田玉新 陸建生 趙 欣

（寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院，上海 201900）

在LNG海上運輸行業(yè)，船是連接天然氣液化廠和LNG接收站的重要工具，必須能在常溫常壓下安全運輸-163℃液化天然氣［1-3］。貨艙圍護系統(tǒng)是LNG船的核心，主要由絕熱絕緣層和因瓦合金保護薄膜構(gòu)成。由于因瓦合金具有特殊的物理性能和化學(xué)成分，其熱膨脹率接近零，-163℃低溫下的力學(xué)性能、疲勞性能和沖擊性能均十分優(yōu)良，是最適合運輸和儲存LNG的金屬材料。LNG船的貨艙圍護系統(tǒng)為雙層結(jié)構(gòu)，采用0.5～3.0 mm厚的因瓦合金冷軋帶材制作，對帶材的性能、尺寸精度及板形等要求十分苛刻，制造難度極大。目前，國內(nèi)LNG船用因瓦合金帶材完全依賴進口。為打破國外公司的技術(shù)壟斷，提高我國LNG船的競爭力，寶鋼2013年開始對LNG船用因瓦合金帶材進行了系統(tǒng)的研究。本文主要介紹寶鋼開發(fā)的LNG船用因瓦合金帶材的質(zhì)量和性能水平。

1 主要技術(shù)難點

（1）LNG船用因瓦合金帶材以0.7 mm厚的為主，最薄的0.5 mm，對其純凈度要求很高。根據(jù)合金的特點，成功開發(fā)了高純凈度冶煉工藝及連鑄工藝，達到了帶材的技術(shù)要求。

（2）LNG船用因瓦合金帶材的尺寸精度要求極高，0.7 mm厚帶材的厚度公差為±0.03 mm，側(cè)彎要求每m小于0.5 mm，50 m長度小于3 mm。如果側(cè)彎過大或者存在不均衡應(yīng)力，帶材折邊后將不能拼焊，因此其平直度控制極為重要。根據(jù)這些要求，成功開發(fā)了適合LNG船用因瓦合金帶材的冷加工工藝，達到了產(chǎn)品的尺寸精度和平直度要求。

（3）因瓦合金在高溫下易發(fā)生選擇性氧化，加熱過程中坯料表面會形成鐵和鎳的氧化物與基體金屬組成的蜂窩狀氧化層，熱軋除鱗時難以徹底清除，導(dǎo)致熱軋帶材表面有密集的氧化物壓入，影響冷軋生產(chǎn)。為了避免產(chǎn)品表面出現(xiàn)這種密集的氧化物壓入缺陷，成功開發(fā)了特殊的板坯加熱工藝和熱連軋工藝，較好地解決了熱軋帶鋼的表面氧化問題，保證了冷軋工序的順利進行。

（4）對LNG船用因瓦合金帶材的低溫性能要求很高，需測定-180～0℃的膨脹性能及-196℃的拉伸性能和沖擊性能。通過成分和工藝控制，使產(chǎn)品獲得了優(yōu)良的低溫膨脹性能和力學(xué)性能，能確保LNG船圍護系統(tǒng)安全運行。

由于克服了上述生產(chǎn)LNG船用因瓦合金帶材的技術(shù)難點，寶鋼在全球范圍內(nèi)率先成功試制出了厚0.5～3.0 mm、寬1 000 mm以上、單卷質(zhì)量近20 t的LNG船用因瓦合金冷軋帶材。圖1為厚度0.7 mm的LNG船用因瓦合金冷軋帶材。

