LNG船用因瓦合金冷軋帶材的開(kāi)發(fā)

田玉新 陸建生 趙 欣

（寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900）

在LNG海上運(yùn)輸行業(yè)，船是連接天然氣液化廠和LNG接收站的重要工具，必須能在常溫常壓下安全運(yùn)輸-163℃液化天然氣［1-3］。貨艙圍護(hù)系統(tǒng)是LNG船的核心，主要由絕熱絕緣層和因瓦合金保護(hù)薄膜構(gòu)成。由于因瓦合金具有特殊的物理性能和化學(xué)成分，其熱膨脹率接近零，-163℃低溫下的力學(xué)性能、疲勞性能和沖擊性能均十分優(yōu)良，是最適合運(yùn)輸和儲(chǔ)存LNG的金屬材料。LNG船的貨艙圍護(hù)系統(tǒng)為雙層結(jié)構(gòu)，采用0.5～3.0 mm厚的因瓦合金冷軋帶材制作，對(duì)帶材的性能、尺寸精度及板形等要求十分苛刻，制造難度極大。目前，國(guó)內(nèi)LNG船用因瓦合金帶材完全依賴(lài)進(jìn)口。為打破國(guó)外公司的技術(shù)壟斷，提高我國(guó)LNG船的競(jìng)爭(zhēng)力，寶鋼2013年開(kāi)始對(duì)LNG船用因瓦合金帶材進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。本文主要介紹寶鋼開(kāi)發(fā)的LNG船用因瓦合金帶材的質(zhì)量和性能水平。

1 主要技術(shù)難點(diǎn)

（1）LNG船用因瓦合金帶材以0.7 mm厚的為主，最薄的0.5 mm，對(duì)其純凈度要求很高。根據(jù)合金的特點(diǎn)，成功開(kāi)發(fā)了高純凈度冶煉工藝及連鑄工藝，達(dá)到了帶材的技術(shù)要求。

（2）LNG船用因瓦合金帶材的尺寸精度要求極高，0.7 mm厚帶材的厚度公差為±0.03 mm，側(cè)彎要求每m小于0.5 mm，50 m長(zhǎng)度小于3 mm。如果側(cè)彎過(guò)大或者存在不均衡應(yīng)力，帶材折邊后將不能拼焊，因此其平直度控制極為重要。根據(jù)這些要求，成功開(kāi)發(fā)了適合LNG船用因瓦合金帶材的冷加工工藝，達(dá)到了產(chǎn)品的尺寸精度和平直度要求。

（3）因瓦合金在高溫下易發(fā)生選擇性氧化，加熱過(guò)程中坯料表面會(huì)形成鐵和鎳的氧化物與基體金屬組成的蜂窩狀氧化層，熱軋除鱗時(shí)難以徹底清除，導(dǎo)致熱軋帶材表面有密集的氧化物壓入，影響冷軋生產(chǎn)。為了避免產(chǎn)品表面出現(xiàn)這種密集的氧化物壓入缺陷，成功開(kāi)發(fā)了特殊的板坯加熱工藝和熱連軋工藝，較好地解決了熱軋帶鋼的表面氧化問(wèn)題，保證了冷軋工序的順利進(jìn)行。

（4）對(duì)LNG船用因瓦合金帶材的低溫性能要求很高，需測(cè)定-180～0℃的膨脹性能及-196℃的拉伸性能和沖擊性能。通過(guò)成分和工藝控制，使產(chǎn)品獲得了優(yōu)良的低溫膨脹性能和力學(xué)性能，能確保LNG船圍護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行。

由于克服了上述生產(chǎn)LNG船用因瓦合金帶材的技術(shù)難點(diǎn)，寶鋼在全球范圍內(nèi)率先成功試制出了厚0.5～3.0 mm、寬1 000 mm以上、單卷質(zhì)量近20 t的LNG船用因瓦合金冷軋帶材。圖1為厚度0.7 mm的LNG船用因瓦合金冷軋帶材。

