策略聚宝 2025冶金科学技术奖简介 | 600MW示范快堆核电材料一体化研制及工程应用

　　一、项目背景及研发思路

　　快堆是我国核电“三步走”战略的重要环节，主要作用在于：“开源”——通过增殖燃料解决核燃料资源枯竭问题；“节流”——通过嬗变减少核废料长期放射性危害；“安全”——具备钠冷优势，提升装备固有安全性；“多能”——作为高温高效能源，有效支持电力、制氢、供热等发展。600MW示范快堆更是目前我国实现工程化应用的首个四代核电项目。

　　为满足示范快堆装备及材料一体化研发需求，本项目重点开展了316H奥氏体不锈钢、2.25Cr1Mo耐热合金钢、SA-516Gr.70低合金高强度钢研发，其中316H主要用于制造堆主容器、中间热交换器等主设备；2.25Cr1Mo主要用于制造蒸汽发生器；SA-516Gr.70主要用于制造堆顶固定屏蔽装置，基本实现了600MW示范快堆关键装备及材料（板材）的全覆盖。通过研发，从根本上解决了上述材料面临的“组织控制难、性能波动大、长时性能缺、模焊（SPWHT，下同）强度低”等“卡脖子”难题，破解了国外产品不满足快堆设计要求、国内企业无法实现自主化生产的困局。

　　本项目于2020年确定为一期1025课题，2022年成功通过验收。并于2023年通过中国钢铁工业协会组织的科技成果鉴定，达到国际领先水平。

　　二、创新点及关键技术

　　创新点一：奥氏体不锈钢铁素体含量控制及多阶段轧制、分阶段均衡热处理技术。

　　1）针对316H连铸坯轧制厚度≥20mm钢板的δ-铁素体含量≥5%，电渣重熔轧制钢板的δ-铁素体含量≥2%，且钢板越厚，δ-铁素体越难去除的技术难题，采取关键技术主要为：

　　316H高温δ-铁素体是由液态到固态凝固过程的产物，通过后续轧制、固溶处理均难以去除。实际生产中采用连铸坯+电渣重熔+锻轧工艺，有效控制锻轧过程温度、时间及处理工序，实现高温δ-铁素体控制。由此创新开发出高温δ-铁素体回溶与晶粒细化耦合技术，实现了δ-铁素体含量稳定控制在0.5%以下策略聚宝，满足铁素体含量＜1%要求。

　　2）针对奥氏体不锈钢轧制易形成混晶，无法通过常规固溶处理得到消除的技术难题，采取关键技术如下：

　　实行两阶段控轧生产，第一阶段采取高温大压下，即变形温度≥1050℃、单道次压下量≥15%，发生连续动态再结晶；第二阶段采取低温小压下，即变形温度800℃～900℃、单道次压下量5%左右，抑制发生非连续动态再结晶，或者不发生再结晶。之后再进行600℃、1000℃和1050℃三阶段分级固溶处理，控制钢板表面、1/4T及心部产生静态再结晶且不发生晶粒长大。由此创新开发出多阶段控轧和分阶段均衡热处理的再结晶组织控制新技术，实现了8～80mm全厚度晶粒度由3～8级稳定控制在4～6级，满足实际工程需要。

　　3）针对中碳含量奥氏体不锈钢（C＞0.03%）高温长时间敏化处理后，晶间腐蚀能力下降技术难题，采取关键技术如下：

　　一是成分优化。将C含量控制在标准下限（0.04%），并向钢中加入少量（0.05%）强C化物形成元素Nb，实现固C保Cr；二是实行晶界控制。通过两阶段控轧获得相对细小均匀的晶粒，避免亚晶和高能晶界的产生。同时采取多阶段均衡热处理，消除晶界上析出的(CrFe)23C6，防止“贫铬区”形成，进而有效改善钢板敏化处理后抗晶间腐蚀性能。因此创新开发出基于晶界工程控制的中碳奥氏体不锈钢316H敏化处理后抗晶间腐蚀技术，使得316H晶间腐蚀合格率由50%左右提高至95%以上。

　　创新点二：316H奥氏体不锈钢板头尾性能均匀性、稳定性控制新工艺。

　　针对316H钢板头尾性能无法满足屈服强度波动≤30MPa和冲击韧性波动≤50J要求的技术难题，采取关键技术为：

　　采用在线控轧+控冷工艺，减少钢板头尾轧制、冷却温度偏差，固溶处理时头尾同步发生静态再结晶，晶粒尺寸基本一致，有效控制头尾性能波动。因此创新开发出奥氏体不锈钢控轧控冷+多级固溶处理技术，使钢板头尾屈服强度和冲击韧性波动范围控制在10MPa和30J以内，满足指标要求。

