中厚板TMCP 工藝及其應(yīng)用進(jìn)展分析

朱建業(yè)

（山東鋼鐵集團(tuán)日照有限公司， 山東 日照 276800）

TMCP 即熱機(jī)械控制工藝，主要是在熱軋生產(chǎn)工序中，基于對加熱溫度、軋制溫度與壓下量的有效控制而實(shí)施空冷、控制冷卻或者加速冷卻的一種生產(chǎn)工藝。由于TMCP 工藝省略了一些繁瑣的熱處理工序，因此采用該工藝能夠節(jié)省大量的資源、能源，進(jìn)而可以產(chǎn)生較好的節(jié)能環(huán)保效應(yīng)。近年來，通過對TMCP 工藝進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)，目前該工藝在加速冷卻方面已經(jīng)取得了階段性進(jìn)展，且在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果也逐步突顯出來。

1 TMCP 工藝原理

TMCP 是在控制加熱溫度、軋制溫度與壓下量的基礎(chǔ)上，對熱軋生產(chǎn)過程再次進(jìn)行空冷、控冷與加速冷卻的技術(shù)總稱。其工藝原理是在控制冷卻階段，當(dāng)軋制溫度達(dá)到Ar3 這一臨界溫度線時(shí)，開始對軋制設(shè)備進(jìn)行水冷操作，當(dāng)達(dá)到500～550 ℃的相變終了溫度時(shí)，水冷工序結(jié)束；然后對生產(chǎn)過程進(jìn)行空冷，空冷過程中將生成珠光體；而在控制冷卻時(shí)，這些珠光體將逐漸轉(zhuǎn)變成為微細(xì)分散的貝氏體，經(jīng)過控冷工序以后，所形成的鐵碳組織變成了細(xì)晶鐵素體與微細(xì)分散型貝氏體的混合組織。由于鐵素體晶粒本身具有良好的強(qiáng)度與韌性，因此通過這種方法可以大大提升中厚板鋼材的強(qiáng)度，與此同時(shí)，鋼材本身的延伸性也得以改善。TMCP 工藝之所以能夠產(chǎn)生這種應(yīng)用效果，究其原因是在加速冷卻控制下，奧氏體的相變溫度大幅降低。這時(shí)，γ→α 的相變驅(qū)動(dòng)力增大，隨著冷卻速度的加快，碳與氮化物的析出時(shí)間將大幅延遲，進(jìn)而產(chǎn)生更多彌散狀的析出物，如果繼續(xù)加大冷卻速度，最終將形成貝氏體或者針狀鐵素體。在這種情況之下，中厚板鋼材本身的強(qiáng)度與韌性也將得到大幅提升[1]。

2 中厚板TMCP 工藝在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展與應(yīng)用效果分析

利用TMCP 工藝生產(chǎn)的中厚板最早普遍應(yīng)用于船舶制造工業(yè)，隨著TMCP 工藝水平的不斷提升，目前，在海洋工程、建筑工程以及橋梁工程等領(lǐng)域也得到普遍推廣和應(yīng)用。其中，TMCP 中厚板的抗拉強(qiáng)度級(jí)別與應(yīng)用領(lǐng)域如表1 所示。

表1 TMCP 中厚板的抗拉強(qiáng)度級(jí)別與應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 船舶制造領(lǐng)域

利用TMCP 工藝生產(chǎn)的中厚板最先在船舶制造領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，由于大型船舶對鋼材的強(qiáng)度、韌性要求相對嚴(yán)格，如果強(qiáng)度過低，不僅影響船舶的使用壽命，而且也存在較大的安全隱患。采用TMCP 工藝后，中厚板的強(qiáng)度與韌性得到較大改善，相比于厚板與特厚板，中厚板本身的質(zhì)量相對較輕，應(yīng)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，同時(shí)也節(jié)省了大量的資源、能源。目前，我國的船舶制造行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢，截至2020 年末，我國的海運(yùn)進(jìn)出口量達(dá)到34.6 億t，在這種形勢之下，市場對船舶的需求量不斷增加，這就對船舶質(zhì)量提出了更高的要求。而中厚板TMCP工藝的出現(xiàn)，給船舶制造業(yè)提供了更多的優(yōu)質(zhì)中厚板鋼材，利用TMCP 工藝生產(chǎn)的中厚板表面含有大量的晶粒，這種晶粒體可以有效阻止板材開裂，因此這種新型中厚板板材已經(jīng)成為舷緣列板的重要材料。并且正是在生產(chǎn)過程中有效運(yùn)用了加速冷卻工藝，板材出現(xiàn)質(zhì)量缺陷的概率才大幅降低，船舶的安全穩(wěn)定性也得到可靠保障。

