2026冶金科学技术奖一等奖丨高品质镍系低温钢高效化生产核心技术及应用
2026-09-084
项目名称：高品质镍系低温钢高效化生产核心技术及应用
完成单位：南京钢铁股份有限公司 等
完成人：黄一新 等
能源、化工是国民经济的支柱产业。天然气作为清洁能源，其需求在“十二五”后，呈指数级增长，LNG产业链进入大规模建设期。乙烯作为化工基础原料，“十四五”期间，用于生产乙烯的乙烷，进口量大幅增长，运输乙烷的VLEC船，也进入了建造高峰期。作为天然气和乙烷储运的关键设备——低温压力容器，其建造规模大幅度提高，成为我国能源、化工绿色发展的重要保障。镍系低温钢是低温压力容器最重要的结构材料之一，是中厚板领域技术含量最高、国产化最晚、生产难度最大的钢种之一，被誉为“钢板皇冠上的明珠”。“十三五”至“十四五”十年期间，我国每年进口LNG约800亿立方米，与其匹配的LNG罐用镍系钢，总需求在60万吨以上；同时，国内建造VLEC船所需的化工用镍系钢，总需求也在60万吨以上，合计在120万吨以上。而在“十三五”以前，我国镍系钢年产能仅3万吨，产量供给不足，大量依赖进口，且产品品质亟待提升。另一方面，我国是一个贫镍国家，用于生产镍系钢的关键镍合金，长期依赖进口。高品质镍系钢面临着“经济高效生产难、行业发展需求高、节镍型产品空白”的三大难题，在脱磷效率、连浇炉数、低温韧性、尺寸精度、节镍设计、组织演变机理等问题亟待创新突破。围绕上述难题，项目突破高效化生产技术瓶颈，解决行业发展需求问题，明确节镍钢强韧化机理，形成镍系钢高效化生产、高均质控制、节镍型设计等创新点，实现关键战略材料自主可控。在此背景下，南钢联合东北大学等九家单位，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，开展“产学研用”合作，对镍系钢产能卡脖子工序和基于行业发展需求提出的极难特殊需求开展创新型工艺技术攻关，对节镍型超低温用钢开展机理和生产工艺技术研究，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和品质，实现了关键战略材料镍系低温钢的自主可控。
1．镍系钢高效化全流程生产制造工艺。基于镍系钢冶炼周期与浇铸时间匹配难的问题，开发出转炉单渣法深脱磷关键技术，构建高效脱磷渣系、定制高动能氧枪装备、配套宽量程动态底吹系统、枪位-底吹动态耦合模型，实现高磷铁水高效脱磷，冶炼效率提升55%。脱磷周期相较于“双联法”缩短15%，解决了炼钢炉-机匹配难题，连浇炉数从以前的3炉大幅提升到18炉。基于极限规格合格率低、工序时间长的难题，项目开发出镍系钢叠层轧制及热处理关键技术，形成了分离剂防堆积、轧后易分离技术，并创新开发出叠层热处理技术。首次生产出5mm厚、3米5宽的9Ni钢，钢板不平度优于5mm/m。极限规格合格率从小于30%提高到95%以上，热处理效率提升100%。2．镍系钢高精度高均质全工序控制技术。根据轻量化液货仓设计提出的高精度公差要求，通过优化轧制力预测，开发热处理厚度模型，形成了轧制及热处理、多工序联动耦合、高精度控制关键技术。攻克镍系钢±0.20mm窄公差带控制难题，较国际先进水平收窄33%。基于长服役、高安全需求，构建镍系钢精准合金配料系统、建立了专用连铸工艺控制模型，形成了全流程均质化控制关键技术，与国际先进水平相比，屈服强度范围收窄8.3%。基于全工序数据集采平台，开发出多因素随机过程分析与优化模型，形成了关键工艺参数全域自动寻优关键技术。实现了低温冲击功较国际最严标准提高了70%、延伸率较国际最严标准提高了30%，整体高塑韧性提升了22.9%。3．节镍型低温钢成分设计及强韧化机理。项目开发出一种Mo微合金化的含5.5%~7.0%Ni的新型节镍型低温钢成分体系，首次在母材中获得高密度的，富Mo纳米B2共格析出相，突破了“强度-韧性”难以兼顾的瓶颈。针对焊接接头韧性差的问题，通过焊接热影响区微观结构软化的超低硅成分设计关键技术，实现了HAZ硬度降低、冲击功提高50%以上的突破。针对组织遗传强烈、低温韧性波动等问题，研究了再结晶控制轧制过程中，板条马氏体变体增殖行为，揭示了原奥氏体晶粒形态及马氏体变体在亚温淬火过程中的组织遗传性，明确了轧态组织对热处理后最终组织的影响，形成了组织遗传及马氏体变体控制关键技术。通过“成分设计+纳米析出+基体强韧化”关键技术，开发出新型节镍钢，性能比肩传统9Ni钢，实现节镍27%。
在典型工程应用推广方面，支持了8个国家重大工程、11个省级重大工程，解决了国家LNG保供难题。独家供货江南船厂99K VLEC（超大型乙烷运输船）。镍系钢市场占有率超70%，连续14年全国第一。项目团队覆盖了从材料研发、工程设计、装备制造到终端应用的完整产学研用链条，供货中石化、中石油、中海油等重点客户30余座LNG接收站，陆地储罐超180台，9Ni钢订单总量超40万吨，其中包括国际最大罐容（27万方）储罐5台，全面助力国家能源转型。节镍型7Ni钢国内首次工程应用于建造大型低温储罐，国际上首次应用于建造LNG船，总供货量已超1.5万吨。同比9Ni钢节省价值超1.04亿元镍资源，显著降低LNG产业链被海外“卡镍”风险。项目团队协作SEI打通中亚市场，完成国内首单哈萨克斯坦低温储罐项目EPC总包，稳步扩展“一带一路”沿线版图，并反向出口欧洲，已累计出口超4万吨。项目牵头起草国际标准1项，国家标准8项，获授权发明专利32件，其中1件获得中国专利优秀奖，发表论文34篇，专著1本。对比欧洲、日本等国际先进企业，本项目在连浇炉数、极限规格、节镍钢强韧化理论等多项技经指标实现了大幅度跨越，中国钢铁工业协会组织科技成果评价项目解决了节镍、产能限制和特殊指标要求等系列难题，评价委员会一致认为，成果整体达到国际领先水平。近三年，本项目新增产值141.87亿元，新增利税35.27亿元。CCTV等媒体多次报道了本项目最新研究成果，节镍型镍系低温钢相关成果获评《世界金属导报》2024年度“世界钢铁工业十大技术要闻”，本项目科研成果已在多项重点工程中得以推广应用，填补了镍系低温钢多项产品空白，并且实现规模化出口超4万吨，惠及民生与工业体系，保障国家能源安全，彰显了我国高端钢铁材料的国际竞争力。
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