開發國產TMCP高強度船用鋼迫在眉睫

中國船級社 趙 捷

經過多年的努力，我國造船完工量、訂單量已數次與韓國交替位于世界第一，已成為名副其實的世界造船大國。同時，中國已擁有世界上最好的鋼鐵生產線，鋼產量雄踞世界第一多年，船用鋼產量也位居世界第一。然而，盡管船用鋼材的國產配套率已超過90%，但由于產品質量的穩定性、均勻性、可靠性及配套性等與國外先進水平仍有一定差距，少數技術要求高、高附加值的船用鋼仍需要進口，如TMCP高強度船用鋼，因此，開發中國自己的高品質船用鋼迫在眉睫。

TMCP高強度船用鋼的工藝特點

TMCP交貨狀態（Thermo Mechanical Controlled Processing-溫度形變控制軋制）是近二十幾年發展起來的先進工藝，在我國鋼鐵行業得到應用也就是十年左右的時間。TMCP的基本冶金學原理是在再結晶溫度以下進行大壓下量軋制變形，利用微合金元素控制奧氏體晶粒長大，通過軋后加速冷卻，對奧氏體相變過程進行控制，獲得晶粒細小的組織，從而獲得優良的性能。與傳統的生產工藝相比，它具有生產成本低、能源消耗低，合金需求量經濟、微觀組織細化、沖擊韌性高、表面質量好、碳當量低，焊接性能好、在船舶建造時可以實現焊前不預熱、焊后不熱處理等優點。

首先，充分發揮TMCP工藝的優點，就需要與傳統工藝不同的成分設計。

一是利用鐵水預脫硫技術、精煉技術（LF/RH/VD）等盡可能降低有害元素P、S、N、[H]和[O]含量，使鋼水具有較高的純凈度。S含量0.010%以下（可達到0.005%），[H]3ppm以下，使鋼水具有高的純凈度，也可降低夾雜物的含量；

二是降低碳含量，小于0.1%，這與傳統的船用鋼含碳量接近0.2%的有較大差別。碳含量的降低，將提高鋼的沖擊韌性；

三是適當提高錳含量，采用中等的錳含量；

四是添加細化晶粒元素Al、Nb、V、Ti等，提高鋼的沖擊韌性。添加提高淬透性元素Mo、Cr、Cu 等，使貝氏體區擴大，因而在較寬的冷速范圍內能夠得到貝氏體組織，提高鋼的強度和韌性。

為達到提高鋼的強度、韌性、提高再結晶溫度及氮化物的析出強化等目的，添加Al、Nb、V、Ti、Ni等微合金元素。

五是通過對合金元素的控制實現低的碳當量（Ceq），從而降低焊接裂紋敏感性（Pcm）保證良好的焊接性能。

其次，從TMCP高強度船用鋼工藝特點來看，主要體現在：

一是為減少鋼中夾雜物含量，減小偏析，在連鑄澆注過程中可采用電磁攪拌、輕壓下等技術；

二是適當降低鋼坯加熱溫度，防止奧氏體晶粒過度長大；

三是軋制的第一階段為再結晶區軋制，該階段通過讓變形奧氏體反復發生再結晶，同時因道次間隔時間較短，因而再結晶新晶粒來不及長大，從而獲得細小的原奧氏體晶粒。第二階段為非再結晶區軋制，該階段的關鍵是低溫狀態（約800℃）大的變形量，以使相變后能夠進行細晶強化、位錯強化和析出強化等；

四是控制冷卻：TMCP工藝的關鍵是軋后的加速冷卻，通過控制最佳的冷卻速度，獲得最終希望得到的細晶組織，通過控制冷卻水流量，獲得鋼板沿厚度、長度、寬帶方向均勻的金相組織和晶粒度從而得到均勻的力學性能。

通過以上這些手段，使鋼板具有均勻的細晶組織、低的碳當量（Ceq）和Pcm值再加上氮化物的析出阻止熱影響區（HAZ）的晶粒長大，從而獲得具有良好的綜合力學性能、良好焊接性能的船用鋼板。

FH550/TMCP工藝所獲得的組織和力學性能

通過以上的化學成分設計和工藝的保障，獲得了滿足CCS《材料與焊接規范》要求的80mm厚、鋼級FH550、TMCP交貨狀態的船用鋼板。鋼板的組織及力學性能具有如下特點：

