高品质镍系低温钢高效化生产核心技术及应用

一、研究的背景与问题

在国家大力推动低碳产业发展的背景下，急需解决LNG储罐等大型低温容器建造快速增长所需材料保供问题，镍系低温钢作为低碳能源和化工产业升级的关键基础材料。我国研发起步较晚，在本项目实施之前实现了9Ni钢国产化，但产品单一、规格不全、产能难以满足下游行业快速发展的要求；此外，部分用户还提出了窄成分、窄公差和屈服强度上限等极难技术要求。为了进一步提升产品力，亟需采用数智化赋能研发和质量管理以突破传统质量、效率和成本控制的瓶颈。为满足这些要求，需解决以下技术难题：

1.现有理论和技术不能支撑节镍型产品开发；

2.传统冶炼工艺不能满足高效化生产的需求；

3.现有技术无法满足用户个性化需求；

4.产品研发和管理模式不能满足快速迭代和精品制造需求。

在此背景下，2012年9月起，南钢联合东北大学等九家单位，依托国家重点研发计划、工业强基等国家级项目，开展“产学研用”合作，进行系统性工艺技术和产品创新，成功开发出节镍型LNG储罐用钢，解决了镍系低温钢产能的技术难题，满足了下游行业快速发展需求，创造了显著的经济和社会效益。

本项目完成单位南钢等钢铁企业具有丰富的中厚板生产经验和技术人才储备，东北大学和钢铁研究总院在镍系钢基础理论研究方面走在全球前列，中国石化工程建设有限公司等设计和用户单位在设计和应用领域也具有丰富经验，并在应用技术上不断创新。

二、解决问题的思路与技术方案

2012 年起，依托国家工业强基项目“液化天然气储运用超低温9%Ni钢板”、“十三五”国家重点研发计划 “超低温及严苛腐蚀条件下低成本容器用钢开发与应用”和江苏省碳达峰碳中和科技创新专项资金重大科技成果转化项目“低碳节镍型超低温容器钢研发及产业化”等国家级和省级项目，南京钢铁股份有限公司联合东北大学等单位开展“产学研用”项目合作，对节镍型超低温用钢开展机理和生产工艺技术研究，对镍系钢产能卡脖子工序和用户提出的极难特殊技术指标开展创新型工艺技术攻关，创新了节镍低温钢强韧化机理，突破了一系列工艺瓶颈，大幅提升了镍系钢产能，满足了下游行业和国家大力发展低碳经济的战略需求。项目整体思路和方案如图1 所示，主要研究内容和成果如下：

1、节镍型低温钢强韧化机理、合金成分体系和生产技术

我国节镍型低温钢的强韧化机理研究和产品研发均为空白，降Ni后强度和韧性均难以达到9Ni钢水平。本项目国际首次发现了镍系低温钢中富Mo纳米B2相及其强韧化作用机制，揭示了马氏体变体遗传行为，明确了全工艺流程组织性能演变行为规律，解决了降Ni后钢板强韧性降低的难题。在此基础上，开发出节镍型低温钢成套生产工艺，生产的7Ni钢等达到9Ni钢性能水平，并在LNG运输船和陆地储罐建造中工程应用。

2、镍系钢高洁净化和高效化生产的核心冶炼工艺

针对镍系钢产能无法满足下游行业需求快速增长的难题，梳理出产能瓶颈为转炉工序节奏慢和钢水纯净度需进一步提升的问题。为此，开发出镍系钢新型脱磷技术，在确保转炉出钢[P]≤30 ppm前提下，较传统脱磷方式生产效率提升15%；开发出镍系钢夹杂物改性技术，实现了镍系钢高洁净化生产。突破了限制镍系钢产能的瓶颈，年产能提高到20万吨，满足了国家能源战略对基础材料的自主可控需求。

3、满足特殊要求的高精度、高均质化镍系低温钢成套控制技术

针对客户提出的特殊技术要求，必须在极窄的成分和工艺参数范围内进行镍系钢高精度、高均质化地生产。为此，开发出全规格厚度公差变化模型及控制技术，国际首次攻克镍系钢0-0.4mm窄公差带控制难题，与标准公差带相比收窄了73%以上，实现了全球最大舱容99K VLEC船B型舱的轻量化；开发了镍系钢叠层轧制技术，国际首次生产出高平整度（≤5mm/m）极限宽薄规格（5×3500mm）钢板，为超大型低温储罐建造提供了关键材料；构建全流程均质化控制体系，缩小了成分波动区间、提升了组织均匀性，满足了屈服强度上限、窄成分区间等极限技术指标需求。

4、基于人工智能的镍系钢工艺寻优与全流程质量管控系统

针对现有产品研发和质量全生命周期管理的瓶颈，借助工业数智化技术革命契机，开发出镍系钢基于大数据的工艺寻优模型与全流程质量管控系统，通过深度学习模型构建成分、工艺、性能量化关系，形成以全流程数据穿透追溯、贡献排序定位为核心的技术体系，分析挖掘关键变量、预测潜在风险，实现了镍系钢产品研发迭代、质量管控、生产效率和成本控制全面提升。

