国际能源署（IEA）的调查显示，过去50年全球平均气温上升的原因90%以上与化石能源使用产生的碳排放有关。 未来全球温室效应将日益严重，已成为人类生存的重大威胁。 作为负责任大国，中国郑重承诺2030年实现碳达峰、2060年碳中和。发展清洁能源替代碳排放高的传统能源是实现战略目标的必由之路。
2021年10月，国务院印发《2030年前碳达峰行动计划》，要求大力发展新能源，全面推进风电、太阳能规模化发展和高质量发展，非-到2030年化石能源消耗达到25%左右。 到2050年，光伏发电将占总发电量的40%以上，成为中国第一大电能来源。 2021年，我国光伏实际新增装机容量将超过风电，位居绿色电力第一，但仅占总发电量的3%左右。 与规划目标相比，还有较大差距。 未来将会有很大的危机。 发展机会。
多晶硅是光伏发电关键部件硅板的基本原材料。 近年来，多晶硅项目建设呈现爆发式增长。 单线产能由不足3000吨提高到8000吨以上。 多晶硅产量从2015年的16.5万吨快速增长到2021年的50.2万吨，预计2025年将达到300万吨/年。根据我国新能源体系发展目标测算，光伏产业未来需求多晶硅将超过800万吨/年，缺口非常大，产能严重不足。 为此，四川永祥、江苏中能、东方希望、亚洲硅等国内主要多晶硅生产企业在青海、新疆、宁夏等地启动了多个项目，带动了多晶硅的核心生产装置——冷氢化铁反应堆。 镍基合金N08810、N08120宽厚板需求增长迅速。 仅2022年国内需求量就将达到1.5万吨。 据国内权威设计部门华录科技预测，未来五年需求量将突破3.5万吨/年。
多晶硅产业的发展方向是装备大型化、工艺高效化、产能规模化。 冷加氢反应器设计容积从150m3左右升级到360m3以上，直径从3000mm增加到4500mm，工作压力从3.6MPa提高到4.0MPa。 反应温度从550℃提高到600℃，因此反应器材料也必须升级。 第一代材质N08810钢板设计最大厚度近100mm，宽度超过2500mm，板重超过12吨。 第二代材质N08120钢板设计最大厚度近70mm，宽度超过2200mm，板重超过8吨。
图1 铁镍基合金板供应已成
我国光伏产业快速高质量发展面临的“卡脖子”问题
由于光伏行业用铁镍基合金材料对清洁度、高温性能、探伤等技术质量指标要求较高，且生产难度极大，该项目主要依赖国外进口前。 2016年至2020年进口量超过6000吨，占总需求量的95%以上，且厚度、宽度和单位重量较小。 例如N08120板材的重量一般小于5吨，宽度不超过1800mm。 其规格、板重、交货期、数量无法满足大型多晶硅项目设计和施工进度的要求。 其中，铁镍基合金板供应成为困扰我国光伏产业快速高质量发展的“卡”题。
2、解决问题的思路和技术方案
与普通不锈钢中厚板相比，铁镍基合金板材料Cr、Ni含量较高，Nb、Ti微合金元素较多，易氧化、偏析。 其性能对杂质成分高度敏感，且具有单板重和高温强度等特点。 因此，其制造技术有其独特性和复杂性，存在的主要问题是：
1、在冶炼方面，由于铁镍基合金高温强度高、塑性差、变形困难，如果有害元素和夹杂物控制不当，在热加工或热加工时很容易出现轧制裂纹。安装运行后可能会出现蠕变开裂；
2、如果采用模铸工艺，需要大锭型，流程长，成本高； 锭板匹配性差，成品率低； 凝固末期夹杂物易堆积，大尺寸制品超声波探伤合格率低； 同时，单一的张八重受到限制，难以做大。 如果采用连铸工艺，由于铁镍基合金的裂纹敏感性较高，一般采用立式连铸。 铸坯厚度和宽度较小，无法保证成品大宽厚板的单位重量和性能要求。 规格有限； 设备小，生产效率低。
