船板钢的发展与生产技术_许荣昌

莱钢科技 2007年4月

专论与综述

船板钢的发展与生产技术

许荣昌

(技术研发中心)

摘 要:介绍了船板钢的发展趋势、冶炼技术、成分控制、纯净度要求,对船板钢的轧制技术进行了概述,重点综述了高强度船板钢的生产技术。

关键词:船板钢 高强度钢 生产技术

TheDevelopmentofSteelforBoatDeckanditsProductiveTechnology

XuRongchang

(TheTechnicalR&DCenter)

Abstract:Thedevelopmentaltrend,smeltingtechnique,compositioncontrolandpurityrequirementsofsteelforboatdeckarepresentedanditsrollingtechniquesummarized,withthestressontheproductivetechniqueforhighstrengthsteelforboatdeck1

Keywords:steelforboatdeck;highstrengthstee;lproductivetechnique1 前言

目前,宽厚板生产的主要品种有碳素结构钢板、优质碳素结构钢板、低合金高强度结构钢板、造船用钢板、管线用钢板、工程机械用钢板、汽车大梁板、桥梁板等,船板钢是宽厚板的主要专用板品种之一。中国是造船业大国,对船板钢的需求越来越大,同时船舶的大型化、高速化以及海洋油气田的开发,为高强度船体结构钢的应用提供了广阔的应用前景,所以有必要对船板钢的发展趋势、生产技术特别是高强船板钢的生产控制技术进行研究。

2 船板钢的发展概况

造船用宽厚钢板钢种包括一般强度船板(A-E),高强度船板(AH32-EH40),超高强度船板钢(AH42-FH69),船用锅炉板,造船及海洋平台用Z向钢板等。船板钢生产主要技术由高碳单元素、低碳多元素、向微合金化和复合微合金化方向发展;由低强度级别向高强度级别、超高强度级别发展,目前,船板钢的强度一般可达450-980MPa。

作者简介:许荣昌(1971-),男,山东莱芜人,1994年毕业于武汉钢铁学院钢铁冶金专业,博士,高级工程师。主要从事钢铁工艺技术研究工作。

最初的船板钢使用铁素体加珠光体的碳锰低合

金钢,近年来开始使用调质热处理的镍铬钼系合金元素为主的HY-80钢,随着对船板钢要求的提高,调整合金元素的含量和回火温度成功研制了HY-100钢。之后,美国又相继研制了HY-130钢和HS-LA系列钢,由于含碳量较低,合金对氢致裂纹不敏感,焊接性能好,具有很好的使用性能,但其强度并无太大提高。

日本研究者开发出一系列高强度船体结构钢,如成分为8/10N-iGr-Mo-V-011/0115C调制高强度钢、马氏体时效钢(18N-i8Co-3Mo-T-iA-l0103C、12N-i5Gr-3Mo-T-iA-l0103C)和双相强化钢,其新开

发的STX-21系列钢,强度和寿命将超过现有钢一倍以上;俄罗斯也开发了强度从390-1175MPa级的AB系列舰船钢;法国最新建造的/凯旋0级核潜艇采用了屈服强度为980MPa级的HLES100钢。建国以来,我国也研制成功了390、440、590、785MPa级的高强度舰船用钢系列。

由于组织决定了钢的性能,所以组织控制一直是船板钢生产技术发展的关键,船板钢的组织设计演变可由图1看出,铁素体+珠光体组织的钢尽管在一定的冷却范围内强度可以得到提高,韧性得到改善,但提高和改善是有限度的。因此,开发其它组织类型的钢,是获得综合力学性能良好的船板钢的

许荣昌:船板钢的发展与生产技术 第2期(总第128期)重要途径。近年来国内外研究成果表明,高碳贝氏体钢尽管具有较高的强度,但其冲击韧性与焊接性能较差。随着冶炼技术的不断发展,发现生产的微

碳低合金钢不但具有较高的强度,同时又具有较低的冲击转变温度、优良的焊接性能,而且这些优良的综合机械性能在控轧状态下即可获得

[1]

