中厚板TMCP 工艺及其应用进展分析

朱建业

（山东钢铁集团日照有限公司， 山东 日照 276800）

TMCP 即热机械控制工艺，主要是在热轧生产工序中，基于对加热温度、轧制温度与压下量的有效控制而实施空冷、控制冷却或者加速冷却的一种生产工艺。由于TMCP 工艺省略了一些繁琐的热处理工序，因此采用该工艺能够节省大量的资源、能源，进而可以产生较好的节能环保效应。近年来，通过对TMCP 工艺进行持续优化和改进，目前该工艺在加速冷却方面已经取得了阶段性进展，且在各领域的实际应用效果也逐步突显出来。

1 TMCP 工艺原理

TMCP 是在控制加热温度、轧制温度与压下量的基础上，对热轧生产过程再次进行空冷、控冷与加速冷却的技术总称。其工艺原理是在控制冷却阶段，当轧制温度达到Ar3 这一临界温度线时，开始对轧制设备进行水冷操作，当达到500～550 ℃的相变终了温度时，水冷工序结束；然后对生产过程进行空冷，空冷过程中将生成珠光体；而在控制冷却时，这些珠光体将逐渐转变成为微细分散的贝氏体，经过控冷工序以后，所形成的铁碳组织变成了细晶铁素体与微细分散型贝氏体的混合组织。由于铁素体晶粒本身具有良好的强度与韧性，因此通过这种方法可以大大提升中厚板钢材的强度，与此同时，钢材本身的延伸性也得以改善。TMCP 工艺之所以能够产生这种应用效果，究其原因是在加速冷却控制下，奥氏体的相变温度大幅降低。这时，γ→α 的相变驱动力增大，随着冷却速度的加快，碳与氮化物的析出时间将大幅延迟，进而产生更多弥散状的析出物，如果继续加大冷却速度，最终将形成贝氏体或者针状铁素体。在这种情况之下，中厚板钢材本身的强度与韧性也将得到大幅提升[1]。

2 中厚板TMCP 工艺在各个领域的应用进展与应用效果分析

利用TMCP 工艺生产的中厚板最早普遍应用于船舶制造工业，随着TMCP 工艺水平的不断提升，目前，在海洋工程、建筑工程以及桥梁工程等领域也得到普遍推广和应用。其中，TMCP 中厚板的抗拉强度级别与应用领域如表1 所示。

表1 TMCP 中厚板的抗拉强度级别与应用领域

2.1 船舶制造领域

利用TMCP 工艺生产的中厚板最先在船舶制造领域得到推广应用，由于大型船舶对钢材的强度、韧性要求相对严格，如果强度过低，不仅影响船舶的使用寿命，而且也存在较大的安全隐患。采用TMCP 工艺后，中厚板的强度与韧性得到较大改善，相比于厚板与特厚板，中厚板本身的质量相对较轻，应用在船舶上，使得船舶本身的自重大幅下降，由此也降低了船舶的制造成本，同时也节省了大量的资源、能源。目前，我国的船舶制造行业呈现出蓬勃发展态势，截至2020 年末，我国的海运进出口量达到34.6 亿t，在这种形势之下，市场对船舶的需求量不断增加，这就对船舶质量提出了更高的要求。而中厚板TMCP工艺的出现，给船舶制造业提供了更多的优质中厚板钢材，利用TMCP 工艺生产的中厚板表面含有大量的晶粒，这种晶粒体可以有效阻止板材开裂，因此这种新型中厚板板材已经成为舷缘列板的重要材料。并且正是在生产过程中有效运用了加速冷却工艺，板材出现质量缺陷的概率才大幅降低，船舶的安全稳定性也得到可靠保障。