3、热加工方面，铁镍基合金板加工窗口窄，裂纹倾向大，轧制时板形控制困难，需要深入的理论和实验研究;
4、在组织和性能控制方面，Nb、Ti等元素含量过高，不利于再结晶晶粒尺寸的均匀长大，容易造成厚度方向组织不均匀。 同时，表面和厚度中部的轧制变形均匀性较差，宽厚板整个厚度的均匀性很难控制。
综上所述，现有技术难以满足厚度（67-97mm）、宽度2000-2700mm的大单重铁镍基合金板的生产要求。
图2 铁镍基合金宽厚板技术研究方案
基于国内快速、优质供应更宽、更厚、更大单重铁镍基合金板的需求，本项目拟开发宽幅垂直弯曲连铸+真空复合工艺为实现铁镍基合金规模化、高效生产的研发思路，拟在铁镍基合金成分优化设计和工艺基础上，开展创新工艺的大型单重坯料技术研究高洁净度冶炼工艺，形成满足光伏产业快速发展需要的铁镍基合金。 高质量、高效率的宽厚板制造技术，产品质量达到国际领先水平，满足国内多晶硅电抗器关键基础材料的高质量要求，填补国内空白，解决“卡脖子”解决清洁能源领域的材料问题，有助于推动我国新能源体系建设。
二、主要创新成果
该项目突破了一系列关键技术，实现了生产工艺重大创新，完成了铁镍基合金的国产化和升级换代，推出了全球首创13吨以上N08810、N08120合金宽厚板。超过8吨。 技术和产品质量达到世界领先水平，取得的主要创新成果如下：
1、优化N08810、N08120铁镍基合金内控成分设计，开发高洁净度精炼工艺，实现N08810合金成品[N+O+S]≤100ppm，N08120合金成品[ O+S]≤33ppm，夹杂物（A+B+C+D）≤1.5，显着提高了产品的冶金质量。
采用高含量强化元素设计，N08810采用高Al、高Ti含量设计，N08120采用高Nb、高N含量设计，提高了材料的焊接性和高温力学性能，使其更适合反应器处理和设备需要长时间运行。 安全服务要求； 在经济元素设计和固溶强化元素设计方面，与进口材料主动添加昂贵的强化元素不同，太钢N08120充分利用镍原料中的伴生元素进行替代，达到良好的强化效果。 通过多级逐级合金、保护性铸造等技术措施，达到高含量合金和钢水清洁度控制的目标。 通过对多炉连铸坯中10μm以上夹杂物进行统计分析，夹杂物数密度为0.48个/cm2。
图3 铁镍基合金中TO和[S]的控制
2、首次开发了超宽（最大2050mm）N08810、N08120合金整套垂直弯曲连铸技术，解决了连铸中的表面裂纹、内部裂纹、粗枝晶等缺陷坯料，实现了耐腐蚀合金生产工艺。 重大创新。
为了解决铸坯因导热系数低、单相凝固、高温塑性差等原因，在连铸结晶器和弯曲过程中容易产生裂纹的问题，采用了低熔化温度的专用保护渣。开发了低粘度、低熔点的铁镍基合金宽幅垂直弯曲连铸技术，并结合模具内、二冷区的独特工艺设计。 铸坯表面质量良好，无明显凹痕、裂纹、夹渣、夹杂等肉眼可见的缺陷； 低倍：板坯表层及柱状晶区组织细密，柱状晶晶粒尺寸2mm，比优化前降低40%左右。 ; 采用多级电磁搅拌，中心等轴晶面积显着提高，等轴晶率达到60%以上； 铸坯内部无中间裂纹、皮下裂纹。
图4 铁镍基合金连铸坯表面及内部质量
3、开发了大型厚重铁镍基合金板坯真空复合制备技术，成功解决了复合板坯轧制过程中无界面结合、无缺陷检测的难题。 该产品最大厚度97mm，板坯重量≥13吨，性能优良。 实现高效率、高产量、大批量生产。