塑性明显恶化钢板焊接性能。研究表明,如果降低船板用钢HY-130的碳含量至0104%~0107%,并

对合金元素含量微调,加上控制轧制、直接淬火(CRDQ)以及回火处理则可取消焊接前的预热处理过程,得到的25mm厚板能满足HY-130钢的力学性能要求。

31112 锰的作用

Mn是弱碳化物形成元素,它在冶炼中的作用是脱氧和消除硫的影响,还可以降低奥氏体转变温度,细化铁素体晶粒,对提高钢板强度和韧性有益。同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性。因此,在成分设计时,锰要控制在上限。控轧钢中,Mn含量一般在113%~115%之间,一般用低碳高锰类型的钢作为焊接结构钢,Mn/C比值越大(达215以上),钢的低温韧性就越好。但猛含量超过115%左

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图1 低合金高强钢组织设计变化趋势

右时,则钢硬化而延展性变坏。

31113 微合金元素的作用

微合金钢一般是指合金元素总含量小于011%的钢,目前大量使用的是铌、钒、钛、铝,其特点是能与碳氮结合成碳化物、氮化物和碳氮化物,这些化合物在高温下溶解,在低温下析出,其作用表现为:加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大;在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大;在低温时起到析出强化作用。

Al能细化钢的晶粒,提高钢的晶粒粗化温度。这是由于铝在钢中和其它元素形成细小弥散分布的难熔化合物起阻碍作用,主要是AlN的影响。经研究发现,当钢中[Al]的总含量在01020%以上时晶粒显著细化。铝在调质钢中对抗拉强度、延伸率和面缩率影响不大。铝因为能固定晶格间隙中的氮原子,所以对强化低碳钢是有利的。一般来说,残留在钢中的微量铝,对焊接质量影响不大,如果铝作为合金元素大量使用,使钢的焊接性变坏。冶炼时钢中的铝含量控制在01020%~01040%较为合适。

Nb能产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化作用。铌细化晶粒的强烈效果与在轧制时碳氮化铌析出延迟奥氏体的再结晶有关系。铌的另一个重要影响是在低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成。铌有增加焊接热影响区热裂纹的倾向,焊缝中单独加入铌时,使韧性显著变坏,但当T-iNb-Mo共存时会呈现良好的韧性。铌在含硼钢中的允许含量不能超过0103%。

V在合金元素中是钢中的强化元素,由于VC、

[3]

3 船板钢的生产技术

由于船板钢要求良好的低温冲击韧性和较低的脆性转变温度,因此,对高强度船板有铝含量及微合金化的要求。为保证良好焊接性能,需要控制碳当量上限;根据高强船板的综合性能要求,确定钢的成分控制范围。微合金元素的选择既要考虑微合金元素的强化效果又不能对钢的组织产生不良影响,微合金元素对钢的脆性转变温度影响也是考虑的重要因素。钢质纯净度对高强度船板的韧性特别是低温韧性的影响是冶炼中控制的技术关键。

311 船板钢对冶金化学成分设计思路

超低碳贝氏体钢在成分设计上对C、Mn、Nb、Mo、B、Ti等合金元素的最佳配合进行了大量的研究,从而在较宽广的冷却速度范围内都能够得到完全的贝氏体组织,在保证优良的低温韧性和焊接性的前提下,通过适当提高合金元素的含量和进一步完善控轧与控冷工艺,超低碳贝氏体钢的屈服强度可达500~900MPa,因而控轧、控冷超低碳贝氏体钢被国际上公认为是面向2l世纪的新一代钢铁材料

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。国内北京科技大学在超低碳贝氏体钢的理31111 碳含量对性能的影响

在船板钢的化学成分设计中,为了使钢板具有

论研究与工业化应用方面做了大量的研究。

良好的焊接性能、较好的低温充击韧性,必须降低钢中的含碳量,使其控制在中下限。因为碳是较强的固容强化元素,能显著提高钢板强度,但降低韧性和

莱钢科技 2007年4月V(CN)的沉淀强化,可使钢的强度明显提高。但是提高韧脆转变温度,其含量一般控制在0110%以下。钒能显著地改善低碳合金钢的焊接性能,一般焊缝中含0111%左右的钒可以固定氮,例如15MnVN钢。在V、Nb、Ti共存的情况下,适当的钒含量对提高和焊缝韧性具有良好的作用。资料表明,当含有01008%Ti时,最佳含钒量为0105%。

