船用高止裂韧度特厚钢板关键制造技术及应用
来源： 中国金属学会 发布时间：2022-04-13
一、研究的背景与问题
集装箱船超大型化能够显著降低建造成本、运营成本和能耗。2017年，全球首艘21000 teu集装箱船“东方香港”号交付；2019年，中国船舶工业集团公司“25000 teu集装箱船开发”项目通过验收；2021年，中国首制、全球最大的24000 teu集装箱船顺利出坞；此外，mmccaaca（msk、msc、cma cgm、amazon、alibaba、citibank、allianz航运七巨头）联合宣布未来将打造35000~40000teu新型集装箱船[1]。集装箱船大型化趋势明显（图1）[2]，并且23000~24000 teu级别集装箱船交货比例明显增加（图2）[3]。
图1集装箱船舶大型化发展[2]
图2 23000~24000 teu级别集装箱船交货比例明显增加[3]
2021年，持续蔓延的新冠疫情导致全球海运效率降低，进而致使运力紧张、运费飙升，疫情压力带动全球“买船热”。为满足市场需求，购置更多新船成为跨洋物流公司的重要选择。这一态势反映在数据层面就是，全球造船订单量明显增长，国内造船业多项指标大幅提升。2021年，我国造船完工量、新接订单量、手持订单量以载重吨计分别占世界总量的47.2%、53.8%和47.6%[4]，继续保持世界领先，国际竞争力进一步增强。据统计，国内造船行业高速增长的态势将一直持续（图3）[5]。
图3未来五年我国造船业三大指标预测[5]
当前，18种主力船型中我国有10种订单量世界第一[6]，高附加值船舶的建造迫切需求钢铁材料的升级换代。由于敞开型船体结构特征，导致船体中部和顶部的舱口围顶板、腹板及上甲板边板、舷顶列板和抗扭箱的纵骨、抗扭箱甲板等部位长期处于高应力状态。在船舶自身载重及风、浪等外力作用下，容易发生低应力脆性断裂，严重威胁船舶安全。2005年载重1.2万吨的“金富星”船发生钢结构脆性断裂事故，2013年商船三井“mol comfort”号从中间断成两截，2014年“msc monterey”船主甲板发现1.5米长裂纹，多起集装箱船舶安全事故的发生引起了船级社和造船厂的高度重视（图4）[7,8]。
图4集装箱船舶安全事故
(a)“金富星”船发生钢结构脆性断裂; (b)商船三井“mol comfort”号从中间断成两截; (c)“msc monterey”主甲板发现1.5米长裂纹
为保证集装箱船舶的航行安全，除了改进船体结构设计，对船舶中预测可能发生脆性断裂的部位和可能导致大型断裂的重要部位采用控制轧制控制冷却工艺（tmcp）生产的大厚度、高强度、高止裂韧性钢板成为必然。此类钢板具有优异的止裂韧性，能够抵抗大型脆性裂纹的传播，保障船体结构安全，防止灾难性事故的发生。目前，船体中部、顶部的舱口围顶板及上甲板边板等关键部位普遍采用高止裂韧性钢板（图5）[9-11]。2013年，国际船级社提出-10°c止裂韧性≥6000 n/mm3/2的止裂性能指标，要求新建的集装箱船采用50~75mm止裂钢板-10°c止裂韧性必须≥6000 n/mm3/2。2021年，又将80~100mm厚钢板-10°c止裂韧性≥8000 n/mm3/2纳入到新的国际标准中，极大提高了特厚止裂钢板的生产技术门槛。
图5大厚度止裂钢的应用部位
2020年以前，只有日本jfe公司能够生产100mm、-10°c止裂韧性≥8000 n/mm3/2的eh47止裂钢，生产技术对外严格保密[12]。同时，日本船级社对中国所有钢企的止裂钢产品不予核发认证证书，以维持在止裂钢板技术领域的垄断优势。国内只能生产最大厚度92mm的同级别产品，且-10°c止裂韧性均˂8000 n/mm3/2，国内止裂钢产品和国际先进水平存在明显差距。