复合过程中需要解决的主要问题是：根据产品的厚度确定复合层数； 复合材料表面间隙小，氧化元素含量高，加工表面氧化物难以去除； 复合材料表面的密封焊接裂纹倾向较高，且毛坯受热后复合材料表面容易发生氧化分层。 基于以上问题，我们突破了高洁净复合表面加工技术，开发了“粗铣+精铣+磨削”的表面加工技术。 连铸坯表面粗糙度低，无氧化，平整度高（<0.5mm）。 我们开发了真空电子束焊接技术，制定了高真空、合理电流、电压的最佳封焊焊接参数，保证了焊缝宽度、接合面冶金质量和滚动可靠性。 经过上述措施后，宽厚板轧制后观察不到复合界面和氧化物堆积条； Z向拉伸断裂位置远离复合材料界面，有明显的颈缩现象； 复合界面性能均匀性好，宽厚板探伤合格率远高于模铸工艺生产的钢坯，表明连铸钢坯复合工艺具有显着的质量优势生产铁镍基合金宽厚板。
图5 连铸复合与压铸落料工艺轧制的宽厚板质量对比
4、成功研发铁镍基合金板高均匀性高性能控制技术，解决了板形控制、表面和中心裂纹、厚度方向晶粒尺寸和性能不均匀等问题，满足光伏行业设备的材料要求。 高标准要求。
宽厚板轧制及组织性能控制的主要问题是：强化元素含量高，柱状晶发育，铸坯高温塑性差，易出现头部开口、表面裂纹等缺陷发生在轧制过程中； 产品厚度较大，结构和性能厚度均匀性控制较困难。 轧制裂纹产生原因分析：由于高温下强度高、塑性差，如果采用小变形道次，就会导致终轧温度低，形成边部裂纹。 如果采用大变形道次，会因变形力过大而产生表面裂纹。 大厚板均匀性差的原因：一方面，道次变形小，轧制力未到达中心； 另一方面，Nb的均匀性和热处理温度影响晶粒长大。 解决问题的技术思路是：N08810具有比较好的高温定型性，产品厚度大。 采用一次火高压滚压，保证材料全厚度的均匀性； N08120的高温定型性相对较差，且产品厚度较小，因此是最优的。 采用高温下多次火力小变形轧制工艺； 采用较高的热处理温度、低温缓慢上升、高温快速上升的加热工艺，保证材料全厚度的均匀性。 经过上述措施后，导致表面裂纹的原因已从35%降低到2%以下； 组织均匀性好，整个厚度晶粒尺寸为2-5； 宽厚板厚度方向性能均匀性好，表面与1/2厚度性能差异小于10%。
图6 工艺优化后宽厚板表面质量及不同位置晶粒尺寸
四、应用及效果
该项目围绕国家“双碳”战略，面向光伏产业迫切需求，依靠自主创新，系统解决铁镍基合金洁净冶炼、宽幅宽幅熔炼难题。为解决变形铁镍基合金板高均匀性、高性能制造等关键技术问题，两个大厚度产品，N08810研发出N08120，实现了铁镍基合金宽厚板的高质量、批量供应和单位重量的突破。 全球首创N08120合金宽厚板超过8吨。 太原钢铁股份有限公司研发的铁镍基合金板应用于我国首个国产光伏多晶硅项目——亚洲硅业（青海）6万吨/年项目。 近两年已为东方希望、大全新能源等项目量产。 已为100余台光伏多晶硅电抗器的制造供应宽厚板2万余吨，市场占有率达70%以上，整体水平达到国际领先水平。 行业主要用户中升科技、澜石重装镍基合金板产品评价：性能指标与进口产品相当，高温屈服强度略高于进口材料，单板重量宽度远超进口材料，大幅节省焊接材料用量，为降低焊接材料成本提供有力支撑。 该项目已形成10项企业专有技术，制定1项中国钢铁工业协会团体标准，经济效益和社会效益显着。
通过该项目的实施，实现了光伏行业铁镍基合金宽厚板高质量、批量供应的突破，解决了光伏行业关键设备材料的“卡脖子”问题。我国光伏产业快速高质量发展，替代进口产品，完成了从进口到自主、从“跟随”到“引领”的转变，保障了我国光伏产业快速高质量发展，助推了光伏产业建设中国新能源体系。 同时对于提高我国特宽厚板产业整体竞争力、支撑我国高端装备制造业快速发展具有重要的战略意义。
2021年，该项目被中国冶金报评选为“中国不锈钢行业十大新闻”和“中国特钢行业十大影响事件”之一。 该项目荣获2022年太钢科学技术奖一等奖，被中国钢铁工业协会评定为“国际领先水平”。
图7 太钢合金镍基合金宽厚板已在光伏行业批量应用并被主流媒体报道
