开发国产TMCP高强度船用钢迫在眉睫

中国船级社 赵 捷

经过多年的努力，我国造船完工量、订单量已数次与韩国交替位于世界第一，已成为名副其实的世界造船大国。同时，中国已拥有世界上最好的钢铁生产线，钢产量雄踞世界第一多年，船用钢产量也位居世界第一。然而，尽管船用钢材的国产配套率已超过90%，但由于产品质量的稳定性、均匀性、可靠性及配套性等与国外先进水平仍有一定差距，少数技术要求高、高附加值的船用钢仍需要进口，如TMCP高强度船用钢，因此，开发中国自己的高品质船用钢迫在眉睫。

TMCP高强度船用钢的工艺特点

TMCP交货状态（Thermo Mechanical Controlled Processing-温度形变控制轧制）是近二十几年发展起来的先进工艺，在我国钢铁行业得到应用也就是十年左右的时间。TMCP的基本冶金学原理是在再结晶温度以下进行大压下量轧制变形，利用微合金元素控制奥氏体晶粒长大，通过轧后加速冷却，对奥氏体相变过程进行控制，获得晶粒细小的组织，从而获得优良的性能。与传统的生产工艺相比，它具有生产成本低、能源消耗低，合金需求量经济、微观组织细化、冲击韧性高、表面质量好、碳当量低，焊接性能好、在船舶建造时可以实现焊前不预热、焊后不热处理等优点。

首先，充分发挥TMCP工艺的优点，就需要与传统工艺不同的成分设计。

一是利用铁水预脱硫技术、精炼技术（LF/RH/VD）等尽可能降低有害元素P、S、N、[H]和[O]含量，使钢水具有较高的纯净度。S含量0.010%以下（可达到0.005%），[H]3ppm以下，使钢水具有高的纯净度，也可降低夹杂物的含量；

二是降低碳含量，小于0.1%，这与传统的船用钢含碳量接近0.2%的有较大差别。碳含量的降低，将提高钢的冲击韧性；

三是适当提高锰含量，采用中等的锰含量；

四是添加细化晶粒元素Al、Nb、V、Ti等，提高钢的冲击韧性。添加提高淬透性元素Mo、Cr、Cu 等，使贝氏体区扩大，因而在较宽的冷速范围内能够得到贝氏体组织，提高钢的强度和韧性。

为达到提高钢的强度、韧性、提高再结晶温度及氮化物的析出强化等目的，添加Al、Nb、V、Ti、Ni等微合金元素。

五是通过对合金元素的控制实现低的碳当量（Ceq），从而降低焊接裂纹敏感性（Pcm）保证良好的焊接性能。

其次，从TMCP高强度船用钢工艺特点来看，主要体现在：

一是为减少钢中夹杂物含量，减小偏析，在连铸浇注过程中可采用电磁搅拌、轻压下等技术；

二是适当降低钢坯加热温度，防止奥氏体晶粒过度长大；

三是轧制的第一阶段为再结晶区轧制，该阶段通过让变形奥氏体反复发生再结晶，同时因道次间隔时间较短，因而再结晶新晶粒来不及长大，从而获得细小的原奥氏体晶粒。第二阶段为非再结晶区轧制，该阶段的关键是低温状态（约800℃）大的变形量，以使相变后能够进行细晶强化、位错强化和析出强化等；

四是控制冷却：TMCP工艺的关键是轧后的加速冷却，通过控制最佳的冷却速度，获得最终希望得到的细晶组织，通过控制冷却水流量，获得钢板沿厚度、长度、宽带方向均匀的金相组织和晶粒度从而得到均匀的力学性能。

通过以上这些手段，使钢板具有均匀的细晶组织、低的碳当量（Ceq）和Pcm值再加上氮化物的析出阻止热影响区（HAZ）的晶粒长大，从而获得具有良好的综合力学性能、良好焊接性能的船用钢板。