Ti能产生强烈的沉淀强化作用,使钢的强度提高,还能阻止奥氏体再结晶。它能产生晶粒细化作用,提高钢材屈服强度,但对韧性的贡献不大。Ti对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用。作为一种重要的微合金元素,钛可形成细小的钛的碳、氮化物颗粒,在板坯再加热过程中可通过阻止奥氏体晶粒的粗化从而得到较为细小的奥氏体显微组织。另外,钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化。因而,钛可同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性。由于钛能够以钛的氮化物形式固定游离氮原子,所以它可以阻止游离氮由于形成了硼的氮化物而对钢的淬透性产生的不利影响。当铝含量较低时(低于约01005%),钛可形成一种氧化物,可细化焊接热影响区的显微组织。Ti的含量一般控制在0102%以下,过多的钛含量会引起钛的氮化物的粗化,对低温韧性不利。

B是强烈提高淬透性的元素,增加冷裂纹的倾向。在得到相同淬透性的情况下,添加B要比添加其他合金元素更有利于钢的焊接性。钛-硼处理的钢,TiN或者TiN+MnS+M23(CB)6复合物都可作为铁素体生核位置而细化铁素体晶粒。钢中加入适量B的合金设计思想利用了B在相变动力学上的重要特性,加入微量B可明显抑制铁素体在奥氏体晶界上的形核,使铁素体转变曲线明显右移,同时使贝氏体转变曲线变得扁平,从而在低碳的情况下,能在较宽冷却速度范围内得到贝氏体组织。这种低碳贝氏体钢特别适合于高强、厚壁管线,适应寒带的现场环境下焊缝焊接和供酸性环境使用。硼的最佳含量为10~60ppm,微量的硼就可显著提高钢的淬透性,而对其他性能无明显影响

[4]

化物在奥氏体中的溶解速度,对钢由奥氏体分解为珠光体的转变有强烈的抑制作用,但对由奥氏体分解为贝氏体的转变速度的影响则微不足道,对亚共析钢由奥氏体分解析出铁素体的速度也有抑制作用。

在钢中加入铜,可以提高钢的耐蚀性、强度,改善焊接性、成型性与机加工性能等。近些年来,铜在钢中作为一种合金元素的应用得到了越来越广泛的重视。面心立方E-Cu从A-Fe中析出可使钢材强化,若用1%~3%Cu取代锰作强化元素也可使屈服强度接近700MPa。

312 冶炼工艺过程控制

采用脱S铁水(S[01010%),为减少转炉回硫,脱S渣应扒净。转炉控制的重点是确保低的P、S含量,合理控制终点C含量,防止钢水氧化性过强。精炼钢水进行底吹氩,同时喂适量铝线,并根据成分情况进行调整,使成分与温度达到规定要求。为保证钢质纯净,要求软吹一定时间,以保证脱氧产物充分上浮,严格控制精炼终点温度。

连铸采用全保护浇注,适当控制中间包钢水温度。浇注过程要保持拉速稳定,脱氧采用硅锰铁、硅铁、硅铝钡铁、铌铁,终点[S]\0020%时采用合成渣在出钢过程中渣洗脱S,挡渣出钢,钢包内渣层厚度最好[50mm,红包、净包出钢,钢包在线烘烤温度T\1100e,LF精炼炉进行成分、温度调整,并进行钢水钙处理、喂Al线,改善夹杂物形态,净化钢水,保证钢水精炼后具有一定的酸溶铝含量。二冷最好采用汽水喷雾冷却并采用连续矫直。

结晶器及二冷控制是连铸的重要环节,对含Nb钢种尤其重要。钢中加入Nb可以细化晶粒,提高钢的强度、韧性、耐腐蚀性,但在高温条件下会降低钢的高温塑性,结晶器出口铸坯温度T<950e时会有大量Nb(C、N)析出,导致钢的高温性能变差,使铸坯产生横裂,同时二冷区的冷却制度决定着铸坯内部质量。因此在提高铸坯表面温度的条件下,控制表面温度回升T<150e/m,有利于Nb(C、N)的聚集长大,以减少铸坯表面裂纹和内裂的产生。所采取的措施是结晶器的冷却水量采取弱冷,比如,高强度钢板A36的二冷比水量一般按016L/kg钢控制,按比例分配各回路水量,并将水量表输入微机按Q-V曲线自动控制,保证温度回升T<150e/m;矫直区末端温度一般T>950e,以避免Nb(C、N)的大量析出,从而有利于消除矫直裂纹。