　　创新点三：转炉双联冶炼、电渣重熔生产高纯净耐热合金钢技术策略聚宝。

　　1）针对CrMo钢带状组织偏析易引起高温服役时晶界脆化，导致高温长时性能恶化技术难题，采用关键技术如下：

　　采用三步法冶炼生产，即转炉双联法冶炼+炉外精炼+电渣重熔，最大限度提高钢质纯净度；通过对J系数元素（Si、Mn、P、Sn）含量进行优化（J≤50），控制带状组织，保障钢板综合性能。创新开发出纯净钢三步法冶炼生产技术，将回火脆性系数J 引入带状组织控制，提出基于 Si、Mn、P、Sn 的 J≤50 的控制范围，有效消除或减轻钢板全厚度带状偏析。

　　2）针对CrMo钢室温抗拉强度Rm≤585MPa限制下，高温SPWHT强度无法满足要求（现有技术只能满足90%Rm）的技术难题，采取关键技术如下：

　　依据2.25Cr1Mo连续冷却曲线，精准控制贝氏体、铁素体临界冷却速度，通过“正火弱冷”有效细化贝氏体板条束，“高温回火”精准调控第二粒子均匀、弥散析出，进而抑制SPWHT后合金渗碳体的析出长大，确保室温及高温性能均满足指标要求。开发出“正火弱冷+高温回火”贝氏体组织精细控制技术，实现室温和高温抗拉强度窄区间协调匹配，确保SPWHT后500℃、530℃和550℃温度下抗拉强度Rm不小于400MPa、380MPa、358MPa。

　　3）针对2.25Cr1Mo快堆工况下的高温持久强度、疲劳循环周次和蠕变极限，国内外无实物数据的技术难题，采取关键技术如下：

　　重点对金相组织进行精准调控，通过优化正火冷却速度，实现对钢中α-铁素体含量调控。钢中保留0.5%~1%的α-铁素体，能够提高B的协调变形能力，强度得到增强，钝化裂纹扩展，进而增强钢的强韧性，提高钢板高温长时性能。确保钢板高温持久强度、疲劳循环周次和蠕变极限结果均满足快堆使用需求。

　　创新点四：深度控轧+正火处理，细化晶粒、析出强化及位错强化复合技术。

　　针对低合金C-Mn钢SPWHT态200℃～400℃高温强度无法满足快堆使用要求的技术难题，采取关键技术主要为：

　　首先采用深度控轧工艺，终轧温度降低到800℃左右，实现厚度1/4T位置晶粒细化，达到9～10μm；其次进行成分优化，采用高碳、中锰和微V处理，实现第二相粒子 VN(≤20nm)析出强化；第三有效控制钢板正火工艺，通过高温短时处理，实现厚度方向梯度再结晶，厚度1/4T位置保留一定的位错并形成位错强化。创新开发出超低温终轧+梯度再结晶组织控制技术，实现细晶强化（9～10μm）、第二相粒子析出强化（≤20nm VN）和位错强化复合作用，保障钢板综合性能。

　　本项目获授权发明专利12项，建立2个专利群，其中1个申报PCT（美、法、日、韩）专利，在化学成分、生产方法、产品质量、装备制造等方面实现布局。

　　三、技术水平及应用推广

　　技术水平：本项目于2023年1月通过了由中国钢铁工业协会组织的科技成果鉴定，达到国际领先水平。与国内外先进钢铁企业对比如下：

　　应用推广：本项目研发钢种成功应用于霞浦1号、2号核电机组，满足国家重大工程急需并得到用户认可。鞍钢已成为全球唯一一家依靠自身装备生产四代快堆配套材料的企业，满足特殊时期保供需求。

　　四、行业进步及经济和社会效益

　　行业进步：本项目研发的三个钢种能够有力地支撑我国各种核电技术发展，尤其对于1000MW快堆装备材料一体化、可控核聚变超低温结构材料、高温气冷堆堆内构件以及华龙一号、国和一号汽水分离再热器等关键装备材料优化具有极强的借鉴作用。

　　经济效益：本项目实现新产品推广2223吨、创效25282.91万元。

　　社会效益：有效推动核电、军事等技术发展，突破能源地缘依赖，增强国家能源主权。一是重大工程关键材料自主化，解决“卡脖子”难题”，实现“双碳”目标，社会效益巨大！助力减少标准煤消耗360万吨、CO2排放900万吨。二是大幅提升核燃料利用率，保障能源长期安全，战略意义显著！能够使铀资源利用率提升60倍以上策略聚宝，实现核废料资源化！

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