2 產(chǎn)品質(zhì)量和性能

2.1 成分偏析

因瓦合金的主要元素是Ni，含量（質(zhì)量分數(shù)，下同）為36.5%左右。LNG船用因瓦合金的膨脹性能和低溫性能主要決定于Ni的含量，因此Ni的偏析將直接影響帶材的使用性能。對寶鋼生產(chǎn)的與進口的0.7 mm厚帶材采用電子探針進行了對比分析，結(jié)果如圖2所示。圖2表明，寶鋼因瓦合金帶材Ni含量沿厚度的波動幅度約為2%，而進口帶材約為4%，即寶鋼因瓦合金帶材的Ni元素偏析更小。其原因主要是，寶鋼因瓦合金采用連鑄工藝生產(chǎn)，而進口因瓦合金采用模鑄工藝生產(chǎn)，模鑄工藝冷卻條件差，而且鋼錠截面尺寸較大，更容易產(chǎn)生元素偏析。Ni元素偏析小能確保低溫下組織穩(wěn)定，在-196℃下仍無局部馬氏體相變發(fā)生，確保因瓦合金帶材能在低溫下安全可靠地使用。

圖2 寶鋼生產(chǎn)的與進口的因瓦合金冷軋帶材橫截面上的Ni元素分布Fig.2 Profiles of nickel at cross-section of Baosteel-produced and imported cold-rolled Invar alloy strips

2.2 純凈度分析

為了滿足帶材的冷軋要求及使用要求，需嚴格控制合金的純凈度。采用無水電解分析法對寶鋼和進口的0.7 mm厚因瓦合金帶材進行了純凈度分析，結(jié)果見圖3和表1。從圖3可以看出，進口帶材夾雜物的尺寸明顯比寶鋼帶材大。表1為尺寸≥5μm夾雜物數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果，統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，進口帶材每立方毫米的夾雜物數(shù)量明顯多于寶鋼帶材，約是寶鋼帶材的5.5倍，說明寶鋼生產(chǎn)的因瓦合金帶材純凈度很高，明顯優(yōu)于進口帶材。

圖3 寶鋼帶材（a）與進口帶材（b）的夾雜物形貌Fig.3 Inclusions in（a）the Baosteel-produced and（b）the imported strips

表1 進口帶材與寶鋼帶材中尺寸≥5μm夾雜物數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistical amounts of inclusionsmeasuring≥5μm in the imported and the Baosteelproduced strips

2.3 微觀組織

LNG船用因瓦合金的微觀組織對帶材的板形和使用性能影響較大，若組織不均勻，將產(chǎn)生組織應(yīng)力，帶材的平直度將達不到要求，直接影響帶材的焊接性能。組織應(yīng)力過大還會導(dǎo)致焊縫開裂。圖4為經(jīng)退火的0.7 mm厚因瓦合金帶材寬度方向不同部位的顯微組織，圖4（a）和4（b）分別為帶材的邊緣和中心?？梢钥闯觯瑤Р膶挾确较虻慕M織較均勻細小，晶粒度為8.5級，均為奧氏體再結(jié)晶組織，邊緣和中心組織無明顯差別，因而組織應(yīng)力小，可以極大地保證帶材的平直度及在低溫下使用的安全性。

圖4 寶鋼冷軋因瓦合金帶材邊緣（a）和中心（b）的顯微組織Fig.4 Microstructures in the（a）edge and（b）center of cold-rolled Invar alloy strip produced in Baosteel

2.4 膨脹性能

膨脹性能是考察LNG船用因瓦合金帶材質(zhì)量的最重要的指標，要求-180～0℃的膨脹系數(shù)在（1.5±0.5）×10-6℃-1范圍內(nèi)。測定了3個爐號合金的膨脹性能，每個爐號取兩個試樣，測試結(jié)果見表2。從表2可以看出，3個爐號因瓦合金的膨脹系數(shù)均滿足要求，且每個爐號2個試樣的膨脹系數(shù)非常接近。膨脹性能主要取決于化學(xué)成分，膨脹性能滿足要求說明合金的化學(xué)成分合理。2個試樣的膨脹性能較一致說明材料的成分均勻性也較好。

