科技新进展：高端特种合金用超纯基料研发与应用

一、研究的背景与问题

高端特种合金是航空航天等尖端科技领域快速安全发展的核心。随着我国空天高端装备制造等领域的迅猛发展，对材料性能提出了极高要求，尤其强调在极端环境下的可靠性、稳定性和长寿命。特种合金性能的核心影响因素之一在于杂质元素含量，大量研究表明，随着磷、硫、铝、氧等有害元素的增加，材料的强度、抗蠕变性能和疲劳寿命将显著下降，严重制约整体装备水平提升。

国内外在冶炼高端特种合金普遍采用常规原料纯铁熔炼制备，国内主流原料纯铁的有害元素控制水平为：S:20-27ppm、P:30-50ppm、Al：70-100ppm、O:30-62 ppm、P+S:50-77ppm。日德等超纯系列控制水平为：S:10-15ppm，P:20-33ppm，Al：70-90ppm，O:30-40 ppm、P+S:30-45ppm。尽管部分企业可实现某一元素的较低控制，但难以实现多元素同时达到ppm级极低水平。无法满足特殊领域对超纯基料的苛刻要求，即S≤8ppm、P≤20ppm、Al≤50ppm、O≤30ppm、P+S≤25ppm、C+P+S+Al+O≤150ppm。由于关键有害杂质元素超标造成性能不合造成废品率居高不下，性能波动较大的问题非常严重。因此，开发超低杂质含量的超纯基料，已成为突破高端材料“瓶颈”、实现自主可控的必由之路。

为此，国家立项将超纯基料研发列为使命类工程，旨在系统解决我国在特种材料基础原料领域的稳定保供问题。同时，行业分析表明，预计到2026年，国内超纯基料需求超过5万吨。随着我国空天、航天发动机、飞机起落架等重大项目的持续推进，市场对超纯基础材料的需求将快速上升，所以开发此类材料不仅具有紧迫的战略意义，也具备广阔的市场前景。

在此背景下，太钢积极响应国家战略需求，充分发挥自身在纯净钢和不锈钢冶炼方面的技术优势，依托国家项目，从2022年起系统布局超纯基料研制工作。围绕多项关键工艺开展原创性技术突破，在国内外首次开发出包括超低碳、超低铝、中高碳、高合金等系列牌号的高品质超纯基料，关键杂质元素含量全面达到国际领先水平，实现了该类材料从工艺到产品的自主可控，为国家尖端科技发展提供了坚实的材料保障。

二、解决问题的思路与技术方案

1.项目思路

针对空天等领域特种合金对超纯基料的严苛需求，项目突破传统冶炼极限，建立“预处理→BOF→LF→RH→CC”全流程多有害杂质协同控制体系，实现极限纯净度控制。

项目总体思路如下：

（1）极低磷、硫协同控制：开发“转炉双渣脱磷+钢包深脱磷”将P含量控制在≤13ppm、“快速脱氧扒渣+LF深脱硫”控制S≤8ppm，同时P+S≤20ppm。

（2）低碳、低铝和低氧控制：采用RH强制吹氧精准控碳、氧化剂控铝及钙处理脱氧，精准控制C、Al、O元素含量。开发高洁净度连铸工艺，降低T.[O]含量。

（3）高铬超纯基料：创新集成“三脱铁水→K-OBM-S→VOD→LF”流程，实现了航空级高铬(10% Cr)超纯基料的高效、稳定、低杂质生产。

为实现基料超纯净化冶炼，项目实施方案如图1。

图1 实施方案

2.技术方案

高端特种合金用超纯基料后期将在真空感应炉中熔化并添加其它合金，用于制备高品质特种合金及特种钢，用户的关键指标为纯净度指标，项目结合太钢产线特点以及钢种特点，低合金超纯基料采用的生产流程为：铁水→转炉→扒渣→LF精炼→RH精炼→板坯连铸→切割，如图2所示；高Cr系列超纯基料采用的生产流程为：三脱铁水→扒渣→K-OBM-S→扒渣→VOD→LF脱硫→方坯连铸→切割，如图3所示。由于用户需求关键有害元素P、S、Al、O、N极严苛，均达到ppm级别，针对纯净度指标项目在转炉冶炼、LF精炼、RH精炼等环节开发相应的超纯净化冶炼技术并精细化控制。

图2 低合金超纯基料生产流程

图3 高铬超纯合金基料生产流程

三、主要创新性成果

1、突破极低磷、硫含量传统冶炼控制极限，采用转炉双渣+钢包深脱磷、快速脱氧扒渣、LF深脱硫等工艺，创新开发了超低磷硫控制技术，超纯基料成品达到P≤20ppm、S≤8ppm且P+S≤25ppm。