1、獲得了希望得到的組織。通過以上工藝手段，獲得了鐵素體和貝氏體組織，鐵素體晶粒度達到十級以上。這就保證了能夠獲得足夠的強度和韌性。

2、屈服強度完全滿足大于550MPa的要求。

3、低溫韌性指標優異。0℃、-20℃、-40℃時鋼板四分之一厚度處（1/4t）和鋼板芯部（1/2t）夏比沖擊功達到300J以上，-60℃時1/4t和1/2t的夏比沖擊功也均大于260J，-80℃時1/4t和1/2t的夏比沖擊功仍為100J以上。可見韌性儲備十分良好。

4、低的碳當量Ceq（0.47%以下）和冷裂紋敏感系數Pcm（0.22%以下），保證了良好的焊接性能。焊接性能試驗的各項指標良好，在熔合線、距熔合線1mm、2mm、5mm和20mm處進行沖擊試驗，-40℃時沖擊功在300J以上，-60℃熔合線處沖擊功仍為100J以上，并且不需要預熱。可見焊接性能優異。

5、落錘試驗的脆性轉變溫度（NDT）低于-65℃，說明具有優良的低溫表面抗裂紋能力。

6、冷彎試驗合格，時效沖擊性能與常規夏比沖擊相比，下降不大。

而且鋼板的縱橫向性能、鋼板頭尾性能差別不大，說明了工藝的合理及穩定，從而保證了鋼板性能的均勻性。

可見FH550鋼板獲得了十分優異的強度、韌性和焊接性能，滿足造船和海洋工程用鋼的要求。

TMCP交貨狀態的船用鋼降低了合金含量，降低了生產成本、降低了能耗、提高了生產效率、減少對環境的影響，是值得廣泛推廣的先進生產工藝。

開發中國自己的高品質船用鋼

雖然我們已能夠生產絕大多數種類的船用鋼，但由于產品質量的穩定性、均勻性、可靠性及配套性等與國外先進水平仍有一定差距，少數技術要求高、高附加值的船用鋼仍需要進口。開發中國自己的高品質船用鋼，替代進口已是中國鋼鐵人義不容辭的責任。為此，我們需要在以下幾個方面做出努力：

一是提高船用鋼質量的穩定性、均勻性、經濟性。我們雖然能夠生產出一些高級別的船用鋼，但性能指標的穩定性還不夠，鋼板不同部位的性能均勻性還不夠，做到經濟性就更需要下大功夫。

二是鋼板的表面質量還有待提高。一些影響造船使用的表面缺欠的存在會給隨后的造船工序帶來麻煩。

三是產品的綜合性能需要提高。所生產出來的船用鋼不能僅僅滿足規范的最低要求，除要保證強度滿足要求外，還要有足夠的韌性儲備，還要有良好的焊接性能。

四是完善產品售后服務等。與國外先進水平最大的差距還體現在理念的落后，這包括研發理念、服務理念以及研發、生產機制的落后。我們應該學習國外先進的理念，從用戶需求入手進行新產品的研發，組成由用戶、船廠、鋼廠、研究院所、高校、政府等組成的聯合研發團隊，以產學研檢用相結合的機制進行新產品的研發、生產和應用。

日本研發原油船貨油艙耐蝕鋼就是一個很好的例子，他們從用戶對原油船貨油艙需要耐蝕鋼的需求入手，研究腐蝕環境、耐腐蝕機理，組成由不同機構參加的團隊，聯合研發、生產到產品的實際應用。形成標準、公約等國際要求，并在其他國家申請專利，通過這些形成技術壁壘，上升為另一個層次的國際競爭。

現在我國鋼鐵行業產能過剩，生產、銷售不景氣，成本高、利潤低，污染大，這些都制約了我們的發展。在這個時候，研發高品質、高附加值的鋼材，為將來鋼鐵行業的復興進行必要的技術儲備，就具有十分重要的戰略意義。

現在IACS材料專家組已經在討論厚度達200mm，TMCP狀態FH890這樣更高級別船用鋼的要求，我們應該抓住機遇，及時跟進，開發我國自己的高品質船用鋼。