船舶用钢论文：轮船用钢开发探究

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本文作者：杨才福苏航作者单位：钢铁研究总院工程用钢研究所

大线能量焊接船板钢

采用“氧化物冶金”的技术思路开展了大线能量焊接用钢的研究开发工作。研究了Ti处理、Zr处理、复合Ti－Mg处理、复合Ti－Zr处理对船体钢大线能量焊接性的影响。对试验钢进行20～200kJ／cm的焊接热模拟试验，焊接热模拟最高加热峰值温度1350℃。结果表明，Ti－Mg、Ti－Zr复合处理后，钢中获得了大量细小的复合含Ti氧化物粒子（图1），其直径约1～2μm。比较各种脱氧处理条件下焊接热影响区的低温韧性可以看出（图2），普通未进行任何处理的C－Mn钢焊后热影响区的整体低温韧性水平较低，其中线能量E大于50kJ／cm时，低温韧性显著降低，仅为10J左右。经过不同合金脱氧处理后模拟焊接粗晶区的低温韧性显著提高。其中经Ti－Mg处理（低Mg）后粗晶区的低温韧性水平最高，各种线能量下的低温冲击值均在300J以上，且随线能量的变化不敏感。对比焊接热影响区的组织（图3）可以看出，Al处理钢中主要得到大量平行排列的侧板条铁素体组织，Ti－Mg复合处理钢中主要得到大量交错排列的晶内铁素体组织。采用Ti－Mg复合脱氧处理的方法，在工业大生产条件下研制开发了100～240kJ／cm大线能量焊接用钢，钢板最大厚度为80mm。（a）、（b）Ti－Mg复合处理；（c）、（d）Ti－Zr复合处理。

油船货油舱用耐腐蚀钢

深入分析了船板钢在货油舱上甲板、内底板环境下的腐蚀行为，研究了提高船板钢耐蚀性的不同技术思路。通过不同的耐蚀合金设计，研究了多种合金元素对船板钢在货油舱腐蚀环境下的耐蚀性。图4为3种不同合金元素对腐蚀速率的影响规律。从研究结果可以看出，在内底板腐蚀环境下，微量合金元素对船板钢的耐蚀性存在显著影响。添加0．1％以上的B和C耐蚀合金元素可以使腐蚀速率显著降低到原来的1／4～1／3。观察腐蚀后的形貌（图5）可以看出，在IMO货油舱内底板腐蚀环境下，传统钢表面主要形成大量直径大而深的腐蚀点蚀坑，而开发的耐蚀钢表面只出现少量小而浅的点蚀坑，点蚀坑的深度／直径比显著降低。根据上述结果研制开发的工业钢（NSD32、NSD36）内底板腐蚀速率均低于1mm／a的标准腐蚀速率要求（图6），其中NSD36钢腐蚀速率最低可以达到0．38mm／a的超低水平，约为传统钢的1／13。

大规格船用球扁钢

综合利用新型的钒氮微合金化设计＋碳氮化钒控制析出轧制工艺（PCRP），集成创新开发出高韧性、大规格船用球扁钢品种技术。依靠奥氏体中析出的碳氮化钒促进晶内铁素体形核（图7），显著地细化了最终的铁素体晶粒尺寸，获得显著的细晶强化效果。同时，依靠铁素体中弥散析出的碳氮化钒的析出强化作用，显著提高钢的强度。利用上述技术思路，可以在传统孔型轧制条件下研究开发出屈服强度355、390、440MPa级系列高韧性船用球扁钢品种。其中研制开发的D40极限规格43号（边长430mm、腹板厚度20mm）热轧船用球扁钢屈服强度高于410MPa，－40℃冲击功达到200J（图8）。高韧性、高强度、大规格船用球扁钢的开发解决了高韧性舰船用球扁钢品种技术难题，满足了中国船体建造的需要。

