Nb微合金化高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼D36的開發(fā)研究

陳振業(yè) 梁 棟

(1.河北鋼鐵技術(shù)研究總院; 2.東風(fēng)特種汽車有限公司)

Nb微合金化高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼D36的開發(fā)研究

陳振業(yè)1梁 棟2

(1.河北鋼鐵技術(shù)研究總院; 2.東風(fēng)特種汽車有限公司)

河北鋼鐵集團(tuán)根據(jù)D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的技術(shù)要求和市場需求，通過合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，采用合理的冶煉和軋制工藝成功開發(fā)了這一產(chǎn)品，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合中國、英國、美國、日本、挪威、法國、德國、韓國、意大利等九國船級(jí)社船規(guī)，滿足用戶使用要求。

D36船板 產(chǎn)品開發(fā) 化學(xué)成分 工藝流程 性能

0 前言

高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼板主要用于遠(yuǎn)洋、沿海和內(nèi)河航運(yùn)船舶的船體、甲板。隨著造船業(yè)的發(fā)展，船舶逐漸向大型化、輕型化方向發(fā)展，而且船舶工作環(huán)境惡劣，所以對高強(qiáng)度船體用鋼板性能提出了更加嚴(yán)格的要求。首先要求有良好的低溫沖擊韌性，還要有高的屈服強(qiáng)度以及良好的抗層狀撕裂性能。D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼具有良好的低溫沖擊韌性，較高的強(qiáng)度和良好的抗層狀撕裂性能，能夠滿船舶工業(yè)的要求。對鋼鐵企業(yè)而言，開發(fā)D36高強(qiáng)度船板具有廣闊的市場前景。下面筆者就河北鋼鐵集團(tuán)試制D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼過程中的成分、工藝設(shè)計(jì)，微觀組織觀察和工藝性能的研究做一介紹。

1 技術(shù)要求和工藝成分設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)GB712－2000的相關(guān)規(guī)定，D36級(jí)高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼板的化學(xué)成分要求見表1，力學(xué)性能及工藝性能要求見表2。

表1 GB712－2000對D36化學(xué)成分的要求 wt%

表2 GB712－2000對D36級(jí)船板力學(xué)性能的要求

1.2 工藝成分設(shè)計(jì)

根據(jù)GB712－2000及美、法、中、英、日、韓、意、德及挪威等九國船級(jí)社船規(guī)，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)特點(diǎn)和控制能力，同時(shí)考慮到D36船板強(qiáng)度與韌性的配比、可焊性、耐腐蝕性、交貨狀態(tài)等要求，D36的化學(xué)成分設(shè)計(jì)采用“低碳、高錳、鈮微合金化”的設(shè)計(jì)思路，其成分設(shè)計(jì)見表3。

2 試制

2.1 工藝流程

河北鋼鐵集團(tuán)試制D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的工藝流程為:鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐煉鋼→LF精煉→板坯連鑄→切割→板坯加熱→高壓水除鱗→軋制→控制冷卻→矯直→表面檢驗(yàn)→取樣→圓盤剪切縱邊→液壓剪切定尺→噴號(hào)標(biāo)識(shí)→厚度卡量檢驗(yàn)→入庫。

表3 D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼化學(xué)成分 wt%

2.2 冶煉連鑄工藝設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)用鋼采用氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉。由于該鋼種對低溫韌性要求很高，因此對鋼的純凈度要求很高，通過鐵水脫硫、轉(zhuǎn)爐脫磷，鋼水由頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐提供并經(jīng)過二次精煉，同時(shí)采用出鋼后鈮微合金化及加入鋼芯鋁，既可以達(dá)到細(xì)化晶粒的目的又可以有效地降低鋼中氧的含量。多種冶煉技術(shù)的應(yīng)用，保證了高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼的高純凈度。

連鑄時(shí)控制中間包液面不低于500 mm，結(jié)晶器液面波動(dòng)控制在 ±5 mm以內(nèi)，中間包溫度為1530 ℃ ～1545 ℃，拉速為1.00～1.15 m/min。

2.3 軋制工藝設(shè)計(jì)

高強(qiáng)度船體用結(jié)構(gòu)鋼板用3500 mm四輥可逆式軋機(jī)軋制完成。Nb的加入在加熱時(shí)可以阻止奧氏體晶粒的長大;采用控制軋制工藝，能阻止再結(jié)晶后的晶粒長大，使晶粒細(xì)化，擴(kuò)大奧氏體未再結(jié)晶區(qū)，增加未再結(jié)晶區(qū)的變形量和軋制道次，使相變的鐵素體晶粒細(xì)化［1］。坯料開軋溫度為1050℃ ～1120℃，采用兩軋程軋制，要求一軋程高溫大壓下，二軋程累計(jì)壓下率≥50%，待溫后道次壓下率≥12%。控制冷卻后的溫度要求在670℃ ～700℃，矯直溫度不低于600℃。

3 D36高強(qiáng)船板試驗(yàn)結(jié)果及分析

按照以上的工藝路線，河北鋼鐵集團(tuán)試制了D36高強(qiáng)度船用結(jié)構(gòu)鋼。為了滿足相關(guān)船級(jí)社的工廠認(rèn)可和型式認(rèn)可對試驗(yàn)的各項(xiàng)要求，對38 mm(船級(jí)社認(rèn)證的最大厚度)的D36船板進(jìn)行了試驗(yàn)分析和研究。

3.1 鋼板酸洗評級(jí)及金相組織

成品鋼板的金相試樣取自板材軋制方向的中心位置，全厚度長度600 mm。按照YB/T4003—1997《連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級(jí)圖》評定［2?，鋼板的酸洗評級(jí)及晶粒度見表4，鋼板的金相組織為鐵素體+珠光體，如圖1所示。