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Mo存在于钢的固溶体和碳化物中,有固溶强化

作用,并可提高钢的淬透性。钼属于缩小奥氏体相区的元素,钼在钢中存在于固溶体相和碳化物相中。在碳化物相中,当钼含量较低时,与铁及碳形成复合的渗碳体;当含量较高时,则形成它自己的特殊碳化物。钼的扩散速度远小于碳的扩散速度。钼减缓碳

许荣昌:船板钢的发展与生产技术 第2期(总第128期)

313 船板钢的纯净度控制技术

为了充分发挥控制轧制的作用,必须严格控制钢中的有害元素、有害气体及夹杂物。硫和磷对船体结构用钢都是非常有害的元素。

钢中硫、磷含量直接影响到钢板的塑性和韧性,MnS、氧化物夹杂或碳化物等第二相颗粒的存在都会降低钢的塑性和强韧性,降低钢的延伸率。MnS有一定塑性,随轧制方向拉长延伸,加大了钢的各向异性,这对钢的横向性能非常不利。硫形成的FeS使钢在热轧和焊接中产生热脆裂纹,含硫较高时,抗H2S腐蚀能力大为下降。

冶炼方法最突出的技术进步是真空冶炼和炉外精炼技术的发展和应用。不同的冶炼方法,钢的纯净度不同。冶炼工艺流程的主要任务之一是按照产品要求严格控制钢液的化学成分和保证纯净度,其含义有两方面,一是将碳以及加入的合金元素的波动控制在尽可能窄的范围内,并且尽可能均匀。这项任务主要是要靠钢包喷粉、喂丝、成分微调和完善快速检测来解决;二是通过钢包吹氩、真空处理最大程度地去除夹杂物。

314 船板钢的轧制技术

控制轧制和控制冷却工艺是现代化钢板生产的重要工艺技术之一。钢板生产过程中控制轧制和控制冷却相结合的工艺称为热机械控制工艺,即TM-CP技术。控制轧制是在轧制过程中对钢板不同的温度区间给予不同的压下变形,生产细晶粒、高强度、高韧性、具有良好焊接性能钢板的技术。根据不同的钢种,控制轧制的关键是控制钢板950~600e温度范围的变形量,在此温度范围内增大道次压下量是钢板在轧制过程中产生晶粒细化,以获得钢板综合机械性能的重要途径。TMCP流程包括:¹纯净钢冶炼;º夹杂物形态控制;»HAZ显微组织控制;¼降低板坯中心偏析;½板坯加热温度控制;¾控制轧制;¿织构的演变;À加速冷却。细化贝氏体组织的关键在于细化相变前的奥氏体晶粒,因为贝氏体钢解理断裂面的有效尺寸直接地依赖于原奥氏体晶粒尺寸,细化奥氏体晶粒的有效方法是控制轧制、控制轧后的冷却速度及Nb、Ti的微合金化。

具体措施:¹选择较低的钢坯加热温度(一般在1150e以下),并利用NbN和TiN析出颗粒控制奥氏体晶粒长大。º在完全再结晶区,利用反复的形变再结晶和微合金化元素的溶质拖曳作用及析出颗粒的钉扎作用使奥氏体晶粒充分细化到10Lm左

右,奥氏体晶粒的细化可降低贝氏体的相变点Bs,导致贝氏体组织的细化。»采用未再结晶区控轧,使细化了的奥氏体晶粒进行多道次的变形积累,总压下量应大于65%,以便在奥氏体晶粒内产生大量的位错亚结构和形变带,后者既能促使贝氏体转变时大量形核,又能抑制贝氏体铁素体板条的长大。¼尽可能地降低终轧温度和提高轧后冷却速度,促使奥氏体晶粒内的位错亚结构的有效遗传和阻止析出颗粒粗化,以便充分发挥位错亚结构和析出相的强化作用。采用此技术,日本钢铁公司根据需要开发了超低碳控轧贝氏体钢。在碳含量为0106%的C-Mn-Si钢的基础上添加微量的Nb或Ti以及少量的Mo和B,可使贝氏体钢的屈服强度达到650MPa,低温冲击韧性在-60e达到80J。