2 產(chǎn)品質(zhì)量和性能

2.1 成分偏析

因瓦合金的主要元素是Ni，含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）為36.5%左右。LNG船用因瓦合金的膨脹性能和低溫性能主要決定于Ni的含量，因此Ni的偏析將直接影響帶材的使用性能。對(duì)寶鋼生產(chǎn)的與進(jìn)口的0.7 mm厚帶材采用電子探針進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如圖2所示。圖2表明，寶鋼因瓦合金帶材Ni含量沿厚度的波動(dòng)幅度約為2%，而進(jìn)口帶材約為4%，即寶鋼因瓦合金帶材的Ni元素偏析更小。其原因主要是，寶鋼因瓦合金采用連鑄工藝生產(chǎn)，而進(jìn)口因瓦合金采用模鑄工藝生產(chǎn)，模鑄工藝?yán)鋮s條件差，而且鋼錠截面尺寸較大，更容易產(chǎn)生元素偏析。Ni元素偏析小能確保低溫下組織穩(wěn)定，在-196℃下仍無(wú)局部馬氏體相變發(fā)生，確保因瓦合金帶材能在低溫下安全可靠地使用。

圖2 寶鋼生產(chǎn)的與進(jìn)口的因瓦合金冷軋帶材橫截面上的Ni元素分布Fig.2 Profiles of nickel at cross-section of Baosteel-produced and imported cold-rolled Invar alloy strips

2.2 純凈度分析

為了滿(mǎn)足帶材的冷軋要求及使用要求，需嚴(yán)格控制合金的純凈度。采用無(wú)水電解分析法對(duì)寶鋼和進(jìn)口的0.7 mm厚因瓦合金帶材進(jìn)行了純凈度分析，結(jié)果見(jiàn)圖3和表1。從圖3可以看出，進(jìn)口帶材夾雜物的尺寸明顯比寶鋼帶材大。表1為尺寸≥5μm夾雜物數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，進(jìn)口帶材每立方毫米的夾雜物數(shù)量明顯多于寶鋼帶材，約是寶鋼帶材的5.5倍，說(shuō)明寶鋼生產(chǎn)的因瓦合金帶材純凈度很高，明顯優(yōu)于進(jìn)口帶材。

圖3 寶鋼帶材（a）與進(jìn)口帶材（b）的夾雜物形貌Fig.3 Inclusions in（a）the Baosteel-produced and（b）the imported strips

表1 進(jìn)口帶材與寶鋼帶材中尺寸≥5μm夾雜物數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical amounts of inclusionsmeasuring≥5μm in the imported and the Baosteelproduced strips

2.3 微觀組織

LNG船用因瓦合金的微觀組織對(duì)帶材的板形和使用性能影響較大，若組織不均勻，將產(chǎn)生組織應(yīng)力，帶材的平直度將達(dá)不到要求，直接影響帶材的焊接性能。組織應(yīng)力過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂。圖4為經(jīng)退火的0.7 mm厚因瓦合金帶材寬度方向不同部位的顯微組織，圖4（a）和4（b）分別為帶材的邊緣和中心?？梢钥闯?，帶材寬度方向的組織較均勻細(xì)小，晶粒度為8.5級(jí)，均為奧氏體再結(jié)晶組織，邊緣和中心組織無(wú)明顯差別，因而組織應(yīng)力小，可以極大地保證帶材的平直度及在低溫下使用的安全性。

圖4 寶鋼冷軋因瓦合金帶材邊緣（a）和中心（b）的顯微組織Fig.4 Microstructures in the（a）edge and（b）center of cold-rolled Invar alloy strip produced in Baosteel

2.4 膨脹性能

膨脹性能是考察LNG船用因瓦合金帶材質(zhì)量的最重要的指標(biāo)，要求-180～0℃的膨脹系數(shù)在（1.5±0.5）×10-6℃-1范圍內(nèi)。測(cè)定了3個(gè)爐號(hào)合金的膨脹性能，每個(gè)爐號(hào)取兩個(gè)試樣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，3個(gè)爐號(hào)因瓦合金的膨脹系數(shù)均滿(mǎn)足要求，且每個(gè)爐號(hào)2個(gè)試樣的膨脹系數(shù)非常接近。膨脹性能主要取決于化學(xué)成分，膨脹性能滿(mǎn)足要求說(shuō)明合金的化學(xué)成分合理。2個(gè)試樣的膨脹性能較一致說(shuō)明材料的成分均勻性也較好。

