工程用钢研究所

所长:杨才福

副所长:苏航、刘清友


    工程用钢研究所2007年由时任工程院院长徐匡迪院士亲自揭牌成立。目前下辖基础研究室、低合金钢研究室、高强度低合金钢研究室、碳素结构钢研究室、表面技术研究室、技术市场部和综合办公室等部门,现有人员30余人,其中高级职称人员占到50%以上,博士以上学历人员占到30%以上。
    工程用钢研究所专业从事焊接结构用特种钢的研究、开发、材料评价和其他相关技术服务,主要服务领域包括舰船、海工、容器、管线、建筑、桥梁、铁路、汽车、工程机械等,在碳素及低合金钢产品开发、船舶海洋用钢研发及工程化、微合金化理论与应用、材料热力学计算与数据库研发方面具有国内领先优势。
    近年来,工程用钢研究所承担了包括国家科技部863计划、支撑计划、973计划、国防科工局军品配套专项、工信部高技术船舶专项在内的数十项国家重点科研项目及企业合作项目,具有很强的科研、开发和组织实施的综合能力。与钢铁企业和用户行业合作紧密,在军工、船舶、石化等领域初步形成了产、学、研、检、用一体的良好运作模式。
    目前,工程用钢所正在积极推进与各个重点用户行业的合作,通过需求牵引、技术推进的双向创新模式,在材料行业和用户行业之间形成贯穿新材料研发、生产、检测、建造、服役全寿命的协作机制,加速用户行业新材料应用和升级进程,大大强化工程用钢所在行业的技术先导能力,并在工程和市场转化方面取得先机。
    截至2014年,该领域共获得国家科技进步一等奖2项,国家科技进步二等奖3项;省部级科学技术特等奖和一等奖11项,二等奖9项,三等奖2项;专利50项;专著8本;国家软件著作权3项。

一、研究领域

  • 船舶及海洋工程用钢:390MPa~980MPa全系列舰船用钢板、型钢,460~890MP级别海洋平台用厚板、特厚板、无缝管,油船货油舱、压载舱、海水管路用耐蚀钢,可大线能量焊接船板,345~590MPa高强度系列船用型钢,高Kca值集装箱船用止裂板,LNG、LEG、LPG船用Ni系低温钢,减振降噪用阻尼钢;

  • 铁路用钢:高速铁路用重轨、车轮钢,重载列车车轮用钢,耐蚀轨道钢,车体用耐候钢;

  • 建筑用钢:III、IV、V级高强度钢筋,高强度大壁厚H型钢,460MPa级建筑用厚板,建筑用抗震耐火钢,海洋建筑用耐蚀钢;

  • 电网用钢:超高压电网用420MPa、460MPa高强度角钢、低温角钢,耐候角钢及紧固件,接地网用耐蚀钢;

  • 汽车用钢:IF钢、DP钢、TRIP钢、TWIP钢,烘烤硬化BH钢,柴油机抗疲劳高压油管,含V非调质钢,纳米析出强化超高强热轧汽车板;

  • 管线用钢:X70、X80、X90、X100、X120高强度管线钢,抗大变形管线钢,连续油井管,耐蚀管线钢,抗H2S、CO2腐蚀油井管,深海管线用钢;

  • 工程机械用钢:590MPa~785MPa热轧工程机械用钢,960MPa~1300MPa工程机械高强度调质钢,高性能耐磨钢;

  • 压力容器用钢:新一代Q390R、Q460R容器钢,抗H2S腐蚀用锅炉管,抗硫酸露点腐蚀钢,LNG、LEG、LPG工程用9%Ni、5%Ni、3.5%Ni低温钢,双金属复合板、管;

  • 海洋用钛及合金:钛-钢复合板、复合管,海洋用钛管、厚板,海洋用钛应用研究;

  • VN微合金化技术:V(C,N)析出轧制技术,VN微合金化高强钢筋、建筑厚板、型钢、CSP产品;

  • 检测认证:建有海军舰船材料检测中心,参与CCS高强船板认证检测、石化用钢认证检测和监理;

  • 腐蚀防护技术:腐蚀检测与评价,表面处理技术;

  • 材料计算与模拟:建有中瑞Thermo-Calc材料热力学、动力学计算技术联合实验室,Thermo-Calc、MICRESS软件及数据库中国总代理;