表4 鋼板酸洗評級(jí)及金相組織(厚度:38 mm)

圖1 D36鋼金相組織照片

3.2 拉伸性能試驗(yàn)

GB712－2000對D36級(jí)船板力學(xué)性能的要求是:屈服強(qiáng)度不小于355 MPa，抗拉強(qiáng)度在490 MPa～630 MPa之間，伸長率不小于21%。對試制鋼種進(jìn)行拉伸試驗(yàn)后的結(jié)果見表5。

表5 D36拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5可以看出，本次試制鋼板的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國標(biāo)要求，塑性指標(biāo)余量很大，同板性能較為穩(wěn)定，而且去應(yīng)力后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果與之前相差不大，這說明材料內(nèi)部組織分布均勻。

3.3 沖擊性能

對試制鋼板進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，其沖擊性能見表6。表7為試驗(yàn)鋼板的應(yīng)變時(shí)效沖擊試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)條件為:試樣在室溫下拉伸，使其殘余應(yīng)變量為5%，然后在250℃下均勻加熱并在該溫度下保溫0.5 h，在空氣中冷卻至室溫，進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。

表6 D36沖擊功試驗(yàn)結(jié)果

表7 應(yīng)變時(shí)效沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表6中數(shù)據(jù)可以看出，D36鋼板在－40℃條件下的縱向沖擊功的平均值達(dá)157 J，橫向沖擊功的平均值達(dá)149 J，均達(dá)到國標(biāo)中相應(yīng)級(jí)別的要求，且有較大余量，尤其是縱向性能，這與試制鋼純凈度高、氣體含量低有直接關(guān)系。D36鋼的雜質(zhì)元素(熔煉含量)控制在 S=0.005% ～0.007%，P=0.013%～0.017%，滿足了降低鋼中S、P含量、提高鋼質(zhì)純凈度、控制鋼材晶粒度等要求，從而有效地提高了鋼的沖擊性能，降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

比較表6和表7可知，D36鋼在－20℃條件下的縱向沖擊功平均值達(dá)到181 J，在－20℃條件下的應(yīng)變時(shí)效低溫縱向沖擊功平均值達(dá)到173 J。其應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)為:

C=(181 －173)/181 ×100=4.42%

計(jì)算結(jié)果說明，D36鋼的應(yīng)變時(shí)效敏感性較低，性能較為優(yōu)越。

3.4 Z向拉伸試驗(yàn)

沿著試驗(yàn)鋼板的中心線垂直于軋制方向，取一組6個(gè)試樣，其中3個(gè)試樣進(jìn)行全厚度拉伸試驗(yàn)，另外3個(gè)試樣正火后進(jìn)行全厚度拉伸試驗(yàn)，測得試樣的斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度，其Z向拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 Z向拉伸試驗(yàn)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果看，D36船板的斷面收縮率平均值達(dá)到42%以上，達(dá)到Z35的級(jí)別要求。

4 結(jié)論

1)利用現(xiàn)有工藝、設(shè)備生產(chǎn)的D36高強(qiáng)度船板鋼的屈服強(qiáng)度大于 390 MPa，抗拉強(qiáng)度大于520 MPa，延伸率大于38%，且鋼板內(nèi)部組織分布均勻，強(qiáng)度波動(dòng)范圍小，各向異性小;

2)本次試制的D36高強(qiáng)度船板鋼在－40℃條件下的縱向沖擊功的平均值達(dá)157 J，橫向沖擊功平均值達(dá)149 J，遠(yuǎn)高于國標(biāo)的要求，沖擊性能良好，應(yīng)變時(shí)效敏感性系數(shù)僅為4.42%，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合各國船級(jí)社規(guī)定，滿足用戶使用要求;

3)加入鈮進(jìn)行微合金化，采用控軋控冷軋制工藝以細(xì)化晶粒，不僅能保證D36高強(qiáng)度船板的強(qiáng)度還能保證低溫沖擊韌性，使其具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能;

4)所開發(fā)的D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼性能穩(wěn)定，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，較高的強(qiáng)度和良好的抗層狀撕裂性能，得到了用戶的認(rèn)同。

5 結(jié)語

河北鋼鐵集團(tuán)試制的D36高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼經(jīng)過在國內(nèi)多家船廠及大型船舶制造企業(yè)試用情況表明:該產(chǎn)品性能穩(wěn)定，具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，較高的強(qiáng)度和良好的抗層狀撕裂性能，能夠滿足遠(yuǎn)洋航運(yùn)船舶的船體、甲板的用鋼要求，效果良好。

［1］ 許長金，鐘成芬.厚板的控制軋制和控制冷卻［J］.鞍鋼技術(shù)，1995(9):11－18.

［2］ 全國鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).YB/T4003—1997連鑄鋼板坯低倍組織缺陷評級(jí)圖［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1998.

RESEARCH AND DEVELOPMENT ON NB MICROALLOYING D36 HIGH STRENGTH HULL STRUCTURAL STEEL

Chen Zhenye1Liang Dong2

(1.Central Iron and Steel Technology Research Institute HBIS; 2.Dongfeng Special Motor Corporation)

Based on the technological requirements and market demand，Nb micro－alloying D36 grade high strength hull structural steel has been successfully developed in HBIS through rational chemical compositions design and adopting proper smelting and rolling process.Its various performance figures not only comply with the rules of nine classification societies of CCS、LR、ABS、NK、DNV、BV、GL、KR and RINA but meet users＇requirements.

D36 hull plate product developmentchemical composition process flow performance

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2011—11—11