新能源用钢

新能源用钢的现状与特点

摘要：介绍了我国近几年风能、核能、超超临界火电机组、水电机组的发展现状及其用钢的特点；阐述了这些新能源用钢的国内外生产情况及今后的发展趋势。

关键词：新能源用钢、现状、趋势

1、前言：

随着我国对世界在节能减排方面的承诺，新能源用钢近几年发展的速度和应用的数量都在提升，预测“十二五”期间的发展空间将会更大。

资料显示，我国可开发的陆地、海上风能总量有7亿千瓦～12亿千瓦；已建、在建、规划的核电站共将达到50多座；超超临界火电机组成套技术迅猛发展，我国已成为世界上拥有此类能实现节能减排机组最多的国家；水电用钢也迎来新的发展期。

本文在广泛调研的基础上对这些新能源用钢的现状进行介绍。

2．风电用钢

根据国家第三次风能资源普查结果，中国技术可开发风能（风能功率密度为150瓦/平方米及其以上）的陆地面积约为20万平方公里，陆地、海上的风能总量有7亿千瓦～12亿千瓦，风电将成为未来能源结构中重要的组成部分。今后10年是我国风能快速发展的时期预计到2020年，我国的风电装机容量将达到1.5亿千瓦。

2.1 风力发电设备使用的材料80%是钢材。每个850千瓦的机组塔筒要用中厚板70吨～80吨；每个1.5兆瓦的机组塔筒要用钢材130吨；每个2兆瓦～2.5兆瓦的单机要用钢材160吨；3兆瓦的机组含机头在内高度近100米，用钢材总重量达350吨，其中包括塔筒用厚板230吨、机头120吨、基础用钢板15吨、螺纹钢筋20吨。按照行业内的计算，每建成1000万千瓦的风电项目，要建近1000个风塔，制造塔架需要中厚板100万吨，塔架基础需要钢材30万吨，累计要用钢材130万吨，这还不包括机头的钢材消耗。如果在2020年能实现全国风电装机容量达到1.5亿千瓦，可拉动钢材消费的总量将达到1500万吨～2000万吨。

2.2 目前我国塔筒选用的中厚板材质多为Q345D、Q345E，规格集中在

12mm到35mm之间，主要宽厚板供应厂家有鞍钢、酒钢、八钢、包钢、首秦公司，包钢2010年生产风电用钢41.5万t，酒钢20多万t。塔筒对钢材质量的特殊要求主要与地域环境有关：

在占全国风能装机总容量76%的“三北”地区，冬季最低温度低于零下30℃，低温型塔架在选用低合金结构钢材料时，要求对焊缝采用低温脆断的技术措施。对钢材性能要求防止低温脆断裂，要求采取适当的热处理方法增强材料的多次冲击抗力，避免应力集中，避免在低温情况下出现较大的冲击载荷等。

2.3 某企业生产Q345E风电用钢的案例介绍

2.3.1. 化学成分设计

Q345E作为低合金高强度结构钢中级别不是很高的牌号，本身的技术要求并不是很高。但如何采用最经济的手段生产出满足标准及用户要求的产品，是工艺设计根本出发点之一。

1）Nb、Ti、V是最常用的微合金化元素，以上3种元素对晶界的钉扎作用是依次降低的。在低合金高强度钢中，复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。Nb、Ti、V这3种元素都可以在奥氏体或铁素体中沉淀，因为在奥氏体中溶解度大而扩散率小，故在奥氏体中沉淀比在铁素体中缓慢，形变可以加速沉淀过程。一般地，应使在奥氏体中沉淀减至最小，在固溶体中保持较多的合金元素而留待在铁素体中沉淀，这可依靠合金化增加微合元素在奥氏体中的溶解度。例如在含Nb钢中加入Mn或Mo来实现。Q345E选用哪种元素强化，是首要考虑地问题。

2）另外由于Nb、V、Ti三种合金元素中Ti的价格最低，采用Ti微合金化生产Q345E成本较低，既可达到细晶强化的效果，又可达到降低成本的目的。但是，Ti收得率最不稳定，冶炼操作技术难度较大。

综合考虑以上各种因素，该企业设计了Al、Ti、V三种微合金化工艺进行Q345E生产试验。

2.3.2 轧制及冷却控制

厚度≤9mm产品采用常规轧制，其他规格产品采用两阶段控轧工艺。控轧的待温厚度h i=(1.5~3.0)×h0，h0为成品厚度。开轧1050~1100℃，再开轧温度780~820℃。冷却速率根据不同厚度控制在5~15℃/s之间，终冷温度控制在670~700℃。

