项目名称：能源用高钼铌氮系高合金钢连铸技术
完成单位：王丽君 等
完成人：北京科技大学 等
我国加速构建绿色能源体系的战略部署，对核电、光伏、热电储能及生物质能技术装备提出更高更大性能更优异的要求，亟须超级奥氏体不锈钢和镍基合金实现耐高温、抗腐蚀等性能突破。为此，材料通过高钼（如254Mo中Mo≥6%）、高铌氮（如N08120中Nb 0.5%、N 0.2%）等成分设计提升性能，却面临三大技术挑战：一是高钼引发偏析，形成大面积σ脆性相；二是铌、氮、铬、碳复合析出相种类多、尺寸粗大难回溶；三是合金高温塑性差、收缩突变，铸坯凝固时内外部裂纹高发（如N08120纵裂率87%）。这些难题严重制约高端材料在大型化、高效化装备中的应用，突破高钼铌氮系列高合金连铸技术已成为支撑国家能源安全与产业升级的关键攻坚任务。
在国家自然科学重点基金、教育部领军人才项目及中信铌金属项目支持下，本项目通过产学研协同攻关，突破高钼铌氮合金钢宽厚板坯连铸三大国际性难题，取得了技术创新和突破。
近年来，我国新能源产业保持快速增长态势。在光伏领域，多晶硅产业向大规模、高效率方向发展，反应器尺寸不断增大，运行温度和压力持续提高；在核电领域，高参数机组系统对耐蚀材料提出更高要求；在新能源电池材料领域，回转窑等大型装备也不断向高温、高负荷工况升级。
装备升级直接推动材料性能升级。传统不锈钢已难以满足长期高温、强腐蚀环境下的服役要求，市场对高钼超级奥氏体不锈钢和高铌高氮镍基合金的需求快速增长。然而，这类高合金材料长期面临制造难题。传统模铸工艺虽然能够生产该类材料，但存在生产周期长、成材率低、规格受限等问题。从浇铸到最终交付往往需要一个半月以上时间，综合成材率不足60%。国际上少数企业采用立式连铸工艺进行生产，但受设备结构限制，难以制造满足大型能源装备需求的大规格宽厚板产品。更为关键的是，高Mo、高Nb、高N等元素在赋予材料优异性能的同时，也带来了严重的凝固偏析、复杂析出相形成以及裂纹敏感性显著增加等问题。生产过程中容易出现中心偏析、脆性析出相聚集、表面纵裂纹以及内部裂纹等缺陷，成为制约工业化生产的核心障碍。实现高钼铌氮系高合金钢宽厚板坯高质量连铸生产，被业内公认为世界级技术难题。
针对高合金钢连铸过程中的组织、裂纹和析出相控制难题，项目团队围绕材料凝固行为、热力学与动力学特征、析出相演化规律以及连铸过程多场耦合机制开展系统研究，逐步形成了完整的技术创新体系。
经过长期攻关，团队建立了以“组织均匀化、析出相无害化、表面无缺陷”为目标的高钼铌氮系高合金钢连铸技术路线，成功突破三项关键核心技术。
创新一：开发稀土与冷速匹配细化组织技术
高钼超级奥氏体不锈钢连铸过程中，钼元素极易发生严重偏析，并形成大量脆性σ相。这些脆硬相会显著降低材料热加工性能，导致轧制开裂和产品报废。针对这一难题，研究团队系统揭示了稀土元素对高钼钢凝固行为的调控机制，建立了稀土与冷却速度协同作用规律，提出“稀土与冷速匹配细化组织”的创新理念。通过稀土诱导异质形核、促进等轴晶形成，并结合精准二冷控制和多段电磁搅拌技术，实现了凝固组织显著优化。应用该技术后，铸坯等轴晶比例由不足20%提升至60%~70%，钼偏析指数由4.71降低至2.51，σ相析出量大幅下降，实现了组织均匀化和性能稳定化。高钼钢热轧开裂率显著降低，产品成材率提升至90%以上，实现了从“难加工”向“易加工”的转变。
创新二：开发“温度-应力-析出-裂纹”协同控制技术
高铌高氮镍基合金连铸过程中，氮化铌等脆硬析出相容易大量形成，并诱发内部裂纹和中心分层缺陷。项目团队首次揭示了多种脆硬析出相对裂纹萌生和扩展的作用机制，建立了析出相演化与高温断裂行为关联模型。进一步构建温度场、应力场、析出行为和损伤演化的多尺度耦合模型，提出“温度-应力-析出-裂纹”协同控制技术。通过优化连铸冷却路径和电磁搅拌工艺，实现了析出相精准调控和裂纹敏感区主动控制。结果表明，连铸矫直区坯壳热塑性提高33%以上，内部裂纹得到有效抑制，中心等轴晶比例提升至60%以上，连铸坯内部质量控制水平达到国际先进水平。
创新三：开发低应力表面裂纹控制技术
高钼、高铌、高氮合金钢导热性低、体积收缩大、热塑性差，在连铸过程中极易产生表面纵裂纹。项目团队系统研究了高合金钢初生坯壳高温力学行为和热物理特性，揭示了表面裂纹形成机制。在此基础上，研发了专用保护渣体系，并协同优化结晶器冷却制度和开浇工艺，实现了保护渣性能与凝固过程的精准匹配。工业应用结果表明，高铌高氮镍基合金纵裂发生率由87%降至5%，高钼不锈钢表面裂纹基本消除，显著提升了生产稳定性和产品表面质量。同时，连浇炉数明显提高，生产顺行水平显著改善。
依托上述创新成果，项目团队成功突破高钼铌氮系高合金钢宽厚板坯连铸生产关键技术：
（1）实现高钼系列超级奥氏体不锈钢宽厚板坯200 mm×2040 mm宽厚板坯稳定制造稳定连铸生产；
（2）首创了高铌高氮镍基合金直弧型连铸生产，全球首发单体重量8吨以上N08120宽厚板产品。
与国内外同类产品相比，项目生产的高合金钢连铸坯在组织均匀性、内部质量、表面质量以及成材率等方面均达到国际领先水平。
表1 高合金钢连铸技术对比
表2 高合金钢连铸坯性能指标对比
目前，该项目成果已在我国高端能源装备制造领域实现规模化应用。高铌高氮镍基合金产品成功应用于光伏多晶硅核心装备制造，广泛服务于国内重点企业；高钼超级奥氏体不锈钢产品应用于核电乏燃料处理系统、船舶脱硫装备等关键领域。通过技术推广，高钼铌氮系列高合金钢实现稳定批量生产，形成覆盖多个钢种系列的大规格宽厚板产品体系。近三年来，相关产品累计供货超过1.8万吨，实现销售收入18.9亿元，新增利税9.1亿元，取得了显著经济效益和社会效益。同时，项目打破了国外长期技术垄断，显著提升了我国高端能源装备关键材料自主保障能力，为新能源、核电、海洋工程和高端装备制造等领域提供了坚实材料支撑。
表3 近三年经济效益指标
面向未来，项目团队将继续围绕高性能金属材料先进制造开展深入研究，推动更多原创技术成果实现产业化应用，为我国新型能源体系建设和制造强国战略实施贡献力量。