2.2 海洋油氣開發(fā)工程領(lǐng)域

目前，我國的海洋油氣開發(fā)已經(jīng)邁入超深水時(shí)代，開采深度已超過1500 m，隨著開采深度的增加，開采過程中的屈服強(qiáng)度值也從355 MPa 上升到500 MPa，這就對中厚板的焊接預(yù)熱溫度提出了更高的要求，與此同時(shí)，油氣開發(fā)企業(yè)也需要綜合考量開發(fā)成本。在油氣開發(fā)過程中所使用的中厚板板材，其焊接熱影響區(qū)（HAZ）具有較高的裂紋尖端張開位移，因此，這就要求中厚板需具備良好的韌性，以滿足海洋油氣開發(fā)作業(yè)需求，而TMCP 工藝在中厚板生產(chǎn)工序中的有效運(yùn)用，使板材在熱影響區(qū)的韌性與強(qiáng)度得到有效改善。比如油氣開發(fā)工程所采用的結(jié)構(gòu)鋼板，通常利用TiO 來提高HAZ（熱影響區(qū)）的韌性，而通過實(shí)施加速冷卻工藝，使得具有良好強(qiáng)度與優(yōu)越韌性的355～500 MPa 級(jí)中厚板鋼材陸續(xù)在海洋油氣開發(fā)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。

2.3 建筑工程領(lǐng)域

隨著城市化進(jìn)程的逐年推進(jìn)，建筑工程項(xiàng)目數(shù)量與日俱增，在這種形勢之下，對建筑結(jié)構(gòu)所使用的板材性能要求也越來越高。實(shí)際應(yīng)用中需要板材本身具有較高的強(qiáng)度與較好的抗震性能，尤其對一些高層建筑來說，具有優(yōu)越性能的板材能夠進(jìn)一步增強(qiáng)建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與安全性。因此，近年來，利用TMCP 工藝生產(chǎn)的中厚板鋼材在建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中的應(yīng)用頻率越來越高。

比如某建筑工程所使用的結(jié)構(gòu)鋼板是經(jīng)過TMCP 工藝處理過的中厚板，其中板材的最大厚度為25 mm，抗拉強(qiáng)度為490 MPa，沖擊吸收能量為27 J，屈強(qiáng)比小于80%。從這些技術(shù)參數(shù)當(dāng)中可以看出，該建筑結(jié)構(gòu)使用的中厚板經(jīng)過TMCP 工藝處理之后，各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所提升。

屈強(qiáng)比的高低直接影響鋼材本身的強(qiáng)度大小，屈強(qiáng)比越高，鋼材強(qiáng)度越小，而屈強(qiáng)比越低，鋼材強(qiáng)度則越大，因此，在生產(chǎn)中厚板過程中，應(yīng)對軟鐵素體相的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，晶粒尺寸也應(yīng)當(dāng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。而正是運(yùn)用了TMCP 工藝，近幾年用于建筑結(jié)構(gòu)鋼的低屈強(qiáng)比中厚板板材產(chǎn)量也呈現(xiàn)出逐年遞增態(tài)勢。

比如某鋼鐵企業(yè)利用CLC-μ 開發(fā)的建筑結(jié)構(gòu)新鋼種，即BT-HT500C，其屈服強(qiáng)度提高了近50%，韌性與焊接性也得到有效改善，而這種鋼種的中厚板板材在城市高層建筑當(dāng)中得到大范圍推廣和應(yīng)用，建筑結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度顯著提升。

2.4 橋梁工程領(lǐng)域

橋梁是重要的民用基礎(chǔ)設(shè)施，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)當(dāng)中始終扮演著重要角色，而在城市化發(fā)展進(jìn)程逐年推進(jìn)的過程當(dāng)中，各種大型橋梁工程項(xiàng)目也相繼落地，為人們的日常出行提供了諸多便利。但是，出于對橋梁結(jié)構(gòu)安全性能的考慮，在選用鋼板時(shí)，需要對鋼板厚度與強(qiáng)度進(jìn)行權(quán)衡，以提升橋梁結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，避免各類安全事故的發(fā)生。因此，隨著中厚板TMCP 工藝的持續(xù)改進(jìn)，中厚板的強(qiáng)度、韌性等指標(biāo)得到明顯改善，特別在一些大跨度橋梁當(dāng)中，利用TMCP 工藝生產(chǎn)的中厚板板材被大面積推廣使用。國內(nèi)一些鋼鐵企業(yè)通過加速冷卻的方法開發(fā)出了低溫性能優(yōu)異的銅析出強(qiáng)化型HT780 高強(qiáng)度中厚板，并將其應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)中，不僅提高了橋梁整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且也給施工單位節(jié)省了大量的生產(chǎn)成本。

國內(nèi)某座大型橋梁使用TMCP 工藝生產(chǎn)出的中厚板板材的各項(xiàng)指標(biāo)：板材的最大厚度為23 mm，抗拉強(qiáng)度達(dá)到570 MPa，沖擊吸收能量也超過47 J。

3 結(jié)語

目前，與發(fā)達(dá)國家相比，我國的中厚板TMCP 工藝體系較為薄弱，正處在探索階段，尤其在應(yīng)用過程中，仍然存在許多問題與不足，因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)當(dāng)虛心借鑒先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)與成功的應(yīng)用案例，不斷對TMCP 工藝流程進(jìn)行優(yōu)化，并持續(xù)提升TMCP 專業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)，在響應(yīng)國家“節(jié)能降耗”號(hào)召的前提下，生產(chǎn)出更多高質(zhì)量、高性能的中厚板板材。