FH550/TMCP工艺所获得的组织和力学性能

通过以上的化学成分设计和工艺的保障，获得了满足CCS《材料与焊接规范》要求的80mm厚、钢级FH550、TMCP交货状态的船用钢板。钢板的组织及力学性能具有如下特点：

1、获得了希望得到的组织。通过以上工艺手段，获得了铁素体和贝氏体组织，铁素体晶粒度达到十级以上。这就保证了能够获得足够的强度和韧性。

2、屈服强度完全满足大于550MPa的要求。

3、低温韧性指标优异。0℃、-20℃、-40℃时钢板四分之一厚度处（1/4t）和钢板芯部（1/2t）夏比冲击功达到300J以上，-60℃时1/4t和1/2t的夏比冲击功也均大于260J，-80℃时1/4t和1/2t的夏比冲击功仍为100J以上。可见韧性储备十分良好。

4、低的碳当量Ceq（0.47%以下）和冷裂纹敏感系数Pcm（0.22%以下），保证了良好的焊接性能。焊接性能试验的各项指标良好，在熔合线、距熔合线1mm、2mm、5mm和20mm处进行冲击试验，-40℃时冲击功在300J以上，-60℃熔合线处冲击功仍为100J以上，并且不需要预热。可见焊接性能优异。

5、落锤试验的脆性转变温度（NDT）低于-65℃，说明具有优良的低温表面抗裂纹能力。

6、冷弯试验合格，时效冲击性能与常规夏比冲击相比，下降不大。

而且钢板的纵横向性能、钢板头尾性能差别不大，说明了工艺的合理及稳定，从而保证了钢板性能的均匀性。

可见FH550钢板获得了十分优异的强度、韧性和焊接性能，满足造船和海洋工程用钢的要求。

TMCP交货状态的船用钢降低了合金含量，降低了生产成本、降低了能耗、提高了生产效率、减少对环境的影响，是值得广泛推广的先进生产工艺。

开发中国自己的高品质船用钢

虽然我们已能够生产绝大多数种类的船用钢，但由于产品质量的稳定性、均匀性、可靠性及配套性等与国外先进水平仍有一定差距，少数技术要求高、高附加值的船用钢仍需要进口。开发中国自己的高品质船用钢，替代进口已是中国钢铁人义不容辞的责任。为此，我们需要在以下几个方面做出努力：

一是提高船用钢质量的稳定性、均匀性、经济性。我们虽然能够生产出一些高级别的船用钢，但性能指标的稳定性还不够，钢板不同部位的性能均匀性还不够，做到经济性就更需要下大功夫。

二是钢板的表面质量还有待提高。一些影响造船使用的表面缺欠的存在会给随后的造船工序带来麻烦。

三是产品的综合性能需要提高。所生产出来的船用钢不能仅仅满足规范的最低要求，除要保证强度满足要求外，还要有足够的韧性储备，还要有良好的焊接性能。

四是完善产品售后服务等。与国外先进水平最大的差距还体现在理念的落后，这包括研发理念、服务理念以及研发、生产机制的落后。我们应该学习国外先进的理念，从用户需求入手进行新产品的研发，组成由用户、船厂、钢厂、研究院所、高校、政府等组成的联合研发团队，以产学研检用相结合的机制进行新产品的研发、生产和应用。

日本研发原油船货油舱耐蚀钢就是一个很好的例子，他们从用户对原油船货油舱需要耐蚀钢的需求入手，研究腐蚀环境、耐腐蚀机理，组成由不同机构参加的团队，联合研发、生产到产品的实际应用。形成标准、公约等国际要求，并在其他国家申请专利，通过这些形成技术壁垒，上升为另一个层次的国际竞争。

现在我国钢铁行业产能过剩，生产、销售不景气，成本高、利润低，污染大，这些都制约了我们的发展。在这个时候，研发高品质、高附加值的钢材，为将来钢铁行业的复兴进行必要的技术储备，就具有十分重要的战略意义。

现在IACS材料专家组已经在讨论厚度达200mm，TMCP状态FH890这样更高级别船用钢的要求，我们应该抓住机遇，及时跟进，开发我国自己的高品质船用钢。