目前广泛应用的TMCP+直接淬火或加速冷却工艺中均只注重在再结晶温度区或非再结晶温度区进行奥氏体轧制,或在两相区压力加工后直接淬火或加速冷却,而一直未考虑压力加工完成后变形晶体内位错、变形带、亚晶等的恢复与演变过程,以及在驰豫过程中微合金析出的影响和作用,从而无法充分发挥晶内微结构组态对改善最终组织与性能的影响。多年来.在贝氏体钢的研究中过于重视成分设计,忽视通过热加工来细化贝氏体组织、以提高其性能。通过控制轧制和微合金化,充分细化贝氏体组织,并综合利用组织细化的强韧化及微合金元素的析出强化与位错亚结构的强化效应,可以来提高低碳贝氏体钢的强度和韧性

4 结论

船板钢在服役期间要承受复杂的动态载荷,船舶的建造和组装过程中,结构件会产生巨大的应力,舰艇的无限航区的航行要承受位置及温度的考验,为了使船舶能在恶劣环境下持续航行,同时,从资源和环保考虑,为减轻船体自重,增加船舶的载重量、提高船速,要求船板钢具有高强度、高精度、良好低温冲击韧性、焊接性能,而这些需要冶炼成分、纯净度、轧制工艺来保证。船板钢生产技术的发展将朝着环保、减量化、高性能的方向发展。

参考文献

[1]张向葵,蔡庆伍,张永青1超低碳贝氏体钢形变奥氏体再结晶规律的研究1上海金属,2005,2(27):14-171

[2]张豪,雷运涛,魏金山1高强度船体结构钢的现状

[5]

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莱钢科技 2007年4月

深入调研 系统分析

解决小型区域煤气压力低制约生产的问题

李玉林 张永生 张 继(1总调度室 2热电厂)

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1

2

摘 要:分析了小型区域煤气压力低的主要原因,对小轧区域煤气作了两次重大的调整,基本上解决了小型车间待煤气问题,取得了较好的经济效益。

关键词:小型区域 煤气 压力

SolvingtheProblemofLowPressure

ofGasintheLightSectionAreaRestrictingProductionthroughaThorough

InvestigationandStudyandSystematicalAnalysis

LiYulin ZhangYongsheng ZhangJi

1

1

2

(1TheGeneralControlRoom;2TheThermalPowerPlant)

Abstract:Thispaperanalyzesthemaincausesofmakingthepressureofgaslowinthelightsectionarea,basedonwhichgrandadjustmentwasmadetwice,thusbasicallysolvingtheproblemofawaitinggasinthelightsectionworkshopandobtainingbettereconomicbenefits1Keywords:lightsectionarea;gas;pressure

1 前言

小型区域轧材包括型钢厂小型车间、棒材厂小型车间,此区域煤气供给分为三部分:一是由小高炉区域4座120m高炉发生的高炉煤气供给;二是由4750m高炉发生的高炉煤气做补充;三是型钢区

3

供给的高炉煤气。在四座120m高炉生产时,高炉煤气比较充足,处于最末端的型钢厂小型生产线侧煤气压力约6~7kPa,每班待温约100分钟(主要是由于加热炉的加热能力不足造成)。继2005年12

##

月17日2120高炉停产后,2006年8月23日1120m高炉停产,型钢厂小型生产线侧煤气压力一直较低,约3~4kPa。进入2006年采暖季,煤气压

作者简介:李玉林(1965-),男,2006年毕业于山东省委党校在职领导干部研究生班经济管理专业。现任生产处副处级调度长。

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力进一步降低至2~3kPa,煤气系统频繁发生因煤气压力低导致快切阀快切而影响安全生产。型钢小型使用150mm@150mm钢坯每天待温约3-4小

时,使用165mm@200mm钢坯每天待温6-7小时,用225mm@165mm钢坯每天待温10小时以上,严重影响生产。2007年1月,型钢小型主机减速机出现问题,为保设备安全提高了出钢温度,进一步增加了待温时间,致使小型生产线每天的产量只有400~500吨。由于型钢小型在全公司所有产品中品种效益是最好的,单位净利在800元以上,因此对公司的效益影响很大。

2 现状分析

211 小高炉煤气发生量

21111 小型区域煤气供应原由4座120m高

3

与发展1特种钢结构,2004,2(19):38-431

[3]姜中行,麻庆申,罗文彬1355MPa级船用钢板试制1宽厚板,2004,5(10):71

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