近年来，江南造船、沪东中华等我国造船企业承接了大量超大型集装箱船订单，对90 mm厚度以上止裂钢板有大量的需求。最近的2021年，中国船舶集团先后成功揽入法国达飞、瑞士地中海、加拿大塞斯潘等国际班轮巨头的批量集装箱船订单，特别是与法国达飞签订了22艘箱船订单，总价超150亿元，刷新国内最大单笔船舶订单纪录[6]。沪东中华和江南造船共交付10艘超大型集装箱船，实现全球首创最大最先进23000teu液化天然气（lng）双燃料动力集装箱船项目的完美收官，进一步巩固了中国船舶集团在全球超大型集装箱船市场的领先地位[6]。但是国内钢铁行业在大厚度高止裂韧度钢板生产方面的不足，制约了止裂钢产品的供货，打压了当前国内超大型集装箱船建造迅猛发展的势头。
大厚度、高强度、止裂韧性优异的船舶用止裂钢是超大型集装箱船的安全保障。在生产方面难度极大：
1）采用连铸坯生产特厚钢板存在轧制压缩比不足的制约；
2）轧制变形渗透和轧后冷却在钢板厚度方向存在不均匀现象；
3）较低终轧温度极大考验着厚板轧机的轧制力和扭矩极限。
此外，全厚度钢板断裂时，尺寸效应放大了断裂过程的复杂性，钢板止裂韧性与低温冲击、裂纹尖端张开位移（ctod）及无塑性转变温度（ndtt）等常规断裂测试结果均没有可靠规律。钢板止裂韧性评价成本高、周期长，进一步增加了特厚止裂钢板的生产难度。
二、解决问题的思路与技术方案
本项目开展之前，国内钢铁企业生产的船用高止裂韧度特厚钢板的止裂韧性和强度级别与日本jfe、韩国posco等国际先进水平相比存在明显差距。表面上看，是止裂钢生产工艺复杂、难度较大。实质上主要是基础研究不够深入、大厚度钢板止裂机理不明、低压缩比轧制铁素体贝氏体相变机理不清。
针对以上问题，南钢和东北大学项目团队制定了“基础理论 关键技术 工业试制 应用推广”相结合的总体思路。基础研究聚焦温控-形变耦合的高渗透性轧制技术（图6和图7）、往复相变控轧工艺（图7）、轧后冷却规程（图8）、低压缩比轧制条件下铁素体贝氏体组织的相变机制、脆性裂纹的止裂因素等方面。
图6“轧制-冷却”一体化tmcp工艺布置
图7“温控-变形”耦合高渗透控制轧制实现往复相变
图8轧后高效冷却技术研究
项目研发团队先后创造性开发出相变时序控制、织构控制、温控-形变耦合高渗透性轧制等核心关键制造技术，突破连铸坯与钢板厚度压缩比过低的约束，细化奥氏体晶粒尺寸。建立大厚度止裂钢合金成分体系、微观组织类型与低温强韧性关系、微观组织及第二相与超低温韧性、止裂性能关系，明确大厚度止裂钢中mn、mo、ni等元素的具体作用和不同工艺条件下的最佳添加量。理清基体组织对低温韧性和止裂性能的影响、m/a岛在脆性裂纹传播中的具体作用。基于脆性裂纹宏观钝化的止裂原理，成分设计-加热-轧制-冷却全流程强化钢板心部γ线上的织构，实现{001}解理面和{110}滑移面的均匀分布（图9）、断口分离和裂纹尖端“劈钉”型断口特征，有效缓解大厚度试样断裂时的三轴应力，提高断裂韧性（图10）。通过成套完整的技术创新，形成具有自主知识产权的高止裂韧度特厚钢板技术体系并实现产业化。
图9南钢100 mm厚止裂钢3/8和1/2t解理面、滑移面分布情况
(a) 和(b) neu-r控轧工艺；(c)和(d)传统tmcp工艺
图10梯度温度型双重拉伸试验断口
(a)开发的100 mm厚高止裂韧性eh47钢板；(b)传统tmcp工艺生产的92 mm厚止裂韧性较差的钢板
开发的100 mm厚eh47bca钢板全厚度显微组织以细化af和少量贝氏体混合组织为主。全厚度有效晶粒和传统工艺控轧的钢板相比更加细小均匀（图11），说明全厚度hagb比例、egs尺寸及均匀性等方面和传统tmcp工艺相比具有明显优势。
图11 neu-r和传统tmcp工艺控轧钢板全厚度有效晶粒尺寸分布
从冲击功-测试温度曲线可以看出南钢生产的100mm厚eh47bca钢板1/2厚度在-60和-80°c下均为韧性断裂，冲击功在-90°c开始下降，在-103°c时均值下降至上平台功的一半，韧脆转变温度为-103°c（图12）。
