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E40高强船板钢（化学成分）低碳微合金的开发
发布人：上海艾荔艾金属材料有限公司www.shailiai.com
更新时间：2014-12-11
高强船板钢要求良好的低温冲击韧性、高强度和良好的焊接性能。为了保证产品的性能，在国标GB712-2000规定的合理范围内对其成分进行合理的设计，符合实际生产的条件。低碳、微合金化及控轧控冷是本次试制成分设计的依据。
船用结构钢是造船工业不可缺少的原材料，随着船用钢材向着轻量化发展，对钢板的质量和强度级别的要求不断提高，因此研发高强级别船板钢对于企业扩大市场份额、提高市场竞争力、增加效益都具有十分重要的意义。
1 设备及参数
在船板钢的生产中，有以下几个方面的变化：强度级别，由低强度级别向高强度级别发展；成分设计上，由高碳路线向低碳路线发展；合金加入方面：由单合金元素向多合金元素、复合合金化和微合金化发展。为了满足上述变化，冶炼工艺也有了长足的进步。炼钢方面，目前普遍采用转炉冶炼；精炼方面，从LF炉精炼发展为LF和RH真空处理双联工艺。
在开发高强船板中采用的设备和主要参数如下：
① 公称容量80t顶底复吹转炉，底吹效果良好，出钢量控制在100t；
② 100t的LF钢包精炼炉，钢包底部透气砖两块，升温速度2℃/min ~5℃/min；
③ 双工位RH真空处理装置，循环流量为75t/min；
④ 单流板坯连铸机，断面尺寸250mm×2400mm，全自动液面控制系统，长水口采用全程氩封保护浇铸。
⑤ 4300mm四辊可逆式中板轧机。
2 船板钢化学成分设计
高强船板钢要求良好的低温冲击韧性、高强度和良好的焊接性能。为了保证产品的性能，在国标GB712-2000规定的合理范围内对其成分进行合理的设计，符合实际生产的条件。低碳、微合金化及控轧控冷是本次试制成分设计的依据。
(1) 低碳、低碳当量设计
在成分设计中，为了使钢板具有良好的焊接性能和较好的低温冲击韧性，必须降低碳含量。因为碳是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板的强度，但降低韧性和塑性，明显恶化钢板的焊接性能。为了保证良好的焊接性能，控制E40的碳当量Ceq≤0.36，其计算公式为：
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+ V)/5 +(Ni+Cu)/15 (1)
公式1中的元素符号均表示该元素的质量分数。
因此，设计E40级船板钢的C：0.050%~0.110%，Mn：0.90%~ 0.16%。
(2) 微合金化设计
微合金化是指合金元素总含量小于0.1%的钢。目前钢种成分设计中普遍采用的微合金元素为铝、铌、钒、钛。这些元素的特点是能与碳氮结合形成碳化物、氮化物和碳氮化物。这些化合物在高温下溶解，在低温下析出，其作用表现为：加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大；在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大；在低温时能起到析出强化的作用。本次试制的E40级船板微合金设计采用：铝、铌和钛。
铝在钢中除了有脱氧的作用外，还起到细化晶粒的作用，这是由于铝在钢中能与[N]形成细小弥散分布的难熔化合物[AlN]，起到沉淀强化的作用。一般来说，残余在钢中的微量铝，对焊接性能影响不大，如果铝做为合金元素大量加入，将使钢的焊接性能变差。因此，钢中的铝含量控制在0.02%~0.04%。
铌在钢中形成稳定的化合物[NbCN]、[NbC]或是它们的固溶体，能延迟奥氏体晶粒的再结晶，当奥氏体向珠光体转变时，能使铁素体晶粒细化，起到提高强度和改善冲击韧性的作用。铌在低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成。