海洋平台特厚齿条钢

随着海洋石油工业的深入开展和钻采难度的加大，对自升式钻井平台用齿条钢提出了大厚度、高强度、高韧性的发展要求，这类产品一般使用调质热处理状态交货。但是，随着齿条钢厚度的增加，截面厚度方向上组织、性能差异增大，提高特厚齿条钢的淬透性成为这类产品开发的难点。研究了不同合金元素复合处理对齿条钢淬透性的影响，结果表明，采用微B＋固N元素的复合处理可以在获得良好强韧性的条件下大幅度提高齿条钢的淬透性（图9（a））。同时，采用微Ti处理或稍过量的Al处理，均可使微量B的固溶比例达到50％以上（图9（b）），且偏聚于奥氏体晶界处，有效地延缓了高温相变，显著提高齿条钢的淬透性。采取上述合金优化思路，工业生产获得了截面均匀的淬透组织和良好力学性能的特厚齿条钢。对于152mm厚的齿条钢，即使在钢板的心部，淬火冷却速率仅为1℃／s左右，通过上述合金设计和工艺配合，也可获得以马氏体＋下贝氏体为主的显微组织（图10），基于该思路开发的齿条钢和国内外先进技术相比，具有较高的强韧性水平（图11）。

9Ni低温钢

随着LNG工业的迅猛发展，9Ni低温钢的研究和开发热度持续升温。LNG的储存温度为－163℃，要求LNG储罐内壁用9Ni钢，具有较高的强度、良好的低温韧性和较小的波动。研究发现，采用QLT热处理（在QT调质处理中增加一道两相区淬火），可在强度略微降低的情况下，显著提高9Ni钢的低温韧性，同时大大扩展9Ni钢的热处理工艺窗口，提高9Ni钢的性能稳定性（图12）。进一步研究显示，9Ni钢的良好低温韧性与其中形成的一定含量的逆转变奥氏体有密切关系（图13）。在9Ni钢中形成5％～15％左右的、热稳定性高的逆转变奥氏体，可韧化马氏体基体，在受载变形过程中吸收能量，提高相变诱导塑性能力。在一定范围内，9Ni钢的逆转变奥氏体含量越高，低温韧性越好。9Ni钢逆转变奥氏体的形成和稳定性，与C、Ni、Mn等奥氏体稳定元素的显著富集具有密切的关系（图14）。理论计算和试验结果显示，采用适当的工艺处理，9Ni钢中C、Ni、Mn元素的质量分数最高可分别达到0．5％、25％和2％左右，使热处理过程形成的奥氏体可稳定保持到室温，即使冷却至液氮温度也不发生转变。逆转变奥氏体的控制技术，也是改善和提高9Ni钢低温断裂韧性尤其是止裂韧性的关键工艺技术之一。

高技术船舶及海洋工程的国产化是建立在高端材料和技术大量依赖进口的背景之上的。要实现中国成为世界造船强国的战略目标，还有大量关键技术需要突破，其中的核心问题之一就是高品质造船及海洋工程用钢的研发和推广应用。船舶及海洋石油工业的飞速发展给造船及海洋工程用钢提出了高强度、高韧性、大线能量焊接及耐腐蚀性的要求，同时还需要具备大厚度及大尺寸规格的要求。采用Mg－Ti复合处理技术，开发出了适合100～200kJ／cm的大线能量焊接船体钢，其在200kJ／cm的大线能量焊接时，焊接热影响区粗晶区－20℃冲击功高达350J。通过超纯净度冶炼及添加增加耐蚀性能合金元素的方法开发出了NS－D32及NS－D36船板钢，在下底板环境下的腐蚀速率仅为传统钢的1／13。采用钒氮微合金化＋碳氮化钒控制析出轧制工艺开发出了性能优异的43号极限大规格D40球扁钢。此外，齿条钢已由过去的100、127mm发展为主力船型用的178mm，并逐步增加210mm齿条钢的使用，个别工况的最大厚度达到259mm。服役工况更为苛刻，强韧性匹配的要求也更高。油气储运设备的大型化趋势也使用户对Ni系低温钢的安全裕量的考核更加重视。20万m3和25万m3巨型LNG储罐的设计和建造促进了超级9Ni钢的研究和开发，产品厚度达到50mm以上，在保持强度水平的情况下，—196℃的冲击功由150～220J提高至250J以上，—163℃的CTOD值达到0．3mm以上。