2.5 力學(xué)性能

要求LNG船用因瓦合金帶材具有較高的低溫力學(xué)性能。測定了厚度為0.5～3.0 mm的冷軋帶材的力學(xué)性能，結(jié)果如表3所示。從表3可以看出，不同厚度帶材的室溫和低溫拉伸性能均滿足標準要求，而且?guī)Р牡目v向和橫向低溫拉伸性能比較一致，說明材料的均勻性較好。帶材的斷后伸長率一般均大于40%，高于30%標準值，尤其是-196℃的沖擊性能優(yōu)良，比標準值大1倍左右。帶材在低溫下具有優(yōu)良的力學(xué)性能，可保障LNG船低溫圍護系統(tǒng)的安全運行。

表2 3個爐號因瓦合金-180～0℃的膨脹系數(shù)Table 2 Expansion coefficients of the three heats of Invar alloy within range of-180℃ to 0℃×10-6℃-1

表3 不同厚度帶材的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the strips of different thicknesses

2.6 焊接性能

2.6.1 抗熱裂性能

根據(jù)相關(guān)標準要求，采用十字焊接熱裂試驗測定了寶鋼生產(chǎn)的LNG船用1.5 mm厚冷軋因瓦合金帶材的抗熱裂性能。先焊一條橫向焊縫（圖5中1），當試樣加載后焊第二條焊縫（圖5中2）。焊接后的因瓦合金帶材形貌如圖5所示。十字焊縫中間部位的低倍形貌如圖6和圖7所示，可以看出，在第二道焊縫的加熱和拉伸載荷的綜合作用下，第一道焊縫并沒有出現(xiàn)焊接裂紋，表現(xiàn)出了較好的抗焊接熱裂性能。

圖5 焊接的因瓦合金帶材Fig.5 Welded Invar alloy strip

2.6.2 搭接焊試驗

按相關(guān)標準要求對寶鋼1.5和0.7 mm厚因瓦合金帶材進行了搭接焊試驗，包括自動立焊和自動仰焊，結(jié)果如圖8、圖9和表4所示。圖8是立焊焊縫的低倍形貌，圖9是仰焊焊縫的低倍形貌。表4中e1和E2表示帶材的厚度，L a、R和P表示焊縫成形的3個特征尺寸。

圖6 十字焊縫正面的低倍形貌Fig.6 Macrograph of the front of crossweld

焊接試驗結(jié)果表明，焊縫的特征值 L a為1.6～1.8 mm，符合≥1.3 mm的要求；特征值R為0.9～1.0 mm，符合≥0.8 mm要求；特征值P為0.7mm，符合0.20～0.70 mm要求。焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，母材與焊縫過渡平緩。

4 結(jié)論

（1）通過開發(fā)特殊的制造工藝，寶鋼率先成功試制出了厚0.5～3.0 mm、寬1 000 mm以上、單卷質(zhì)量近20 t的LNG船用冷軋因瓦合金帶材。

（2）寶鋼開發(fā)的LNG船用因瓦合金帶材純度高，夾雜物含量低于國外同類產(chǎn)品；成分偏析小，Ni含量波動幅度在2%以內(nèi)；組織均勻，邊緣和中心組織無明顯差異。

圖7 十字焊縫上半部分（a）和下半部分（b）的正面低倍形貌Fig.7 Macroscopic photographies of the front of upper（a）and lower（b）part of crossweld

圖8 1號（a）和2號（b）試樣立焊焊縫的低倍形貌Fig.8 Macrographs of the vertically welded specimens No.1（a）and No.2（b）

圖9 3號（a）和4號（b）試樣仰焊焊縫的低倍形貌Fig.9 Macrographs of the overhead-welded specimens No.3（a）and No.4（b）

表4 搭接焊試驗結(jié)果Table 4 Results of the lap welding test

（3）寶鋼開發(fā)的LNG船用因瓦合金帶材的膨脹性能符合（1.5±0.5）×10-6℃-1的要求，其力學(xué)性能優(yōu)異，焊接性能良好，能滿足LNG船用因瓦合金的使用要求。