一、研究的背景与问题
不锈钢是国民经济的重要材料，2023年我国产量3600多万吨，全球占比62%左右，其中以304为代表的铬镍不锈钢占比超过50%，金属镍消耗量每年150万吨以上。但我国镍资源严重匮乏，依赖进口。
铬镍不锈钢通常以镍铁为原料，经电弧炉熔化后AOD精炼。其中镍铁价格波动大，而且长期维持在高价位运行。本项目之前，镍铁和不锈钢生产的两大工艺流程是独立、分开的（图1）；从红土镍矿经矿热炉冶炼的镍铁不得不先浇注再在电弧炉二次熔化，导致冶炼工序能耗高、成本高。
图1 传统电弧炉-AOD冶炼铬镍不锈钢工艺流程
铬镍不锈钢耐蚀性好，但屈服强度低于355MPa，如用于承载结构件需要增厚，不仅成本高，碳排放也高。美标201和国内201不锈钢的屈服强度较高，但其耐蚀性差，会严重降低使用寿命。本项目之前，成本低、强度高、耐蚀性好的不锈钢产品属于空白（图2）。
图2 Cr-Ni系及节镍200系不锈钢的PREN值与屈服强度
二、解决问题的思路与技术方案
1.项目整体思路
本项目的总体思路是：一、以红土镍矿为原料，一体化集成镍铁和不锈钢冶炼两大工艺流程，形成RKEF-AOD双联法新工艺，提高能效、降低成本，该领域有一个创新点、三个技术难点（图3）； 二、利用含氮高强化技术，在保持铬镍不锈钢耐蚀性前提下，提升产品强度，以满足承载结构领域需求，同时节约镍钼贵金属，该领域包括产品开发、制造和应用，共两个创新点、六个技术难点。
图3 本项目总体研究思路
2.技术方案
2.1全球首创红土镍矿RKEF-AOD双联法冶炼新工艺流程
一体化集成镍铁和不锈钢冶炼两大工艺流程主要有三大技术难点：一是红土镍矿品位复杂，Fe/Ni比波动大，一般在2~42之间，难以精准命中AOD所需镍含量；二是SiO2/MgO比高，通常在1.8以上，渣熔点低，炉衬易受侵蚀，矿热炉寿命1-3年；三是RKEF镍铁水如何直接热送AOD，且成分和温度均满足要求。
①针对不同Fe/Ni比的红土镍矿，建立了配碳与矿热炉冶炼镍含量的对应关系，开发了动态柔性配碳技术及相应模型管理系统，实现了镍含量的动态精准控制。
②针对SiO2/MgO比高、渣熔点低、矿热炉寿命短，解析了配碳对渣熔点的影响规律，开发了渣熔点动态调控工艺，实现了精准挂渣，从而显著降低了炉衬侵蚀，矿热炉寿命提升到10年以上。运行初期采用富碳工艺，控制渣熔点在1600℃左右，低电流操作，降低渣液流动性，实现炉壁挂渣；正常运行采用低碳工艺，控制渣熔点在1530℃左右，高电流操作，提升镍矿熔化效率，实现稳定运行。
③全球首次一体化集成了回转窑（RK）+矿热炉（EF）冶炼镍铁和AOD冶炼不锈钢产线，形成了RKEF-AOD双联法新工艺流程（图4），镍铁水入AOD炉的温度和镍点均满足不锈钢冶炼要求。2010年建成了全球第一条工业产线。新工艺流程吨钢可节电580kW·h，工序成本降低330元以上，降幅30%以上。
图4 本项目RKEF—AOD双联法冶炼工艺流程
2.2含氮高强化不锈钢产品开发及高表面制造技术
本项目开发的含氮高强化不锈钢产品包括奥氏体和双相不锈钢。奥氏体不锈钢开发有三个技术难点：一是成本低、强度高、耐蚀性好的合金体系属于空白；二是炼钢氮含量难于精准控制、连铸铸坯表面易出现氮气孔和表面凹陷；三是氮含量高，轧制力大，需要较高温度热轧，带钢易发生边裂和表面脱皮。双相不锈钢的技术难点是铸坯表层易出现粗大针状奥氏体组织，且镍含量低、高温热塑性差，带钢易出现边裂和表面脱皮缺陷；由于含21%Cr且Mn含量在4%以上，冷轧退火表面生成极为致密的铬锰氧化物，在没有抛丸的冷酸工序极难去除（图5）。
