宋繼強(qiáng)，李 偉，萬福哲，李振興，張德勇

（日鋼營口中板有限公司遼寧省中厚板專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 營口 115000）

1 前言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國正從船舶制造大國向船舶制造強(qiáng)國邁進(jìn)［1］。根據(jù)船舶用途以及使用環(huán)境的多變性、復(fù)雜性，船舶制造領(lǐng)域?qū)︿撹F材料提出了高強(qiáng)度、高韌性、易焊接、長壽命和低成本的要求。隨著船舶逐漸向大型化、高速化、自動(dòng)化的趨勢發(fā)展，高強(qiáng)船板在造船業(yè)中的使用比例不斷升高，船殼鋼材耗量占全船重量的60%左右，其中高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼占15%～18%，且比例還在不斷提高［2］。本文主要通過對(duì)某鋼廠的12～50 mm的A級(jí)、D級(jí)32 kg及36 kg船板強(qiáng)度性能不合問題進(jìn)行分析，找出高強(qiáng)船板強(qiáng)度性能穩(wěn)定性的關(guān)鍵影響因素，并予以改善，以提高高強(qiáng)船板的性能穩(wěn)定性。

2 化學(xué)成分與軋制工藝

2.1 成分設(shè)計(jì)

12～50 mm的A級(jí)、D級(jí)32 kg及36 kg船板對(duì)強(qiáng)度、低溫韌性及焊接性能要求較高，通常采用低C、高M(jìn)n以及添加Nb、Ti微合金化元素的成分設(shè)計(jì)思路［3］。綜合分析C、Mn、Nb、Ti等合金元素的強(qiáng)化作用，以及對(duì)低溫韌性、焊接性能的影響，結(jié)合裝備水平與控制精度，某鋼廠12～50 mm的A級(jí)、D級(jí)32 kg及36 kg船板成分設(shè)計(jì)見表1（Ti、Nb適量）。

表1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

2.2 軋制工藝設(shè)計(jì)

近幾年，水紋缺陷是用戶反映較多且改善訴求較為強(qiáng)烈的缺陷問題。為改善船板水紋問題，通過對(duì)船板水紋產(chǎn)生機(jī)理的研究，并結(jié)合大量生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，軋制工藝采用“高終軋、低終冷”思路進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠顯著改善船板的水紋問題［4］，即提高軋制階段終止溫度，減少鋼板在軋制過程中的待溫時(shí)間，抑制二次氧化鐵皮的產(chǎn)生，從而減少水紋缺陷的產(chǎn)生。

同時(shí)，為避免在軋制階段因未再結(jié)晶區(qū)變形量小可能導(dǎo)致的強(qiáng)度余量不足問題，在水冷工序采用低終冷工藝設(shè)計(jì)。一方面通過細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充［5］；另一方面針對(duì)部分厚度規(guī)格，在一定冷速條件下，將返紅溫度下降至臨近Bs溫度或以下，通過產(chǎn)生少量比例的過冷組織（貝氏體等），對(duì)組織進(jìn)行進(jìn)一步強(qiáng)化，從而保證強(qiáng)度余量適宜，性能穩(wěn)定2。

3 強(qiáng)度性能不合影響因素分析

某鋼廠2021年上半年12～50 mm的A級(jí)、D級(jí)32 kg及36 kg船板共出現(xiàn)的強(qiáng)度性能不合情況中，屈服強(qiáng)度低占27.12%，抗拉強(qiáng)度高或抗拉強(qiáng)度高、斷后伸長率低占72.88%。

3.1 屈服強(qiáng)度低

對(duì)2021年上半年屈服強(qiáng)度低性能不合批次進(jìn)行工藝追溯發(fā)現(xiàn)，工藝異常主要為返紅溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，以及精軋終軋溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求。針對(duì)以上工藝異常批次進(jìn)行金相檢驗(yàn)，并結(jié)合工藝設(shè)計(jì)分析如下。

3.1.1 返紅溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求

典型批次顯微組織如圖1所示，鐵素體占比65%、珠光體占比35%，晶粒度8.0級(jí)，無貝氏體組織。結(jié)合軋制工藝設(shè)計(jì)思路分析，采用高終軋的軋制溫度設(shè)計(jì)，將于Tnr溫度的20～50℃以下結(jié)束軋制，軋制階段僅有3～7道次是在未再結(jié)晶區(qū)軋制，晶粒細(xì)化不足，Nb等合金元素的強(qiáng)化作用未得到充分釋放，導(dǎo)致軋制階段強(qiáng)度儲(chǔ)備不足，需后續(xù)水冷工序進(jìn)行補(bǔ)充。當(dāng)返紅溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，在影響細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化效果的同時(shí)，過冷度不足導(dǎo)致了無過冷組織或過冷組織所占比例較小，從而無法在水冷工序?qū)?qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度低性能不合。

圖1 返紅溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求導(dǎo)致屈服強(qiáng)度低的顯微組織

3.1.2 精軋終軋溫度高于標(biāo)準(zhǔn)要求

典型批次顯微組織如圖2所示，鐵素體占比65%、珠光體占比35%。存在混晶現(xiàn)象，最大晶粒度為8.0級(jí)，最小晶粒度為9.5級(jí)。

圖2 精軋終軋溫度高于標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致屈服強(qiáng)度低的顯微組織

