2023年，中國LNG（液化天然氣）的進(jìn)口量達(dá)7132萬噸，約984億立方米，同比增長12.6%，成為全球最大的液化天然氣進(jìn)口國。隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，LNG作為重要的清潔能源之一，其儲運和安全問題日益凸顯。

然而，液化天然氣（LNG）運輸與儲存設(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儲罐容積高達(dá)27萬m3，為保證其安全運行，鋼材不僅需要具有高強度，同時還需要在-196℃的極低溫條件下具有優(yōu)異的沖擊韌性。

當(dāng)前，在超低溫下同時實現(xiàn)鋼材的高強度與高韌性，十分困難。低溫鐵素體或馬氏體鋼，通常通過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)9%的鎳（9Ni鋼）來實現(xiàn)這種性能。鎳既能通過提高淬透性來實現(xiàn)高強度，還可以通過改善位錯運動來提高超低溫韌性。

但由于鎳的成本較高，開發(fā)鎳含量較低、同時性能與9Ni鋼性能相當(dāng)?shù)男滦偷蜏劁摚恢笔堑蜏劁摽蒲械那把仡I(lǐng)域。在過去數(shù)十年的研究中，鋼鐵科研工作者一直無法突破鎳含量降低帶來的低溫條件下強度和韌性同時下降的技術(shù)瓶頸。

面對這一挑戰(zhàn)，東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國重點實驗室劉振宇教授團(tuán)隊攜手南鋼、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》評選的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儲罐強度和韌性難以兼顧的難題，東北大學(xué)數(shù)字鋼鐵全國重點實驗室（原軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室）劉振宇教授團(tuán)隊在“十三五重點研發(fā)計劃”等多項國家和企業(yè)重大項目的支持下，匯聚了計算模擬、加工成形、組織表征、性能評價、應(yīng)用技術(shù)等全國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的“產(chǎn)學(xué)研檢用”協(xié)同創(chuàng)新團(tuán)隊，開啟了集成攻關(guān)的旅程。

時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，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)開展了系統(tǒng)研究。研發(fā)團(tuán)隊通過深入研究、上百次的反復(fù)試驗，用了近十年時間成功開發(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?！斑@一創(chuàng)新的關(guān)鍵，在于細(xì)小、超高密度、具有強韌化效果的納米析出物的成分設(shè)計策略與精準(zhǔn)調(diào)控。”劉振宇教授表示。

劉振宇教授團(tuán)隊在實驗室開展科研工作

在鋼鐵研發(fā)的過程中，如何調(diào)控析出物是一項巨大的挑戰(zhàn)。最初，團(tuán)隊對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。加強基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，團(tuán)隊發(fā)揮自身優(yōu)勢和特色，通過計算模擬、理論推導(dǎo)與實驗摸索相結(jié)合的方式，輔以人工智能技術(shù)，為問題的解決提供了新的思路和方法。

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

然而，團(tuán)隊成員不畏艱難，勇往直前：“面對困難，我們要再試試，堅持到底?！眲⒄裼罱淌诓粫r勉勵團(tuán)隊成員。正是這種精神，推動團(tuán)隊不斷努力，最終通過與國內(nèi)外頂尖團(tuán)隊合作，經(jīng)過長期的摸索和試驗，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。

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

富鉬納米B2共格析出相，是一種在金屬材料中通過特定工藝形成的微觀結(jié)構(gòu)。“這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)隊技術(shù)骨干張維娜介紹說。

這種析出相，如同鋼材中的“強化劑”，能夠在極低溫環(huán)境下保持鋼材的高強度和高韌性，為清潔能源極低溫用鋼鐵材料的組織設(shè)計提供了新思路?！巴ㄟ^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)用場景的需求?！眻F(tuán)隊青年教師唐帥表示。

在實現(xiàn)了鋼材本身的性能提升外，團(tuán)隊研發(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)，不僅降低了焊接過程中的能耗和污染排放，還提高了焊接接頭的強度和韌性，為LNG儲罐的整體性能提供了有力保障。

從實驗室到大型儲罐的成功跨越

技術(shù)的突破，需要企業(yè)生產(chǎn)一線的檢驗?；趧⒄裼罱淌趫F(tuán)隊的合金設(shè)計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內(nèi)市場的需求，還成功出口‘一帶一路’倡議國家，替代了傳統(tǒng)的9Ni鋼，用于建造LNG儲罐。這一應(yīng)用實踐，不僅驗證了新型鋼材的優(yōu)異性能，更為其在全球范圍內(nèi)推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)?！毕驿搶＜覐堄嬛\表示。

與此同時，南鋼、湘鋼等企業(yè)也緊跟步伐，在國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m3的LNG船用儲罐。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，更提升了儲罐的安全性和穩(wěn)定性，為液化天然氣等清潔能源的輸運與儲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)境下的性能瓶頸問題，還為高性能清潔能源用鋼的開發(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與儲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。

“我們會以習(xí)近平總書記重要回信精神為指引，牢記習(xí)近平總書記的殷殷囑托，不斷推出高水平科研成果，賦能鋼鐵智能制造，把為國奉獻(xiàn)作為最高追求。”劉振宇教授表示，面對未來鋼鐵能源領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機遇，團(tuán)隊將繼續(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，通過持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新推動產(chǎn)業(yè)升級，積極尋求與國內(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，推動清潔能源用鋼材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更大的突破，推動鋼鐵行業(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。

來源：東北大學(xué)