Nb微合金化高强度船体结构用钢D36的开发研究

陈振业 梁 栋

(1.河北钢铁技术研究总院; 2.东风特种汽车有限公司)

Nb微合金化高强度船体结构用钢D36的开发研究

陈振业1梁 栋2

(1.河北钢铁技术研究总院; 2.东风特种汽车有限公司)

河北钢铁集团根据D36高强度船体结构用钢的技术要求和市场需求，通过合理的化学成分设计，采用合理的冶炼和轧制工艺成功开发了这一产品，其各项性能指标均符合中国、英国、美国、日本、挪威、法国、德国、韩国、意大利等九国船级社船规，满足用户使用要求。

D36船板 产品开发 化学成分 工艺流程 性能

0 前言

高强度船体结构用钢板主要用于远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板。随着造船业的发展，船舶逐渐向大型化、轻型化方向发展，而且船舶工作环境恶劣，所以对高强度船体用钢板性能提出了更加严格的要求。首先要求有良好的低温冲击韧性，还要有高的屈服强度以及良好的抗层状撕裂性能。D36高强度船体结构用钢具有良好的低温冲击韧性，较高的强度和良好的抗层状撕裂性能，能够满船舶工业的要求。对钢铁企业而言，开发D36高强度船板具有广阔的市场前景。下面笔者就河北钢铁集团试制D36高强度船体结构用钢过程中的成分、工艺设计，微观组织观察和工艺性能的研究做一介绍。

1 技术要求和工艺成分设计

1.1 技术要求

根据GB712－2000的相关规定，D36级高强度船体用结构钢板的化学成分要求见表1，力学性能及工艺性能要求见表2。

表1 GB712－2000对D36化学成分的要求 wt%

表2 GB712－2000对D36级船板力学性能的要求

1.2 工艺成分设计

根据GB712－2000及美、法、中、英、日、韩、意、德及挪威等九国船级社船规，结合现场设备生产特点和控制能力，同时考虑到D36船板强度与韧性的配比、可焊性、耐腐蚀性、交货状态等要求，D36的化学成分设计采用“低碳、高锰、铌微合金化”的设计思路，其成分设计见表3。

2 试制

2.1 工艺流程

河北钢铁集团试制D36高强度船体结构用钢的工艺流程为:铁水预处理→转炉炼钢→LF精炼→板坯连铸→切割→板坯加热→高压水除鳞→轧制→控制冷却→矫直→表面检验→取样→圆盘剪切纵边→液压剪切定尺→喷号标识→厚度卡量检验→入库。

表3 D36高强度船体结构用钢化学成分 wt%

2.2 冶炼连铸工艺设计

高强度船体用结构用钢采用氧气转炉冶炼。由于该钢种对低温韧性要求很高，因此对钢的纯净度要求很高，通过铁水脱硫、转炉脱磷，钢水由顶底复吹转炉提供并经过二次精炼，同时采用出钢后铌微合金化及加入钢芯铝，既可以达到细化晶粒的目的又可以有效地降低钢中氧的含量。多种冶炼技术的应用，保证了高强度船体用结构钢的高纯净度。

连铸时控制中间包液面不低于500 mm，结晶器液面波动控制在 ±5 mm以内，中间包温度为1530 ℃ ～1545 ℃，拉速为1.00～1.15 m/min。

2.3 轧制工艺设计

高强度船体用结构钢板用3500 mm四辊可逆式轧机轧制完成。Nb的加入在加热时可以阻止奥氏体晶粒的长大;采用控制轧制工艺，能阻止再结晶后的晶粒长大，使晶粒细化，扩大奥氏体未再结晶区，增加未再结晶区的变形量和轧制道次，使相变的铁素体晶粒细化［1］。坯料开轧温度为1050℃ ～1120℃，采用两轧程轧制，要求一轧程高温大压下，二轧程累计压下率≥50%，待温后道次压下率≥12%。控制冷却后的温度要求在670℃ ～700℃，矫直温度不低于600℃。

3 D36高强船板试验结果及分析

按照以上的工艺路线，河北钢铁集团试制了D36高强度船用结构钢。为了满足相关船级社的工厂认可和型式认可对试验的各项要求，对38 mm(船级社认证的最大厚度)的D36船板进行了试验分析和研究。