精軋階段的控軋，主要目的為在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行大壓下量軋制，在鋼板內(nèi)部生成大量的變形帶、亞晶、位錯(cuò)等晶體結(jié)構(gòu)，作為鐵素體形核的核心，從而實(shí)現(xiàn)增加晶粒數(shù)量，實(shí)現(xiàn)細(xì)晶強(qiáng)化。如精軋階段在Tnr溫度以上結(jié)束軋制，或在未再結(jié)晶區(qū)壓下量較少（未再結(jié)晶區(qū)軋制道次數(shù)量＜3道次），則會(huì)導(dǎo)致組織細(xì)化不足，晶粒粗大且均勻性不佳，影響鋼板的韌性，從而導(dǎo)致屈服強(qiáng)度低或沖擊性能不佳。

3.2 抗拉強(qiáng)度高或抗拉強(qiáng)度高、伸長低性能不合分析

對(duì)2021年上半年抗拉強(qiáng)度高或抗拉強(qiáng)度高、伸長低性能不合批次進(jìn)行工藝追溯發(fā)現(xiàn)，工藝異常主要為返紅溫度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，以及冷速異常。針對(duì)以上工藝異常批次進(jìn)行金相檢驗(yàn)，并結(jié)合工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

3.2.1 水冷溫度低

如圖3所示，鐵素體占比15%、貝氏體占比75%、魏氏組織占比10%，鋼板厚度的近表、1/4位置及1/2位置均出現(xiàn)大量的貝氏體、魏氏組織。

圖3 水冷溫度低導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度高的顯微組織

當(dāng)水冷溫度低于標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，鋼板內(nèi)產(chǎn)生了大量的貝氏體、魏氏體等過冷組織，導(dǎo)致組織內(nèi)強(qiáng)度積累高于標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)惡化了組織的塑性與韌性，導(dǎo)致抗拉高或抗拉高、伸長低性能不合。

3.2.2 冷速過大

典型批次顯微組織見圖4，鐵素體占比45%、珠光體15%、貝氏體20%、魏氏組織20%，鋼板厚度的近表、1/4位置及1/2位置出現(xiàn)大量的貝氏體、魏氏組織。

圖4 冷速過大導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度高的顯微組織

典型批次實(shí)際冷速為18.04℃/s，2021年上半年同鋼種、同規(guī)格平均冷速約為3.04℃/s，冷速過大導(dǎo)致產(chǎn)生了大量過冷組織，影響組織的塑性與韌性，導(dǎo)致抗拉高或抗拉高、伸長低性能不合。

3.3 分析小結(jié)

采用“高終軋、低終冷”的軋制工藝設(shè)計(jì)，對(duì)軋制階段強(qiáng)度儲(chǔ)備不足進(jìn)行補(bǔ)充，水冷過程以快速冷卻方式，通過細(xì)晶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化以及相變強(qiáng)化提升材料強(qiáng)度。然而，通過快速冷卻過程實(shí)現(xiàn)組織的強(qiáng)化，水冷過程需在30～40 s內(nèi)將溫度下降150～200℃，對(duì)水冷設(shè)備能力要求嚴(yán)苛。水冷效果即工藝命中情況、冷速以及水冷均勻性，又受到環(huán)境溫度、測溫裝置準(zhǔn)確性、水冷設(shè)備穩(wěn)定性、輥道速度、水量、水溫等因素影響，不易于穩(wěn)定控制，從而成為影響高強(qiáng)船板性能穩(wěn)定性的突出因素。

4 改進(jìn)思路與效果

綜合以上分析發(fā)現(xiàn)，水冷效果為高強(qiáng)船板強(qiáng)度性能穩(wěn)定性的主要影響因素，需予以改進(jìn)優(yōu)化。

（1）改進(jìn)思路。根據(jù)目前船板水紋缺陷整體情況，在各產(chǎn)線逐步推進(jìn)降終軋、提終冷工藝試驗(yàn)，并跟蹤性能變化趨勢與水紋缺陷情況，尋找強(qiáng)度性能穩(wěn)定性與水紋缺陷控制的最佳節(jié)點(diǎn)，在提升性能穩(wěn)定性的同時(shí)，控制水紋缺陷產(chǎn)生。

（2）改進(jìn)效果。在某鋼廠一條產(chǎn)線進(jìn)行工藝試驗(yàn)，將12～50 mm的A級(jí)，D級(jí)32、36 kg船板終軋溫度降低約20℃，水冷溫度提升約20℃。從試驗(yàn)結(jié)果來看，調(diào)整后屈服強(qiáng)度無明顯變化，抗拉強(qiáng)度降低約10 MPa，斷后伸長率提升約2%，沖擊功提升約15 J，強(qiáng)度性能過程能力水平CPK由1.14提升至1.34，水紋缺陷發(fā)生率未有升高，后續(xù)將在其他產(chǎn)線逐步推廣。

5 結(jié)語

（1）12～50 mm的A級(jí)，D級(jí)32、36 kg船板強(qiáng)度性能穩(wěn)定性的主要影響因素是精軋階段控軋效果、水冷效果，以及成分的符合性，其中水冷效果為主要影響因素。

（2）水冷效果，受人員操作水平、水冷設(shè)備控制精度、環(huán)境溫度、冷卻水水溫與水量、測溫裝置準(zhǔn)確性等多因素影響，不易于穩(wěn)定控制。某鋼廠當(dāng)前執(zhí)行的“高終軋、低終冷”工藝設(shè)計(jì)，存在一定質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步優(yōu)化、細(xì)化。

（3）優(yōu)化“高終軋、低終冷”工藝設(shè)計(jì)，尋找強(qiáng)度性能穩(wěn)定性與水紋缺陷控制的最佳節(jié)點(diǎn)，是提升高強(qiáng)船板強(qiáng)度性能穩(wěn)定性的可行方式之一。從試驗(yàn)結(jié)果來看，強(qiáng)度過程能力水平CPK由1.14提升至1.34，水紋缺陷發(fā)生率無明顯變化，可在其他產(chǎn)線進(jìn)一步推廣。