2023年，中國(guó)LNG（液化天然氣）的進(jìn)口量達(dá)7132萬(wàn)噸，約984億立方米，同比增長(zhǎng)12.6%，成為全球最大的液化天然氣進(jìn)口國(guó)。隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，LNG作為重要的清潔能源之一，其儲(chǔ)運(yùn)和安全問(wèn)題日益凸顯。

然而，液化天然氣（LNG）運(yùn)輸與儲(chǔ)存設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)施，需要在-196℃的超低溫環(huán)境中工作。隨著能源工程的超大型LNG儲(chǔ)罐容積高達(dá)27萬(wàn)m3，為保證其安全運(yùn)行，鋼材不僅需要具有高強(qiáng)度，同時(shí)還需要在-196℃的極低溫條件下具有優(yōu)異的沖擊韌性。

當(dāng)前，在超低溫下同時(shí)實(shí)現(xiàn)鋼材的高強(qiáng)度與高韌性，十分困難。低溫鐵素體或馬氏體鋼，通常通過(guò)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)9%的鎳（9Ni鋼）來(lái)實(shí)現(xiàn)這種性能。鎳既能通過(guò)提高淬透性來(lái)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，還可以通過(guò)改善位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)提高超低溫韌性。

但由于鎳的成本較高，開(kāi)發(fā)鎳含量較低、同時(shí)性能與9Ni鋼性能相當(dāng)?shù)男滦偷蜏劁?，一直是低溫鋼科研的前沿領(lǐng)域。在過(guò)去數(shù)十年的研究中，鋼鐵科研工作者一直無(wú)法突破鎳含量降低帶來(lái)的低溫條件下強(qiáng)度和韌性同時(shí)下降的技術(shù)瓶頸。

面對(duì)這一挑戰(zhàn)，東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉振宇教授團(tuán)隊(duì)攜手南鋼、湘鋼等知名企業(yè)，共同研發(fā)出了一種新型鉬微合金化節(jié)鎳鋼，即6.5NiMo鋼，該技術(shù)突破了低溫能源用鋼中強(qiáng)度、韌性難以兼顧的瓶頸，使新型節(jié)鎳鋼性能比肩傳統(tǒng)9Ni鋼，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大大優(yōu)化，為高性能綠色清潔能源用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了重要保障。該技術(shù)入選《世界金屬導(dǎo)報(bào)》評(píng)選的2024年度世界鋼鐵工業(yè)十大技術(shù)要聞。

技術(shù)突破：

鉬微合金化與納米析出相的創(chuàng)新結(jié)合

為破解鎳合金鋼成本較高、LNG儲(chǔ)罐強(qiáng)度和韌性難以兼顧的難題，東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（原軋制技術(shù)及連軋自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）劉振宇教授團(tuán)隊(duì)在“十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃”等多項(xiàng)國(guó)家和企業(yè)重大項(xiàng)目的支持下，匯聚了計(jì)算模擬、加工成形、組織表征、性能評(píng)價(jià)、應(yīng)用技術(shù)等全國(guó)18家高校、企業(yè)和研究院所的多學(xué)科人才，形成了一支名副其實(shí)的“產(chǎn)學(xué)研檢用”協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，開(kāi)啟了集成攻關(guān)的旅程。

時(shí)間的刻度是奮斗者的足跡，壓力和困難是拼搏者的“試金石”。團(tuán)隊(duì)成員心往一處想、勁往一處使，充分發(fā)揮各自學(xué)科優(yōu)勢(shì)，圍繞超低溫低成本容器用鋼的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)研究。研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究、上百次的反復(fù)試驗(yàn)，用了近十年時(shí)間成功開(kāi)發(fā)出了一種含Ni量為5.5-6.5wt.%的新型節(jié)鎳型低溫鋼成分體系及制造工藝。在母材中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首次獲得了密度高達(dá)（2.15-2.60）×10^24/m3、平均尺寸僅為1.73-1.81nm的富鉬納米B2共格析出相。“這一創(chuàng)新的關(guān)鍵，在于細(xì)小、超高密度、具有強(qiáng)韌化效果的納米析出物的成分設(shè)計(jì)策略與精準(zhǔn)調(diào)控?！眲⒄裼罱淌诒硎尽?

劉振宇教授團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展科研工作

在鋼鐵研發(fā)的過(guò)程中，如何調(diào)控析出物是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。最初，團(tuán)隊(duì)對(duì)如何從元素周期表中篩選合適元素及如何優(yōu)化工藝進(jìn)行了艱苦的探索。加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，團(tuán)隊(duì)發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)和特色，通過(guò)計(jì)算模擬、理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)摸索相結(jié)合的方式，輔以人工智能技術(shù)，為問(wèn)題的解決提供了新的思路和方法。

在技術(shù)攻關(guān)的過(guò)程中，析出表征依然是核心難題。尤其是面對(duì)納米級(jí)析出物時(shí)，由于其磁性特征，透射電子顯微鏡幾乎無(wú)法有效表征，猶如大海撈針一般困難。

然而，團(tuán)隊(duì)成員不畏艱難，勇往直前：“面對(duì)困難，我們要再試試，堅(jiān)持到底?！眲⒄裼罱淌诓粫r(shí)勉勵(lì)團(tuán)隊(duì)成員。正是這種精神，推動(dòng)團(tuán)隊(duì)不斷努力，最終通過(guò)與國(guó)內(nèi)外頂尖團(tuán)隊(duì)合作，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的摸索和試驗(yàn)，掌握了析出物表征的關(guān)鍵技術(shù)，成功突破了技術(shù)瓶頸。