三、主要创新性成果

1、揭示了节镍型低温钢强韧化机理、形成了合金成分体系和生产技术国际首次发现了镍系低温钢中富Mo纳米B2相及其强韧化作用机制，明确了全工艺流程组织性能演变行为规律，解决了降Ni后钢板强韧性降低的难题；揭示马氏体变体遗传行为，解决了有效晶粒细化的难题，提高了节镍型低温钢基体强韧性。在此基础上开发出节镍型低温钢成套生产工艺，生产的7Ni钢等达到9Ni钢性能要求并在LNG运输船和陆地储罐建造中工程应用。

2、首创了镍系钢高洁净化和高效化生产的核心冶炼工艺。开发出镍系钢新型脱磷技术，在确保转炉出钢[P]≤30 ppm前提下，较传统脱磷方式生产效率提升15%；开发出镍系钢夹杂物改性技术，实现了镍系钢高洁净化生产。突破了镍系钢产能的限制瓶颈，满足了国家能源战略对基础材料的自主可控需求。

3、形成了满足特殊要求的高精度、高均质化镍系低温钢成套控制技术开发出全规格产品厚度公差变化模型及控制技术，国际首次攻克镍系钢0-0.4mm窄公差带控制难题，与标准公差带相比收窄了73%以上，实现了全球最大舱容99K VLEC船B型舱的轻量化；开发了镍系钢叠层轧制技术，国际首次生产出高平整度（≤5mm/m）极限宽薄规格（5×3500mm）钢板，为超大型低温储罐建造提供了关键材料；构建全流程均质化控制体系，缩小了成分波动区间、提升了组织均匀性，满足了屈服强度上限、窄成分区间等极限技术指标需求。实现了镍系钢的高精度、高均质化生产。

4、基于人工智能技术首次开发了镍系钢工艺寻优与全流程质量管控系统开发出镍系钢基于大数据的工艺寻优模型与全流程质量管控系统，结合深度学习模型构建成分、工艺、性能量化关系，形成以全流程数据穿透追溯、贡献排序定位为核心的技术体系，分析挖掘关键变量、预测潜在风险，实现了镍系钢产品研发迭代、质量管控、生产效率和成本控制全面提升。

四、应用情况与效果

2012年以来，本项目科研成果已经在南钢集团2800mm、3500mm和5000mm三条中厚板热轧产线、鞍钢集团鞍山4300mm和鲅鱼圈5500mm两条中厚板产线、湘钢3800mm和5000mm两条中厚板产线、兴澄3500炉卷轧机和4300mm两条中厚板产线以及上述产线配套的炼钢产线上得到重点推广和应用，其中7Ni钢、5Ni钢和5.5Ni钢等在新产品鉴定中获得国际领先的技术评价，并率先通过容标委（特检院）以及国际上主要船级社认证。为下游行业提供了坚实的镍系钢板材供应能力。近三年取得35.27亿元直接经济效益。

2017年以来，依托“十三五”国家重点研发计划项目，开发形成的低镍LNG 钢的组织控制原理与关键制造技术具有行业示范和推广作用，可以大幅降低镍系钢的用镍量和材料成本，提升镍系钢的可焊性，从而提高施工效率，已经推广应用于太钢等国内多条中厚板生产线，大幅提升了国内镍系低温钢整体水平。

本项目围绕镍系低温钢成分体系开发、工业试制和生产以及应用技术创新开展研究，对全工艺流程组织性能演变行为规律、新型脱磷技术、窄公差带控制难题等问题进行了系统阐述，建立了镍系钢大数据工艺寻优模型与全流程质量管控系统。依托本项目，开发出一种含Ni量为5.5-7wt.%、Mo微合金化的新型节镍型低温钢成分体系及制造工艺，首次在母材中获得高密度富Mo纳米B2析出相，突破了低温能源用钢中“强度-韧性难以兼顾”的瓶颈，使新型节镍钢性能比肩传统9Ni。相关理论创新成果已在Advanced Functional Materials（SCI TOP, IF:19.0），Journal of Ocean Engineering and Science（IF:11.8），Rare Metals（IF:11.0）、MSEA、MMTA等期刊上发表论文34篇，引用次数共计340余次，发表专利32件，制定1项国际标准及8项国家标准，出版专著1本，得到了学术界的关注和认可，节镍钢相关成果获评《世界金属导报》2024年度“世界钢铁工业十大技术要闻”。

研发产品的工程推广应用

1）本项目9Ni钢建造大型LNG储罐总数已超180余台，9Ni用量超41万吨。包括5台全球最大27万m³LNG储罐，覆盖8个是国家重大工程、11个省级重大工程等项目。

2）本项目镍系钢建造了12条C型罐LNG船，其中7Ni钢全球首次建造全球容积最大78900m³C型罐LNG船。此外，采用9Ni量建造了超400个LNG燃料罐，支持了海上低碳能源战略的发展。

3）采用9Ni钢和7Ni钢已建造33台乙烷、乙烯储罐，最大容积达到了20万m³。其中广西华谊钦州乙烯罐项目上是国内首次将7Ni钢应用于超低温罐项目上，连云港石化乙烯罐项目是国内首次整罐用7Ni钢建造大型低温储罐。乙烷制乙烯相对于传统石脑油制乙烯碳排放减少超30%。

4）采用5Ni钢建造了用34条大型乙烷（VLEC）船，8条C型舱乙烯运输船。中国船舶集团有限公司旗下江南造船（集团）有限责任公司开发并试制99K VLEC船B型液货舱用5Ni钢，全部由南钢供货。

信息来源：南京钢铁股份有限公司