2.2 海洋油气开发工程领域

目前，我国的海洋油气开发已经迈入超深水时代，开采深度已超过1500 m，随着开采深度的增加，开采过程中的屈服强度值也从355 MPa 上升到500 MPa，这就对中厚板的焊接预热温度提出了更高的要求，与此同时，油气开发企业也需要综合考量开发成本。在油气开发过程中所使用的中厚板板材，其焊接热影响区（HAZ）具有较高的裂纹尖端张开位移，因此，这就要求中厚板需具备良好的韧性，以满足海洋油气开发作业需求，而TMCP 工艺在中厚板生产工序中的有效运用，使板材在热影响区的韧性与强度得到有效改善。比如油气开发工程所采用的结构钢板，通常利用TiO 来提高HAZ（热影响区）的韧性，而通过实施加速冷却工艺，使得具有良好强度与优越韧性的355～500 MPa 级中厚板钢材陆续在海洋油气开发领域得到广泛应用[2]。

2.3 建筑工程领域

随着城市化进程的逐年推进，建筑工程项目数量与日俱增，在这种形势之下，对建筑结构所使用的板材性能要求也越来越高。实际应用中需要板材本身具有较高的强度与较好的抗震性能，尤其对一些高层建筑来说，具有优越性能的板材能够进一步增强建筑结构的整体稳定性与安全性。因此，近年来，利用TMCP 工艺生产的中厚板钢材在建筑结构当中的应用频率越来越高。

比如某建筑工程所使用的结构钢板是经过TMCP 工艺处理过的中厚板，其中板材的最大厚度为25 mm，抗拉强度为490 MPa，冲击吸收能量为27 J，屈强比小于80%。从这些技术参数当中可以看出，该建筑结构使用的中厚板经过TMCP 工艺处理之后，各项性能指标均有所提升。

屈强比的高低直接影响钢材本身的强度大小，屈强比越高，钢材强度越小，而屈强比越低，钢材强度则越大，因此，在生产中厚板过程中，应对软铁素体相的体积分数进行精准控制，晶粒尺寸也应当控制在标准范围之内。而正是运用了TMCP 工艺，近几年用于建筑结构钢的低屈强比中厚板板材产量也呈现出逐年递增态势。

比如某钢铁企业利用CLC-μ 开发的建筑结构新钢种，即BT-HT500C，其屈服强度提高了近50%，韧性与焊接性也得到有效改善，而这种钢种的中厚板板材在城市高层建筑当中得到大范围推广和应用，建筑结构的整体强度显著提升。

2.4 桥梁工程领域

桥梁是重要的民用基础设施，在国民经济建设当中始终扮演着重要角色，而在城市化发展进程逐年推进的过程当中，各种大型桥梁工程项目也相继落地，为人们的日常出行提供了诸多便利。但是，出于对桥梁结构安全性能的考虑，在选用钢板时，需要对钢板厚度与强度进行权衡，以提升桥梁结构的整体强度，避免各类安全事故的发生。因此，随着中厚板TMCP 工艺的持续改进，中厚板的强度、韧性等指标得到明显改善，特别在一些大跨度桥梁当中，利用TMCP 工艺生产的中厚板板材被大面积推广使用。国内一些钢铁企业通过加速冷却的方法开发出了低温性能优异的铜析出强化型HT780 高强度中厚板，并将其应用于桥梁结构中，不仅提高了桥梁整体结构的稳定性，而且也给施工单位节省了大量的生产成本。

国内某座大型桥梁使用TMCP 工艺生产出的中厚板板材的各项指标：板材的最大厚度为23 mm，抗拉强度达到570 MPa，冲击吸收能量也超过47 J。

3 结语

目前，与发达国家相比，我国的中厚板TMCP 工艺体系较为薄弱，正处在探索阶段，尤其在应用过程中，仍然存在许多问题与不足，因此，钢铁企业应当虚心借鉴先进的技术经验与成功的应用案例，不断对TMCP 工艺流程进行优化，并持续提升TMCP 专业技术水准，在响应国家“节能降耗”号召的前提下，生产出更多高质量、高性能的中厚板板材。