一、研究的背景与问题

镍基耐蚀合金材料技术含量高，由于具有优异的综合力学性能、抗氧化和耐腐蚀能力，广泛地应用于石油、石化、核电、新能源等领域，是国家重点发展的新材料之一。而其中以N10276、N06625、N06690、N08028、G3、4J36等合金为代表的高品质镍基耐蚀合金因其纯净度要求高、加工难度大、组织及性能要求严格等特点，20世纪90年代以前受国内研制工艺和设备能力落后影响，基本全部依赖进口。抚顺特殊钢股份有限公司（以下简称“抚顺特钢”）作为国内高品质高温合金生产量、生产牌号最多的特钢企业，在该领域拥有多项核心技术。从20世纪80年起，抚顺特钢就开始配合国内科研院所生产试制各类高品质耐蚀合金产品，在2000年以后先后成功实现了G3、N06625、N10276、N08028、N06690等合金的国产化，并应用于石油、化工、核电等关键领域。但受装备能力和技术水平的多重限制，很多产品在冶炼工艺、原材料选择、合金利用率（成材率）、生产效率等方面仍然落后于VDM、日本冶金、Haynes等国外企业，存在显著的工艺过剩和成本偏高等问题。主要表现在以下几方面：

1、通过调研了解到Haynes公司面向民用领域供应的N10276和N06625等多种高品质镍基合金产品主流公司是采用“EAF+AOD/VOD+ESR”工艺进行冶炼，而国内的主流生产工艺仍然为“VIM+ESR/VAR”，存在显著的工艺过剩问题。虽然抚顺特钢已拥有大批先进的真空感应炉，产能得到显著释放，但面向民用市场，“VIM+ESR/VAR”工艺冶炼的高品质耐蚀合金与进口产品相比毫无成本优势；

2、通过对抚顺特钢几十年电渣锭利用率数据统计分析发现，民用耐蚀合金产品的受电渣锭头尾切除率的限制，钢锭利用率偏低。在不改变产品工艺路线和质量水平的前提下，想要提高钢锭利用率，延长钢锭长度势在必行；

3、抚顺特钢高品质耐蚀合金产品中锻材和坯料的生产量最大，但由于材料特点长期采用室式炉加热，生产效率低下，严重制约了耐蚀合金锻材和坯料的生产效率，因此急需寻求更好的加热工艺方案解决相应瓶颈问题，提高生产效率；

4、随着核电、石油等行业的发展进步，相应设备的设计尺寸不断增大，对零件的单重、产品单一批号总重量提出了更为严格的要求，急需开发以N06690、N10276、4J36等合金为代表的12吨以上级别的钢锭的冶炼工艺。与此同时抚顺特钢还先后建成了20吨和30吨真空感应炉，相应产能也急需在民用领域进行释放，形成特色产品及作用，因此需要耐蚀合金产品快速开发超大尺寸钢锭的冶炼技术。

二、解决问题的思路与技术方案

2019年6月抚顺特钢设立本项目，为解决高品质耐蚀合金产品工艺过剩和成本偏高等问题，项目团队重点从冶炼工艺、原辅材料选择、合金利用率（成材率）、生产效率几方面出发，主要工作思路如图1所示，通过2019年6月至2024年12月的技术攻关，取得多项关键技术突破：

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图1 工作思路

1、“30t非真空感应炉-炉外精炼-电渣重熔”冶炼高钼含量、含氮、含铌类高品质镍基耐蚀合金工艺研发

项目团队从冶炼原理、设备能力、原料供给、金属消耗、工序成本等多维度因素入手，开展综合研究，成功设计开发了高Mo含量镍基合金“30t非真空感应炉-炉外精炼-电渣重熔”的生产工艺流程，不但具备生产效率、机动性和灵活性优势，同时还具备低成本优势。

2、镍基合金专用工装及辅材发明

项目团队发明了一种结构简单，易于制造、使用方便的吹氧管，具备解决钢包精炼炉冶炼过程中普通吹氧管熔化造成钢液中残余铁元素上涨和超标的问题。

项目团队设计开发了一种新型电渣炉底座?；ぐ宀牧稀?#中间合金”。该合金的开发不但可以降低了?；ぐ逵煤辖鹬械哪浚也捎寐饩吨苯映啥Чひ丈?，还降低了电渣冶炼步骤费用和金属消耗，为公司的镍基合金冶炼大幅度降低费用。

3、采用加长电渣锭生产耐蚀合金提高成材率

项目团队重点梳理了抚顺特钢62台电渣炉冶炼工艺，结合现场调研总结分析了电渣锭型设计对成材率的影响情况，并明确了采用加长电渣锭生产耐蚀合金的优势。项目团队设计开发了扩大充填比冶炼耐蚀合金长度锭的工艺方案，通过推广应用，镍基耐蚀合金锻造棒材成材率显著提高约4%。

4、超大截面耐蚀合金电渣锭开发

项目团队提出了采用30吨真空感应炉搭配电渣炉冶炼超大截面耐蚀合金电渣锭的方法，成功实现了大单重核级690等合金电渣锭的批产，在提升产品锻比改善锻材质量的前提下，进一步解决了市场对单批次大交付量的实际需求，提高了市场竞争力。