2.5 力學(xué)性能

要求LNG船用因瓦合金帶材具有較高的低溫力學(xué)性能。測(cè)定了厚度為0.5～3.0 mm的冷軋帶材的力學(xué)性能，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，不同厚度帶材的室溫和低溫拉伸性能均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，而且?guī)Р牡目v向和橫向低溫拉伸性能比較一致，說(shuō)明材料的均勻性較好。帶材的斷后伸長(zhǎng)率一般均大于40%，高于30%標(biāo)準(zhǔn)值，尤其是-196℃的沖擊性能優(yōu)良，比標(biāo)準(zhǔn)值大1倍左右。帶材在低溫下具有優(yōu)良的力學(xué)性能，可保障LNG船低溫圍護(hù)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

表2 3個(gè)爐號(hào)因瓦合金-180～0℃的膨脹系數(shù)Table 2 Expansion coefficients of the three heats of Invar alloy within range of-180℃ to 0℃×10-6℃-1

表3 不同厚度帶材的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the strips of different thicknesses

2.6 焊接性能

2.6.1 抗熱裂性能

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用十字焊接熱裂試驗(yàn)測(cè)定了寶鋼生產(chǎn)的LNG船用1.5 mm厚冷軋因瓦合金帶材的抗熱裂性能。先焊一條橫向焊縫（圖5中1），當(dāng)試樣加載后焊第二條焊縫（圖5中2）。焊接后的因瓦合金帶材形貌如圖5所示。十字焊縫中間部位的低倍形貌如圖6和圖7所示，可以看出，在第二道焊縫的加熱和拉伸載荷的綜合作用下，第一道焊縫并沒(méi)有出現(xiàn)焊接裂紋，表現(xiàn)出了較好的抗焊接熱裂性能。

圖5 焊接的因瓦合金帶材Fig.5 Welded Invar alloy strip

2.6.2 搭接焊試驗(yàn)

按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)寶鋼1.5和0.7 mm厚因瓦合金帶材進(jìn)行了搭接焊試驗(yàn)，包括自動(dòng)立焊和自動(dòng)仰焊，結(jié)果如圖8、圖9和表4所示。圖8是立焊焊縫的低倍形貌，圖9是仰焊焊縫的低倍形貌。表4中e1和E2表示帶材的厚度，L a、R和P表示焊縫成形的3個(gè)特征尺寸。

圖6 十字焊縫正面的低倍形貌Fig.6 Macrograph of the front of crossweld

焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫的特征值 L a為1.6～1.8 mm，符合≥1.3 mm的要求；特征值R為0.9～1.0 mm，符合≥0.8 mm要求；特征值P為0.7mm，符合0.20～0.70 mm要求。焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，母材與焊縫過(guò)渡平緩。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)開(kāi)發(fā)特殊的制造工藝，寶鋼率先成功試制出了厚0.5～3.0 mm、寬1 000 mm以上、單卷質(zhì)量近20 t的LNG船用冷軋因瓦合金帶材。

（2）寶鋼開(kāi)發(fā)的LNG船用因瓦合金帶材純度高，夾雜物含量低于國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品；成分偏析小，Ni含量波動(dòng)幅度在2%以?xún)?nèi)；組織均勻，邊緣和中心組織無(wú)明顯差異。

圖7 十字焊縫上半部分（a）和下半部分（b）的正面低倍形貌Fig.7 Macroscopic photographies of the front of upper（a）and lower（b）part of crossweld

圖8 1號(hào)（a）和2號(hào)（b）試樣立焊焊縫的低倍形貌Fig.8 Macrographs of the vertically welded specimens No.1（a）and No.2（b）

圖9 3號(hào)（a）和4號(hào)（b）試樣仰焊焊縫的低倍形貌Fig.9 Macrographs of the overhead-welded specimens No.3（a）and No.4（b）

表4 搭接焊試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of the lap welding test

（3）寶鋼開(kāi)發(fā)的LNG船用因瓦合金帶材的膨脹性能符合（1.5±0.5）×10-6℃-1的要求，其力學(xué)性能優(yōu)異，焊接性能良好，能滿(mǎn)足LNG船用因瓦合金的使用要求。