2.3.3．工业试验

根据制定的研制开发试验方案，按方案一组织冶炼12炉，按方案二组织冶炼20炉，按方案三组织冶炼2炉。不同微合金化方案生产的钢板力学性能及组织状况见表1：

注：括号内为平均值

从检验结果来看，按不同微合金化工艺方案生产的钢板力学性能均满足国标要求。Ti强化钢板强度最低，韧塑性指标较好；Al强化钢板强度适中，但韧性指标富裕量略显不足；V强化钢板强度最高，但延伸率富裕量不足。考虑成本、性能以及钢板表面质量控制等多方面因素，最终确定了Ti+Al微合金化工艺方案，进行了大规模工业生产。

2.4 2010年7月6日，我国第一个海上风电场——上海东海大桥采用34台3MW海上风电机组，总容量10万kW的海上风电场示范工程并网发电，标志着我国基本掌握了海上风电的工程建设技术，随我国海上风电技术的全面成熟，海上风电将进入大规模发展的阶段。沿海地区风电用钢要求具有耐候钢的性能，即具有高强度、耐大气和海洋腐蚀等特点。

风电的核心部件机头部分，对钢材的材质要求更高，大部分机头用钢为特钢和强度为800兆帕以上的非调制钢等，部分材料为不锈钢材质。（风力发电设备的设计寿命为20年）

机头主要由叶片、齿轮箱、发电机、偏航系统、控制系统和塔筒等系统组成，其中风机叶片的材料为玻璃纤维增强树脂、碳纤维，其余部分材料均为钢材。

3、核电用钢

我国核电已形成规模化批量化发展格局。近年来，我国新开工建设核电站8个，核准规模3140万kW，在建核电规模2067万kW，占世界在建核电机组的30%以上，成为世界在建核电规模最大的国家。我国已具备自主设计30万kW、60万kW和百万千瓦级压水堆核电厂能力，已形成上海、哈尔滨和四川三大核电设

备制造基地。三代核电自主化依托项目、世界首批AP1000机组，分别于2009年4月在浙江三门、9月在山东海阳动工。2010年国家积极推进核电建设，研究调整核电中长期发展规划，加快沿海核电发展，积极推进内陆核电项目。到2020年，我国核电装机容量有望超过7500万kW。

3.1 核电站建设对钢材需求很大，建设一座100万kW级的核电机组大约需要20多万吨钢材。以此推算，我国目前在建核电站用钢量将在1000万吨以上，以平均3年的建设周期计算，每年用钢量在300万吨以上。

3.2 目前,世界上运行和在建的核电站多是压水堆,其核岛中主要压力容器(包括反应堆压力容器、蒸发器和稳压器)壳体所用材料基本上统一为大厚度的Mn-Mo-Ni系调质钢(如美国ASME规范中的SA533B 1或SA533B 2级钢,法国RCC-M 标准中16MND5、18MND5等)。核岛中的反应堆压力容器、蒸发器和稳压器等所用钢板厚度通常超过60mm,最厚可达到300mm,均属于特厚板。

3.3 核电机组所用钢管或合金管主要随堆型的不同而有所变化，就中囯使用最多的1000MW级压水堆核电机组而言，所用管子材料主要有核岛反应堆中核燃料棒包壳材料：锆-4合金(Zircaloy)管；控制棒包壳材料用304不锈钢(304SS)管；冷凝器和热交换用镍和镍合金非标准无缝管材：Inconel600,Inconel690和Incoloy800等，目前这些品种规格的钢管有待进一步国产化。

3.4 核岛中属于核一级设备的容器,长期在高温和高压下工作,反应堆压力容器活性区部分还要承受中子辐照，因此对核电站压力容器用特厚钢板提出了与一般用途厚板不同的非常严格的要求,如良好的低温韧性、低的无塑性转变温度、中子辐照脆化小等,要求此类特厚钢板从冶炼、锭(坯)制造到成品都要达到高质量。

3.5 随着钢铁工业一系列先进制造技术的开发和成功应用,厚度达300mm 的高质量核电用特厚钢板已经被成功地生产出来。这些先进制造技术涵盖钢水冶炼、锭(坯)制造、轧制、热处理等整个工艺过程。其中,钢水冶炼、轧制和热处理技术在不同钢铁企业中基本相似，而锭(坯)制造则形成了不同的技术,如模铸锭、电渣重熔锭和锻造坯。这些锭坯均已用于制造核电用特厚钢板。

4、超超临界机组用钢

超超临界火电机组成套技术是我国优化发展火电结构，保证国家能源安全，实现节能减排的最重要措施之一。截至2009年末,我国发电装机容量已达8.74