图5 含氮高强化不锈钢产品开发及高表面制造的技术难点
①发现了氮细化奥氏体晶粒、提升表面钝化膜中铬和氮含量（图6）、延缓碳化物析出等诸多有利作用，在此基础上开发了4个含氮高强化奥氏体不锈钢产品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109（图7），其氮含量在0.20%以上，屈服强度在355 MPa以上，耐点蚀能力分别达到304、304L、316L和317L级别。
图6氮提升QN1803表面钝化膜中铬和氮含量
图7 含氮高强化奥氏体不锈钢的PREN值与屈服强度
②开发了AOD精准吹氩控氮模型，以精准控制钢液氮含量；阐明了中包温度、连铸拉速和结晶器冷却速率等连铸工艺对铸坯氮气孔的影响规律，解决了铸坯氮气孔缺陷；开发了含氮高强化不锈钢高熔化速率保护渣，解决了铸坯表面凹陷的技术难题。
③建立了适用于含氮高强化奥氏体不锈钢铸坯铁素体含量与合金成分的新型定量关系（图8），发现了合金成分对热轧氧化皮熔点的定量影响规律。通过调控合金成分以及中高温快轧的热轧工艺，攻克了热轧带钢边裂和表面脱皮缺陷的技术难题。
图8 传统铁素体当量Dg值、新型铁素体当量Dg值与铸坯铁素体实测值对比
④开发了双相不锈钢QD2001的铸坯组织细化和形态控制技术、热轧相组织比例控制工艺、冷轧退火和酸洗技术，全球首发了2.0mm厚热连轧宽幅带钢和2B表面产品。
2.3含氮高强化不锈钢的焊接和成形技术
含氮高强化不锈钢应用主要有两大技术难点：一是氮含量高，焊接时焊缝易发生氮逸出，出现氮含量下降和氮气孔，耐蚀性能明显下降；二是由于起始强度高，冷加工硬化明显，板材难于满足深冲+胀形的复合成形，此外双相不锈钢两相组织冷变形协同能力差，双相不锈钢盘条极易出现冷镦开裂。
①开发了含氮高强化奥氏体不锈钢的配套焊接工艺和焊接材料，形成了焊接工艺数据库。采用92%Ar+8%N2气体保护并控制热输入（图9），焊后耐蚀性达到铬镍不锈钢水平。
图9 QN1803和304不锈钢焊接热输入对比
②建立了含氮高强化奥氏体不锈钢板材成形指数与合金成分的新型当量关系（图10），通过调控合金成分和组织晶粒度的生产工艺，攻克了含氮高强化奥氏体不锈钢成形开裂的技术难题。通过调控固溶退火工艺，使QD2001双相不锈钢盘条获得了更接近50%两相比例、晶粒更充分再结晶的组织，解决了冷镦易开裂的技术难题。
（a）MD30与杯突值对应关系 （b）FT与杯突值对应关系
图10 传统MD30（a）及含氮高强化板材成形指数FT（b）与杯突值对应关系
三、主要创新性成果
本项目历时十多年，由青拓集团联合哈尔滨焊接研究所和重庆大学等单位，针对铬镍不锈钢开展了冶炼工艺流程和品种等两方面的创新。主要创新点如下：
1.开发了RKEF-AOD双联法冶炼新工艺，突破了不同品味红土镍矿冶炼时镍含量精准控制和动态精准挂渣等技术难点，实现了镍铁水100%热送AOD精炼铬镍不锈钢以及矿热炉10年以上超长寿命，建成了国际上第一条工业产线。本工艺避免了镍铁的二次熔化，吨钢可节电580kW·h，成本降低330元以上，综合炼钢成本降低30%以上。