钛能产生强烈的沉淀强化作用；加入少量的Ti，在钢中能生成细小弥散的TiN颗粒，起到抑制加热和轧制时的晶粒长大，有助于改善韧性，强度的提高也超过了铌的作用，同时还可提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性。钛的含量一般控制在0.02%以下，过多的钛含量会引起钛的氮化物粗化，对低温韧性不好。
(3) 低的硫、磷含量
硫含量主要影响钢的冲击韧性，磷主要影响钢的韧性，此外钢中的硫化物夹杂对钢的性能产生影响。根据洁净钢生产的要求，要求降低钢中的磷、硫含量，使其控制在0.020%以内，提高钢水的洁净度。
3 冶炼工艺
(1) 冶炼工艺路线
冶炼工艺路线：铁水脱硫预处理-100t氧气顶底复吹转炉-LF炉精炼-RH真空处理-板坯连铸-检验。
(2) 冶炼工艺
为保证转炉入炉铁水的S含量，采用铁水喷吹颗粒镁脱硫预处理。处理前要求铁水S≤0.050%，Si≤0.60%，根据脱硫前铁水的S含量设定喷镁量，脱硫后要求采用扒渣操作，扒渣要求干净，保证处理效果，脱硫后要求S≤0.01%。
采用活性石灰快速及时造渣，吹炼时严禁炉渣返干，以保证炉渣良好的性能；为了保证低的炉渣氧化性，枪位高度要适当，一般炉渣中的FeO控制在20%以内；冶炼采用高拉碳一次补吹操作，终点控制C≤0.07%，P≤0.012%，S≤0.010%；终渣碱度按3.0~4.0控制；出钢温度控制在1660℃~1710℃；出钢挡渣采用AMEPA下渣检测与挡渣锥相结合，做好挡渣操作，下渣厚度控制在50mm以下，减少回P，出钢用Al铁进行脱氧。
LF炉精炼进行进一步脱硫、脱氧、去夹杂、调整钢液的成分和温度。LF炉的升温速率为2℃/min~5℃/min，可以实现温度的准确控制，控制精度范围在±5℃；精炼过程中根据钢液成分，对成分进行适时调整；精炼采用高碱度精炼渣，具有较强的脱硫和吸附夹杂的能力。精炼渣的用量为10 kg/t~15kg/t，精炼过程保证白渣的精炼时间>10min。精炼结束要求炉渣碱度R>4.0，低的氧化性（FeO+MnO）<1.5%，以保证脱硫、脱氧效果。为了满足钢中成分低C的要求，严格控制LF精炼过程中的C增量<0.02%。通过严格的控制，LF炉的脱硫率可以达到70%；钢中的[O]控制在10ppm以内。
RH真空处理的钢水循环量为75t/min；钢水真空处理时间>15min，对钢水进行脱[H]、[N]处理。真空处理结束时，钢水中的[H]含量小于2.0ppm；真空处理过程，对钢水的成分进行微调，满足成分控制范围。真空处理结束，向钢包中喂SiCa线，对夹杂物进行变性处理，喂入量为3m/t；喂线后钢包软吹时间保证大于10min，保证夹杂物的充分上浮、去除。
采用单流弧形板坯连铸机，铸坯的断面尺寸250mm×2400mm，长水口采用氩封保护浇铸；中包覆盖剂为低碳高碱度保护渣，中包到结晶器采用浸入式水口；中包温度控制在1540℃~1550℃；拉速稳定控制在0.9m/min；采用全自动液面控制系统，液面波动控制在±3mm。
4 轧制工艺
(1) 轧制工艺流程
轧制工艺流程：加热-除鳞-轧制-快速冷却-矫直-冷床冷却-定尺剪取样-钢板检查-二级探伤-入库。
(2) 轧制工艺
由于E40高强船板的性能要求较高，所以，在制定轧制工艺时，采用了TMCP工艺、高温奥氏体再结晶轧制工艺、奥氏体非再结晶轧制工艺和水冷工艺，来达到细化奥氏体晶粒的目的。具体的轧制工艺规程如下：
① 加热制度：加热时间3 h~5h，加热温度1200℃~1300℃。
② 四辊轧机开轧温度：1100 ℃~1200℃；终轧温度：780℃~880℃。
③ 冷却：终冷温度620℃~ 720℃，冷却速率：10℃/s~20℃/s。
5 结论
（1）采用“铁水脱硫预处理-100t氧气顶底复吹转炉-LF炉精炼-RH真空处理-板坯连铸”工艺可以生产高质量的船板钢。
（2）以目前的炼钢、轧钢设备和工艺技术水平，具备了生产合格E40高强船板钢的要求，试制的产品完全符合国标GB712-2000标准要求。
（3）生产实践证明：E40高强船板钢的成分设计、炼钢和轧钢工艺路线的制定都是科学合理的。
（4）船板钢的低碳微合金化路线和TMCP相结合，能满足各项性能指标的要求。
（5）稳定生产是实现E40级高强船板批量生产和提高性能的努力方向。
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