图12 100 mm厚eh47bca止裂钢心部冲击功-测试温度曲线
在中船重工第七二五研究所船舶材料验证试验中心对100 mm厚eh47止裂钢板进行全厚度梯度温度型双重拉伸试验。结果显示，-10°c止裂韧性为9041.5 n/mm3/2，远高于国际船级社最新标准规定的8000n/mm3/2，厚度规格和止裂韧性均达到全球领先水平。同期开发的100mm厚eh40bca钢板-10°c止裂韧性达9951.0 n/mm3/2。
三、主要创新性成果
1、基于温控-形变耦合的高渗透性轧制技术，利用往复相变和道次变形协调分配，增加钢板心部变形，突破压缩比过低造成心部性能差的约束，细化奥氏体晶粒尺寸至18.5±10.5 μm，改善轧后钢板厚度方向组织与性能的均匀性。
实现未再结晶区轧制前全厚度奥氏体晶粒的细化和均匀化，未再结晶区轧制后全厚度基本一致的奥氏体畸变状态，为冷却时的相变做好充分的准备，最终获得全厚度细化、均匀化的铁素体和贝氏体组织，在低ni含量条件下，依旧能够保证钢板优异的低温韧性和止裂韧性。
2、通过轧后冷却路径控制，利用针状铁素体较早的相变时序，有效分割畸变奥氏体晶粒，缩小上贝氏体的生长空间，促进多变体贝氏体相变，实现全厚度针状铁素体-上贝氏体混合组织的均匀分布及有效晶粒的细化，改善全厚度方向的低温韧性。
对畸变奥氏体有效调控的前提下，采用轧后快冷 空冷 快冷的多阶段冷却路径，实现特厚止裂钢板多边形铁素体-多变体贝氏体时序相变，细化、均匀化全厚度的有效晶粒分布，避免相变组织中出现大尺寸的有效晶粒。多阶段冷却过程中第一阶段的快冷充分细化钢板表层至1/4厚度的贝氏体板条；空冷阶段使钢板1/2厚度尽可能多的形成晶界、晶内多边形铁素体组织；最后的快冷实现未相变奥氏体晶粒向细化多变体贝氏体组织转变。
3、基于脆性裂纹宏观钝化的止裂原理，利用高mn成分，结合轧制变形分配，调控多阶段冷却过程中的相变类型，成分设计-加热-轧制-冷却全流程强化钢板心部γ线上的织构，实现{001}解理面和{110}滑移面的均匀分布及裂纹尖端“劈钉”型断口特征，有效缓解大厚度试样断裂时的三轴应力，提高断裂韧性。
xrd织构测量结果显示开发的100 mm厚钢板1/2厚度处{112}<110>织构强度最高，{113}<110>、{332}<113>及{111}<110>织构强度次之，除此之外{001}<110>织构强度最弱。这些有利织构因素将减小钢板各向异性并提供良好的韧性。
五、应用情况与效果
南钢开发的船用高止裂韧度特厚钢板已应用于全球最大的24000teu集装箱船，100mm厚止裂钢实现全球唯一供货，应用于福建马尾造船股份有限公司12500dwt重吊船。e40bca1、e47bca1、e40bca2、e47bca2等高止裂韧度特厚钢板整单应用于江南造船（集团）有限责任公司、沪东中华造船（集团）有限公司、江苏扬子江船业集团公司等共计12艘24000teu集装箱船，供货量在国内遥遥领先。客户认为南钢止裂钢厚度公差波动小、板形平整、板内应力较小，能够保证数控切割机正常切割下料，切割过程中没有出现因切割件翘曲碰撞割枪等影响正常切割的情况；钢板的焊接性能好，已使用在集装箱船船体中部及顶部的舱口围顶板、腹板及上甲板、舷顶列板等关键部位。
南钢开发的船用高止裂韧度特厚钢板打破了国外厂家的技术封锁和产品垄断，解决了船用核心材料“卡脖子”的关键难题，填补国内空白。满足了高技术船舶对高止裂韧度钢板的迫切需求，实现了大型集装箱船等特种船舶核心关键材料的自主保障。提升了船舶制造、航运全产业链的竞争力，为海洋经济发展和海洋强国建设贡献了力量。
参考文献
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信息来源：南京钢铁股份有限公司
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