2.在保持铬镍不锈钢耐蚀性基础上，采用了最低的合金总量（Cr+Mn+Ni+Cu+Mo)及常压冶炼连铸工艺获得0.20%以上的氮合金化，开发了新型含氮高强化不锈钢及制造技术。攻克了铸坯气孔和表面凹陷、热轧带钢边裂和表面脱皮以及难冷酸等技术难题，形成了4个耐点蚀能力分别达到304、304L、316L和317L等铬镍系级别的含氮高强化奥氏体不锈钢系列产品QN1803、QN1804、QN1906和QN2109以及1个耐点蚀能力达到304级别的经济型双相不锈钢QD2001。其中QD2001突破了双相不锈钢热连轧宽幅带钢2.0ｍｍ厚规格极限，并首发冷酸2B表面产品。相比铬镍不锈钢，新品种屈服强度提升30%以上；贵金属镍含量下降26-81%，钼含量下降50%以上，综合合金成本降低20%以上。
3.开发了含氮高强化不锈钢配套焊接工艺和焊接材料，形成了焊接数据库。采用92%Ar+8%N2气体保护并控制热输入，突破了焊缝氮元素损失、焊缝氮气孔、焊缝耐蚀性下降等焊接技术瓶颈，焊后耐蚀性达到铬镍不锈钢水平。建立了适用于含氮高强化奥氏体不锈钢板材成形指数与合金成分的新型当量关系，通过调控合金成分和组织晶粒度的生产工艺，攻克了其成形开裂的技术难题。通过组织调控工艺，使得双相不锈钢QD2001获得了更接近50%两相比例、更充分再结晶的组织，解决了冷镦开裂的技术难题。
本项目授权11项发明专利；发表SCI、EI论文14篇；发布产品标准25项，含国标2项、行标7项、团标16项，其中主编6项，另有1项国标和2项主编行标今年下半年发布。2022年，金属学会组织评价委员会认为“该项成果达到国际领先水平”
四、应用情况与效果
相比电弧炉-AOD冶炼工艺，RKEF-AOD双联法新工艺冶炼工序吨钢成本降低330元，1%镍合金成本降低240元，冶炼含8%Ni的304不锈钢水吨钢综合成本降低了2250元，降幅达17.7%。新工艺自2012年开始推广至广青金属科技、北部湾新材料、德龙镍业等众多不锈钢公司，2016年开始推广至“一带一路”国家印尼，共形成了1040万吨年产能。2021至2023三年来累计销售26万多吨含氮高强化不锈钢产品，其中出口3万多吨。实现了在轨道交通、装配式建筑和能源化工等多个承载结构市场领域的全球首次应用。
五、经济社会效益
2021-2023年，新增产值146.6亿元，新增利税8.6亿元；
相比同等耐蚀级别的铬镍不锈钢，含氮高强化不锈钢产品累计节约镍钼贵金属12856吨，实现社会效益15.6亿元，为减少贵金属消耗并降低资源对外依存度做出了贡献。
RKEF-AOD双联法冶炼新工艺显著降低了铬镍系不锈钢成本，促成青山自2014年起成为全球最大、最有竞争力的不锈钢生产企业。其2023年产值3821亿元，世界500强排名257位，不锈钢产量占全球25%以上。新工艺推广至国内不锈钢行业，不仅降低了不锈钢产品成本，也为下游行业节约了使用成本，从而提升了我国不锈钢行业整体竞争力。
RKEF-AOD双联法冶炼新工艺助推印尼自2021年起成为全球第2大不锈钢生产国，其年产量超过400万吨，全部以红土镍矿原料，100%采用RKEF-AOD双联法冶炼新工艺，成为我国“一带一路”国家战略的典型示范工程。
含氮高强化不锈钢产品的成功开发、量产、纳入国行标及工程应用，改写了全球几十年来节镍奥氏体不锈钢耐蚀性无法达到铬镍不锈钢水平的历史，突破了几十年来量大面广的铬镍奥氏体不锈钢耐蚀性、强度和成本难于兼顾、难于用于承载结构的国际难题；对于不锈钢品种结构优化、产品性能升级、工程应用的高强轻量化节能减排、镍钼贵金属资源节约乃至不锈钢行业可持续高质量发展等都具有非常重要的意义。