  • 材料数据库技术:建有多国材料牌号匹配技术DMS、专用船体钢数据库NSD、世界钢铁材料标准对照数据库、汽车用钢铁材料信息系统AIMS、石化用钢数据库等;

  • 工程用钢基础理论研究:V/Nb微合金化理论、材料热力学/动力学基础研究、多元微合金协同析出理论与控制技术,亚稳奥氏体形成理论与控制技术,贝/马/奥复相组织形成理论与控制技术等;

二、研究成果

舰船

    建国以来,开展了系列舰船用钢的研发工作,为海军重点型号建设作出了重要贡献。

研发的舰船钢产品覆盖了钢板、钢卷、型钢、锻钢、焊接材料等。

V-N微合金化技术

1、V(C,N)控制析出轧制技术——VCN-PCRP工艺

  • 利用控制轧制技术,使V(C,N)在奥氏体内析出,促进了晶内铁素体的形成,细化了晶粒。

  • 能起有效强化作用的V(C,N)是在γ/α相变过程或相变后在铁素体中析出的细小颗粒。铁素体中弥散分布的细小V(C,N)颗粒起到了显著的析出强化作用,这是钒微合金化强化的主要方式。

2、N在钒钢中的作用

  • 每增加10ppmN,其屈服强度增加10MPa,而且增氮能优化钒在钢中分布:V钢中56%V固溶,35%析出,V-N钢中只有22%V固溶,有70%析出。

3、应用

1)、低成本热轧高强度钢筋

  • 采用V-N微合金化开发出低成本热轧高强度钢筋,其钒含量较相同强度级别传统V-Fe钢筋减少一半;而且其屈服点较窄、屈强比比较低,性能比较稳定。

2)、高强度建筑用H型钢(开发出组织性能均匀的厚截面H型钢)


3)、大规格高强度船舶用球扁钢

  • 采用钒氮微合金化技术,开发出最大规格43#,最高强度级别D40球扁钢,其-40℃冲击功达180J以上

4)、大规格高强度输变电塔用角钢

  • 随着V含量的增加,晶粒越来越细小,通过加入不同的V含量,开发出Q345/420/460系列化高强度角钢,其最高强度达460MPa,最高质量等级达C级,最大规格为25#(250mm),最大厚度为32mm。

5)、高强度CSP带钢

  • 采用V-N微合金化开发出YS>350-650MPa的系列超细晶CSP带钢,其晶粒尺寸为3-4μm。

基础研究

图1 耐蚀钢内底板环境腐蚀速率

(a)3天(b)9天

(b)图2 试验材料内底板环境腐蚀宏观形貌

图3 模拟上甲板腐蚀试验结果

(a)对比钢(b)耐蚀钢

图4模拟上甲板腐蚀试样宏观形貌(98天)

图5 上甲板试样锈层EMPA分析(98天)

应用情况

图6国内首艘耐蚀钢应用示范油轮“大庆435”油轮(载重3.8万吨)

钛钢复合板

采用轧制复合方法,获得钛钢复合板,复合率达到100%,剪切强度220MPa以上,复合GB8547-2006标准0类复合板的要求。

特厚板

690MPa级屈服强度特厚板,厚度为100-210mm,韧性水平达到F级(-60℃),用于自升式海工平台桩腿等建造。

9%Ni钢

LNG工程用9%Ni钢,通过逆转变奥氏体和组织精细控制,产品的-196℃冲击功稳定达到220J以上,钢板规格5-60mm。可用于超大型LNG储罐的建造(1-27万m3)。

5%Ni钢

低温工程用5%Ni钢,用于建造LEG运输船,实物产品-120℃达到250J以上,韧脆转化温度低于-150℃。

轨道交通用车轮材料

与马钢、铁科院共同开发350km/h高速铁路、重载铁路及大功率机车用车轮,并实现国产化。

工程机械领域

直接淬火型890MPa级高韧性工程机械用钢板,-40℃冲击功可达200J。

900MPa级(Ti,V,Mo)C纳米析出强化热轧薄钢板,沉淀强化增量高达450MPa,突破该强度级别钢板必须采用马氏体相变强化的传统技术观点,钢板具有优异的强塑性配合。

