换热器换热介质复杂，除含氯离子外，还含有多种化学物质，而热泵中的换热管要同时承受内外侧介质的腐蚀，316在石化和热泵领域耐点蚀性不足，且易发生应力腐蚀开裂，导致介质泄漏事故频发。应力腐蚀是316的固有特性，解决应力腐蚀，材质需要升级到904或2205，都需要付出高昂的成本代价。

2 解决思路与技术方案

超纯铁素体不锈钢碳、氮含量极低，为单一的铁素体组织，固态无奥氏体或马氏体相变；具有高热导、低热膨胀的物理特性，其导热系数较300系增加50%以上，热膨胀系数较后者降低1/3；在耐腐蚀方面也优势明显，应力腐蚀免疫、耐碱腐蚀、耐氨腐蚀等，非常适用于换热领域，并且由于不含或者含少量镍，成本优势明显。鉴于上述问题，太钢技术中心联合钢铁研究总院、东北大学、中信金属等单位，针对特殊领域换热器用超纯铁素体不锈钢对耐蚀性、焊接性、塑-韧性等的需求，开展了系列高性能超纯铁素体不锈钢合金化设计、高洁净度冶炼及连铸技术、冷板连续生产及中厚板高塑性-韧性研究，解决了换热器特殊领域用超纯铁素体不锈钢材料设计及生产的系列难题，实现了换热用高性能超纯铁素体不锈钢产品的国产化及技术自主化，推动了国内铁素体不锈钢生产技术进步。

3 主要创新成果

3.1 特殊领域换热器用系列高性能超纯铁素体不锈钢合金化设计

项目总体思路是多维度差异化的品种设计与成分优化。首先是超低碳设计，碳含量要极低化；其次是基于性能和成本的铬钼基础合金和微合金成分优化。

1）系列超纯铁素体不锈钢Cr、Mo成分匹配设计。PREN值是衡量铁素体不锈钢耐点蚀和耐缝隙腐蚀的重要指标，图1为铁素体不锈钢PREN值与氯离子浓度、换热温度之间的对应关系。本项目综合考量Cr、Mo的作用效果及成本，针对不同工况介质开展了差异化品种设计。其中核电MSR采用439系，石化、热泵及滨海电站换热器则采用444、445及446系。

2）系列超纯铁素体不锈钢微合金化设计。研究了Ti、Nb、Cu等微合金化元素对超纯铁素体不锈钢性能的作用规律，实现了系列超纯铁素体不锈钢的最优性价比微合金化设计，并发挥协同效应进行成分优化配置。图2为Ti和Ni分别对超纯铁素体不锈钢等轴晶比例及韧性的影响。

3.2 特殊领域换热器用系列高性能超纯铁素体不锈钢合金化设计

高含钛超纯铁素体不锈钢全铝无钙高效脱氧冶炼技术，超纯的碳含量小于100ppm，且Cr含量增加会降低C活度，冶炼需大幅过氧，常规脱氧工艺效果差，含钛类氧化物夹杂多，影响产品的耐蚀性能。另外，高含钛超纯铁素体不锈钢极易发生结晶器“结鱼”，导致连铸中断或铸坯表面质量差，影响生产节奏和制造成本。

1）本项目采用全铝无钙高效脱氧工艺和高碱度三元渣系的匹配，实现了铸坯极低碳和超低氧的稳定控制，夹杂物尺寸小于10mm，有效解决了夹杂物引起的点蚀。

2）高含钛超纯铁素体不锈钢铸坯表面高质量连铸技术。本项目采用高过热度、强冷却技术，以及高黏度酸性结晶器保护渣的设计，铸坯振痕深度低于0.3mm，消除了铸坯卷渣，实现了铸坯无修磨的目标，从而降低成本，优化生产节奏。图3（a）和图3（b）分别是原渣与开发渣黏度随温度的变化规律及开发渣对钛化物吸收能力与原渣的对比。

3.3 高铬钼超纯铁素体不锈钢冷轧卷板高效连续生产技术

高铬钼超纯铁素体不锈钢合金含量高，Cr含量最高至28wt.%，Mo含量最高至4wt.%，金属间化合物易析出，热卷脆性大，热线及冷轧易断带，冷板成材率低且具有极大的安全隐患。

1）高铬钼超纯铁素体不锈钢热轧卷板高韧化技术。本项目系统研究了M₂₃C₆、Laves、TiP等合金化合物析出规律，采用控温热轧低温卷取的工艺，大幅提升热卷韧性，解决了热卷脆断难题。

2）高铬钼超纯铁素体不锈钢热轧卷板高质量焊接技术。冷连轧连续生产是高铬钼超纯铁素体不锈钢提高成材率、降低成本的关键，但通板过程中，最厚6mm带钢焊缝要经历206次的正反弯曲，焊缝脆断成为制约连续生产的瓶颈。本项目采用高能量密度控制技术、低熔合比激光焊接技术及焊后在线热处理技术，成功解决了焊缝断裂问题，实现冷轧卷板连续生产。

3.4 高超纯铁素体不锈钢热轧中板高塑-韧性制备技术

超纯铁素体不锈钢尺寸效应明显，随厚度增加，脆性增加；氮化钛相为方形的硬质颗粒，很容易造成应力集中成为裂纹源；而且随着厚度的增加，退火热应力增加，脆化明显。

1）动载荷下铁素体不锈钢孪生诱发脆性转变机理。在冲击断裂过程中，微裂纹并非在组织中随机产生，而是优先在形变孪晶的尖端并在与形变孪晶呈一定角度的方向上萌生，并且形变孪晶的孪晶界为裂纹的择优扩展提供最有利的路径，从而导致微裂纹的相互连接、聚合及主裂纹的形成。随后，主裂纹将通过其尖端附近形变孪晶尖端处微裂纹的增长和聚合实现自身扩展，并随着这一过程的不断重复，最终导致脆性断裂发生。

2）超纯铁素体不锈钢热轧中板梯度温度协同处理技术。通过再结晶退火、晶粒细化，抑制孪晶形成；通过时效退火形成碳化铌析出对氮化钛的包覆减少应力集中；通过低温消应力退火消除热应力。本项目打破了厚度超过6mm超纯铁素体不锈钢钢板无应用价值的传统认知，成功开发了8mm及以上厚度高韧性超纯铁素体不锈钢中板，并实现了20mm中板的稳定生产。

4 应用情况及效益

本项目实现了系列换热用高性能超纯铁素体不锈钢的规模化生产，率先与下游企业完成应用技术研究，实现多个项目的国内国际首发，并牵头将超纯铁素体不锈钢纳入GB/T 713.7-2023《承压设备用钢板和钢带 第7部分：不锈钢和耐热钢》，引领行业发展。

实践证明，超纯铁素体不锈钢在提升换热效率的同时，可降低12%以上的材料成本。高性能超纯铁素体不锈钢换热器广泛应用于三代核电站MSR、大温差余热回收热泵机组、滨海电站凝汽器等。

高性能超纯铁素体不锈钢率先实现产品国产化及技术自主化，推动国内铁素体不锈钢生产技术进步；同时推动了国内换热设备产品和技术创新，为换热器高效化提供材料支撑；本项目拓宽了超纯铁素体不锈钢的应用领域，缓解对镍资源的依赖。

（信息来源：《世界金属导报》）