通过“转炉双渣法协同炉后钢包深脱磷-快速脱氧扒渣-LF 深脱硫工艺”协同控制极低磷、硫冶炼技术，不仅攻克了磷硫同步超低控制的行业难题，为航空航天关键部件的可靠性提供了核心材料保障。整套工艺已形成具有自主知识产权的超纯冶炼标准。

（1）通过“转炉双渣+钢包深脱磷工艺”，转炉脱磷率可以达到95%以上，比常规转炉单渣工艺脱磷率提高7%，钢包炉脱磷率可以达到35%-45%以上，实现超纯基料P含量稳定控制在≤13ppm。

（2）创新开发了快速脱氧扒渣工艺，得明确铝添加量、扒渣时机、渣组分等关键参数，大幅缩短了LF精炼深脱硫的时间和效果，将氧含量从1000ppm降低到5ppm，为极低磷硫协同控制创造条件。

（3）开发了高碱度、脱硫能力较强的LF精炼渣，将S含量稳定控制在≤8ppm。

（4）构建超纯基料磷硫协同控制体系，成品P≤20ppm、S≤8ppm且P+S≤25ppm。

2、解决了低铝与低氧、低碳与低氧、低铝与低硫等协同控制难题，在RH精炼工序开发了吹氧精准控碳、氧化剂精准控铝、Ca处理深脱氧等系列技术，实现C≤30ppm、Al≤50ppm，T.[O]≤30ppm，C+P+S+Al+O≤150ppm。采用中间包L型通道式过滤器等装置，保证了钢水的洁净度。

项目在RH精炼和连铸工序，开发了一系列关键技术，解决了低铝与低氧、低碳与低氧、低铝与低硫等协同控制难题。

（1）明确超纯基料RH吹氧脱碳氧气利用率，解决了超纯基料低碳（C≤30ppm）与低氧（T.[O]≤30ppm）协同控制的难题。

（2）建立RH氧化剂控铝的定量关系，明确了钙处理深脱氧的利用率，解决了超纯基料低氧（T.[O]≤30ppm）与低铝（Al≤50ppm）协同控制难题。

（3）开发的L型通道式过滤器结构中间包，实现夹杂物的有效去除（全氧含量减少20%以上），实现超纯基料C≤30ppm、Al≤50ppm，T.[O]≤30ppm，C+P+S+Al+O≤150ppm的精准控制。

3.集成开发“预处理→扒渣→K-OBM-S→扒渣→VOD→LF→连铸”超纯基料生产流程，攻克了高铬（10% Cr）超纯基料关键有害元素磷（P≤85ppm）、硫（S≤7ppm）极低含量精准控制难题。

依托太钢不锈钢与纯铁冶炼优势，全球首次开发出航空级高铬超纯基料。

（1）创新开发的“铁水预处理+K-OBM-S前期脱磷”将P含量降低到≤25ppm，有效保障成品P≤85ppm；

（2）突破VOD传统铝脱氧和硅脱氧渣系，创新高碱度VOD渣系(CaO 55%-57%、Al₂O₃≤20%)，实现硫≤7ppm、氧≤14ppm的协同控制。

四、应用情况与效果

在国家项目的支持下，太钢在国内外首次成功开发并批量生产了10余个牌号的系列化高端特种合金用超纯基料。有害杂质元素含量极低，产品均成功应用于航空航天等尖端领域的特种合金制备，如航空发动机轴和轴承、航空承力部件、紧固件、起落架等关键部件。

作为技术密集型且高技术壁垒的新产品，产品质量得到高端市场的认可，自2023-2025年开发以来均突破万吨级规模，并随着市场的需求我司开发量将进一步增加。项目研发过程中获国家发明专利17项，发表学术论文18篇，制定各类标准4项，实现国内首发1项和全球首发2项。攻克了我国超纯基料制造领域的共性难题，促进了高端特种合金制造行业的技术进步，对提升我国尖端科技力量具有重要战略意义。

在使用端，超纯基料均用于航空发动机轴、轴承、发动机吊架、飞机起落架、航空紧固件等用的18Ni、A-100、300M、Cr4Mo4V、15-5PH、PH13-8Mo等特种合金的制备，实现零质量异议的突出表现。另外，该类超纯基料的应用大幅缩短真空熔炼时间，比传统原料纯铁实现综合降本超1000元/t，同时关键性能合格率如夹杂物探伤、抗拉强度、断裂韧性的合格率均提升8-30%，有效保障空天、领域关键部件的安全可靠。

太钢正积极拓展战略客户，进一步提升市场覆盖率和产业影响力，支持国家关键部件基础材料自主供应，增强我国尖端领域的全球竞争力。未来将瞄准“十五五”目标，将扩大超纯基料生产规模，应对航空航天领域需求增长。通过技术创新、智能制造和合作研发提升竞争力，深化战略合作并拓展新应用，服务国家战略。

信息来源：太原钢铁（集团）有限公司