TiC颗粒增强高性能耐磨板,在相同硬度前提下,耐磨性达到传统马氏体耐磨钢的1.5倍

碳素钢领域

  • 高强建筑用H型钢(强度级别345MPa、420MPa、460MPa等,耐火、耐候)

  • 低成本热轧高强钢筋(采用细晶粒钢生产工艺控制技术,钢筋屈服强度400MPa~800MPa,成本低于普通工艺生产的钢筋)

  • 耐腐蚀钢筋(耐腐蚀钢筋较普通钢筋耐腐蚀性能提高2~5倍,分别适用于工业大气腐蚀环境和沿海大气腐蚀环境)

  • LNG储罐用低温钢筋(-165℃低温性能,钢筋屈服强度≥575MPa,缺口试样Agt≥1.0,无缺口试样Agt≥3.0,缺口敏感系数NSR≥1)

  • 大直径精轧螺纹钢筋(下图为港珠澳跨海大桥用φ75mm精轧螺纹钢筋,强度级别830MPa)

  • 耐蚀钢轨(U68CuCr,60kg级,抗拉强度980MPa)

  • 柴油发动机用高压油管(承压极限160MPa~250MPa)

管线钢领域

CT80连续管

    CT80/90系列连续油井管为高附加值、高技术含量产品。经钢研总院、宝鸡石油钢管、武钢三方紧密合作,已在CT80/90热轧钢带的相关基础理论研究、热处理技术原理、工业生产技术开发、产品缺陷分析等诸方面取得突破性进展。攻克了连续管原料生产、热处理工艺等多项制造核心技术,打破国外技术垄断,2009年6月研制生产出了我国第一盘CT80连续管,目前已向市场稳定供货1万余吨。

组织变化和裂纹扩展示意图                    精轧后变形奥氏体高度对DWTT的影响

    率先提出管线钢中变形奥氏体的尺寸控制与DWTT性能的相关性,提出了γ相的压扁高度是解理断裂有效组织控制单元的观点,奠定了解决厚规格管线钢DWTT性能控制难题的理论基础。与鞍钢、首钢、武钢等企业合作进行的高钢级厚规格X70/X80钢的研制与生产,支撑了陕京二线、川气东送和西气东输二线等国家重大工程的建设,推动了高强微合金钢的应用,促进了高洁净钢冶炼、连铸及控轧控冷技术的进步,带动了冶金与制管行业的工艺装备升级换代。

材料计算与数据库

基于Thermo-Calc系统的材料热力学、动力学计算

多国材料牌号对照,可实现8个国家十多个标准体系的材料牌号自动对照

合金钢种数据库,含8大类、338个主要材料牌号的实物力学性能、工艺性能、应用性能详细数据和图表

石化用钢数据库,与中石化合作建立,辅助设备选材、采购、建造和维护

腐蚀与防护

设备名称:环境腐蚀实验箱;型号:CCX2000;仪器用途:设备能够全面模拟海洋环境腐蚀,包括飞溅区腐蚀、潮差区腐蚀、全浸腐蚀等,可以进行编程,相比于同类盐雾腐蚀箱,设备功能更多。

设备名称:周期浸润腐蚀实验箱;型号:F1-65;仪器用途:设备能够模拟各种大气环境腐蚀,对大气暴晒实验有很好模拟性和数据重现性。)

设备名称:电化学测量系统;型号:273A;仪器用途:进行各种电化学测量,包括极化曲线、自腐蚀电位、交流阻抗、点蚀电位等,此设备为电化学领域最为经典设备之一,基本能够满足各种电化学实验的应用。

(a)8.02%P              (b)10.68%P              (c)37.54%P

化学镀镍-磷合金技术(不同磷含量镍-磷合金层微观形貌,不同磷含量镍-磷合金化学镀层光亮度和耐腐蚀性能存在明显区别)

电镀锌-铁合金技术(电镀锌、电镀锌铁合金及钝化后镀层交流阻抗谱,电镀锌铁合金镀层耐腐蚀性能明显优于电镀锌单一金属。)

渗铝试样的截面形貌图

渗层辉光光谱

合金钢低温渗铝技术(部分沉淀硬化不锈钢需要进行540℃回火,渗铝温度需要低温回火温度,500℃低温渗铝技术既能保证材料力学性能又能获得好的渗铝层,渗铝层耐腐蚀性、耐磨性和耐高温氧化性能得到大幅度提高。)





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