通過(guò)不斷創(chuàng)新與實(shí)踐，團(tuán)隊(duì)打破了傳統(tǒng)認(rèn)知，大膽創(chuàng)新找到了析出物調(diào)控與強(qiáng)韌化機(jī)制的新路徑。這不僅是技術(shù)上的突破，更是科學(xué)精神的彰顯，讓團(tuán)隊(duì)成員收獲了前所未有的成長(zhǎng)與喜悅。

富鉬納米B2共格析出相，是一種在金屬材料中通過(guò)特定工藝形成的微觀結(jié)構(gòu)?！斑@種析出相中鉬元素的含量較高，B2是一種晶體結(jié)構(gòu)具有特定的原子排列方式，這種析出相與基體材料之間具有一致的晶格取向，能夠增強(qiáng)析出相與基體之間的結(jié)合力，提高材料的整體性能?！眻F(tuán)隊(duì)技術(shù)骨干張維娜介紹說(shuō)。

這種析出相，如同鋼材中的“強(qiáng)化劑”，能夠在極低溫環(huán)境下保持鋼材的高強(qiáng)度和高韌性，為清潔能源極低溫用鋼鐵材料的組織設(shè)計(jì)提供了新思路?！巴ㄟ^(guò)優(yōu)化析出相的成分、尺寸和分布，我們可以提升鋼鐵材料的綜合性能，使其在不增加Ni含量的前提下，達(dá)到了與傳統(tǒng)9Ni鋼相當(dāng)甚至更優(yōu)的性能水平。滿足特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求?！眻F(tuán)隊(duì)青年教師唐帥表示。

在實(shí)現(xiàn)了鋼材本身的性能提升外，團(tuán)隊(duì)研發(fā)的新型節(jié)鎳鋼的焊接工藝也得到了顯著的優(yōu)化，解決了傳統(tǒng)的高Ni合金鋼容易引發(fā)磁偏吹等焊接難題。

與傳統(tǒng)的高錳鋼相比，新型節(jié)鎳鋼的焊接過(guò)程更加綠色高效，且焊接接頭的安全性也得到了顯著提升。這一改進(jìn)，不僅降低了焊接過(guò)程中的能耗和污染排放，還提高了焊接接頭的強(qiáng)度和韌性，為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐的整體性能提供了有力保障。

從實(shí)驗(yàn)室到大型儲(chǔ)罐的成功跨越

技術(shù)的突破，需要企業(yè)生產(chǎn)一線的檢驗(yàn)?；趧⒄裼罱淌趫F(tuán)隊(duì)的合金設(shè)計(jì)和納米析出相控制策略，湘鋼迅速響應(yīng)，成功生產(chǎn)出了6-50mm厚的鉬微合金化5.5Ni鋼。

“這批鋼材不僅滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求，還成功出口‘一帶一路’倡議國(guó)家，替代了傳統(tǒng)的9Ni鋼，用于建造LNG儲(chǔ)罐。這一應(yīng)用實(shí)踐，不僅驗(yàn)證了新型鋼材的優(yōu)異性能，更為其在全球范圍內(nèi)推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?！毕驿搶?zhuān)家張計(jì)謀表示。

與此同時(shí)，南鋼、湘鋼等企業(yè)也緊跟步伐，在國(guó)際上首次采用鉬微合金化7Ni鋼替代9Ni鋼，成功制造了7.89萬(wàn)m3的LNG船用儲(chǔ)罐。這一創(chuàng)新應(yīng)用與9Ni鋼相比，新產(chǎn)品可降低成本2000-3000元/噸，更提升了儲(chǔ)罐的安全性和穩(wěn)定性，為液化天然氣等清潔能源的輸運(yùn)與儲(chǔ)存提供了更加可靠的選擇。

“新型鉬微合金化節(jié)鎳鋼的成功研發(fā)與應(yīng)用，不僅解決了傳統(tǒng)鋼材在極低溫環(huán)境下的性能瓶頸問(wèn)題，還為高性能清潔能源用鋼的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了重要保障，為提升液化天然氣等清潔能源的輸運(yùn)與儲(chǔ)存安全性提供了有力支持，更為清潔能源產(chǎn)業(yè)的繁榮注入了新的活力?！?

這一技術(shù)的推廣和應(yīng)用，還將有助于降低清潔能源的生產(chǎn)成本，提高能源利用效率，為全球能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

“我們會(huì)以習(xí)近平總書(shū)記重要回信精神為指引，牢記習(xí)近平總書(shū)記的殷殷囑托，不斷推出高水平科研成果，賦能鋼鐵智能制造，把為國(guó)奉獻(xiàn)作為最高追求?！眲⒄裼罱淌诒硎?，面對(duì)未來(lái)鋼鐵能源領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)秉承創(chuàng)新精神，不斷探索和優(yōu)化鋼材的成分體系及制造工藝，通過(guò)持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，積極尋求與國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的合作與交流，讓原始創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新同頻共振，推動(dòng)清潔能源用鋼材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的突破，推動(dòng)鋼鐵行業(yè)新質(zhì)生產(chǎn)力的發(fā)展，為全球清潔能源產(chǎn)業(yè)貢獻(xiàn)科技力量。

來(lái)源：東北大學(xué)