5、台车炉预热耐蚀合金电渣锭提高室式炉周转效率

项目团队对抚顺特钢锻造厂的生产炉窑进行了全面梳理，并对现场炉窑实际烧嘴、火焰、温度均匀性等情况进行了调研及标定，最终确定选择采用120t吨位的台车炉开展扩容加热的方案。通过多批次试验，先后验证了采用台车炉加热生产N08825、TDJ-028、N06625等高品质耐蚀合金产品的可行性。现采用该变革后的工艺，大幅度地解放了室式炉的加热能力，提高了锻造产线生产效率。同时由于集中加热生产，降低了能源消耗，预计每年可节约天然气消耗50万m³，折合人民币132万元/年。

三、主要创新性成果

1.提出并成功开发了采用“30t非真空感应炉-炉外精炼-电渣重熔”工艺冶炼高钼含量、含氮、含铌类高品质镍基耐蚀合金的方法，并实现了N10276、N06625、N07718、4J36等耐蚀合金的批量生产。同时还有效拓展了镍基耐蚀合金产品原材料的可选择范围，提高了合金元素收得率、利用率及循环使用等问题。抚顺特钢采用“30t非真空感应炉-炉外精炼-电渣重熔”工艺生产的典型高品质耐蚀合金N06625和N10276合金与进口产品相比结果表1所示：

表1?“非真空感应炉-炉外精炼”工艺冶炼N06625和N10276合金化学成分对比（wt.%）

抚顺特钢的N10276和N06625合金为保障合金夹杂物水平，VOD吹氧后造新渣，并采用氩气软吹去除氧化产物等非金属夹杂物；浇注后电极采用恒溶速电渣炉进行二次重熔冶炼，对成品棒材取样检验了非金属夹杂物，检验结果见表2。

表2?N06625和N10276合金非金属夹杂物检验结果对比

2.发明了“一种高温合金钢包精炼用镍基吹氧管”和“一种镍基、镍铁基合金用新型电渣炉底座?；ぐ濉?，解决了高品质镍基耐蚀合金一次冶炼和电渣二次冶炼增铁的问题，提高了合金成分控制的准确性、稳定性，并提高了电渣锭的利用率。

3.通过电渣冶炼充填比和钢锭利用率的综合研究，设计了采用加长电渣锭生产耐蚀合金提高成材率的工艺方法，并在耐蚀合金产品方面得到了全面推广，耐蚀合金的平均成材率从原来的78%提高至了81.94%，显著提高了抚顺特钢耐蚀合金产品的市场竞争力。

4.提出了采用30吨真空感应炉搭配电渣炉冶炼超大截面耐蚀合金电渣锭的方法，成功实现了大单重核级690合金电渣锭的批产，解决了压水堆爆破阀等产品的实际需求。

抚顺特钢开发的核级N06690合金1100mm电渣锭，重量为14 .8吨，而后经加热、锻造为直径515mm的爆破阀用棒材，棒材经无损探伤检验，无异常信号；头尾低倍无缩孔、裂纹、夹渣、偏析等冶金缺陷；对钢锭的头尾进行成分测试，测试结果表明：头尾铝、钛元素无明显烧损，铝元素为头部0 .10％、尾部0 .09％，钛元素为头部0 .14％、尾部0 .12％，化学成分（质量百分比）见表3；检验性能结果全部符合核级N06690合金锻件指标见表3-4；表明采用30吨VIM冶炼超大截面电渣锭，经加热制备锻造直径515棒材，各技术指标均符合核电设备要求。

表3?N06690合金1100mm直径电渣锭生产成品化学成分（wt.%）

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表4?N06690合金515mm直径锻材性能

5.设计开发了台车炉预热耐蚀合金电渣锭的工艺方法，解决了长期困扰抚顺特钢锻造生产室式炉生产能力的瓶颈问题，大幅度提升了耐蚀合金的生产效率，同时还降低了耐蚀合金锻材的加热能耗。

四、应用情况与效果

该项目主要应用在抚顺特钢内部，提升高品质镍基耐蚀合金的产品质量和产能，压降产品成本。随着“高品质镍基耐蚀合金产品低成本工艺创新及国产化”项目的完成，显著提高了抚顺特钢在石油、化工及核电领域高品质镍基耐蚀合金的供货能力，并降低了生产成本，为我国高端制造业贡献了宇航级品质的镍基合金产品，为先进装备和技术的落地提供了原材料保障。同时通过低成本运行方案的推广，显著提高了国产高品质镍基耐蚀合金的市场竞争力，并推动了以抚顺特钢为代表的老牌镍基合金生产企业的产能的释放，增加了企业的活力和竞争力。通过项目的推行先后获取了多项科技奖励和专利表5和表6。抚顺特殊钢股份有限公司采用炉外精炼工艺冶炼的高品质镍基耐蚀合金产品年入库量逐年递增，已从2020年的924吨、产值7607万元增长至2024年的2606吨产值22636万元。

表5?本项目获科技奖励情况

表6 本项目申请、获得专利情况表

信息来源：抚顺特殊钢股份有限公司