3.1 钢板酸洗评级及金相组织

成品钢板的金相试样取自板材轧制方向的中心位置，全厚度长度600 mm。按照YB/T4003—1997《连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图》评定［2〛，钢板的酸洗评级及晶粒度见表4，钢板的金相组织为铁素体+珠光体，如图1所示。

表4 钢板酸洗评级及金相组织(厚度:38 mm)

图1 D36钢金相组织照片

3.2 拉伸性能试验

GB712－2000对D36级船板力学性能的要求是:屈服强度不小于355 MPa，抗拉强度在490 MPa～630 MPa之间，伸长率不小于21%。对试制钢种进行拉伸试验后的结果见表5。

表5 D36拉伸试验数据

由表5可以看出，本次试制钢板的各项指标均达到国标要求，塑性指标余量很大，同板性能较为稳定，而且去应力后的拉伸试验结果与之前相差不大，这说明材料内部组织分布均匀。

3.3 冲击性能

对试制钢板进行了冲击试验，其冲击性能见表6。表7为试验钢板的应变时效冲击试验结果，试验条件为:试样在室温下拉伸，使其残余应变量为5%，然后在250℃下均匀加热并在该温度下保温0.5 h，在空气中冷却至室温，进行冲击试验。

表6 D36冲击功试验结果

表7 应变时效冲击试验结果

由表6中数据可以看出，D36钢板在－40℃条件下的纵向冲击功的平均值达157 J，横向冲击功的平均值达149 J，均达到国标中相应级别的要求，且有较大余量，尤其是纵向性能，这与试制钢纯净度高、气体含量低有直接关系。D36钢的杂质元素(熔炼含量)控制在 S=0.005% ～0.007%，P=0.013%～0.017%，满足了降低钢中S、P含量、提高钢质纯净度、控制钢材晶粒度等要求，从而有效地提高了钢的冲击性能，降低了钢的脆性转变温度。

比较表6和表7可知，D36钢在－20℃条件下的纵向冲击功平均值达到181 J，在－20℃条件下的应变时效低温纵向冲击功平均值达到173 J。其应变时效敏感性系数为:

C=(181 －173)/181 ×100=4.42%

计算结果说明，D36钢的应变时效敏感性较低，性能较为优越。

3.4 Z向拉伸试验

沿着试验钢板的中心线垂直于轧制方向，取一组6个试样，其中3个试样进行全厚度拉伸试验，另外3个试样正火后进行全厚度拉伸试验，测得试样的断面收缩率和抗拉强度，其Z向拉伸试验结果见表8。

表8 Z向拉伸试验

从试验数据结果看，D36船板的断面收缩率平均值达到42%以上，达到Z35的级别要求。

4 结论

1)利用现有工艺、设备生产的D36高强度船板钢的屈服强度大于 390 MPa，抗拉强度大于520 MPa，延伸率大于38%，且钢板内部组织分布均匀，强度波动范围小，各向异性小;

2)本次试制的D36高强度船板钢在－40℃条件下的纵向冲击功的平均值达157 J，横向冲击功平均值达149 J，远高于国标的要求，冲击性能良好，应变时效敏感性系数仅为4.42%，各项性能指标均符合各国船级社规定，满足用户使用要求;

3)加入铌进行微合金化，采用控轧控冷轧制工艺以细化晶粒，不仅能保证D36高强度船板的强度还能保证低温冲击韧性，使其具有优良的综合机械性能;

4)所开发的D36高强度船体结构用钢性能稳定，具有优良的低温冲击韧性，较高的强度和良好的抗层状撕裂性能，得到了用户的认同。

5 结语

河北钢铁集团试制的D36高强度船体结构用钢经过在国内多家船厂及大型船舶制造企业试用情况表明:该产品性能稳定，具有优良的低温冲击韧性，较高的强度和良好的抗层状撕裂性能，能够满足远洋航运船舶的船体、甲板的用钢要求，效果良好。

［1］ 许长金，钟成芬.厚板的控制轧制和控制冷却［J］.鞍钢技术，1995(9):11－18.

［2］ 全国钢标准化技术委员会.YB/T4003—1997连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图［S］.北京:中国标准出版社，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

*

2011—11—11