宋繼強，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)技術創(chuàng)新中心，遼寧 營口 115000）

1 前言

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國正從船舶制造大國向船舶制造強國邁進［1］。根據(jù)船舶用途以及使用環(huán)境的多變性、復雜性，船舶制造領域對鋼鐵材料提出了高強度、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、自動化的趨勢發(fā)展，高強船板在造船業(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，其中高強度船體結構用鋼占15%～18%，且比例還在不斷提高［2］。本文主要通過對某鋼廠的12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板強度性能不合問題進行分析，找出高強船板強度性能穩(wěn)定性的關鍵影響因素，并予以改善，以提高高強船板的性能穩(wěn)定性。

2 化學成分與軋制工藝

2.1 成分設計

12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板對強度、低溫韌性及焊接性能要求較高，通常采用低C、高Mn以及添加Nb、Ti微合金化元素的成分設計思路［3］。綜合分析C、Mn、Nb、Ti等合金元素的強化作用，以及對低溫韌性、焊接性能的影響，結合裝備水平與控制精度，某鋼廠12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板成分設計見表1（Ti、Nb適量）。

表1 化學成分設計（質量分數(shù)）%

2.2 軋制工藝設計

近幾年，水紋缺陷是用戶反映較多且改善訴求較為強烈的缺陷問題。為改善船板水紋問題，通過對船板水紋產(chǎn)生機理的研究，并結合大量生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn)，軋制工藝采用“高終軋、低終冷”思路進行設計，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，為避免在軋制階段因未再結晶區(qū)變形量小可能導致的強度余量不足問題，在水冷工序采用低終冷工藝設計。一方面通過細晶強化和析出強化作用，對強度進行補充［5］；另一方面針對部分厚度規(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），對組織進行進一步強化，從而保證強度余量適宜，性能穩(wěn)定2。

3 強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、D級32 kg及36 kg船板共出現(xiàn)的強度性能不合情況中，屈服強度低占27.12%，抗拉強度高或抗拉強度高、斷后伸長率低占72.88%。

3.1 屈服強度低

對2021年上半年屈服強度低性能不合批次進行工藝追溯發(fā)現(xiàn)，工藝異常主要為返紅溫度高于標準要求，以及精軋終軋溫度高于標準要求。針對以上工藝異常批次進行金相檢驗，并結合工藝設計分析如下。

3.1.1 返紅溫度高于標準要求

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，無貝氏體組織。結合軋制工藝設計思路分析，采用高終軋的軋制溫度設計，將于Tnr溫度的20～50℃以下結束軋制，軋制階段僅有3～7道次是在未再結晶區(qū)軋制，晶粒細化不足，Nb等合金元素的強化作用未得到充分釋放，導致軋制階段強度儲備不足，需后續(xù)水冷工序進行補充。當返紅溫度高于標準要求時，在影響細晶強化和析出強化效果的同時，過冷度不足導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對強度進行補充，導致屈服強度低性能不合。

圖1 返紅溫度高于標準要求導致屈服強度低的顯微組織

3.1.2 精軋終軋溫度高于標準要求

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，最小晶粒度為9.5級。

圖2 精軋終軋溫度高于標準導致屈服強度低的顯微組織

精軋階段的控軋，主要目的為在未再結晶區(qū)進行大壓下量軋制，在鋼板內部生成大量的變形帶、亞晶、位錯等晶體結構，作為鐵素體形核的核心，從而實現(xiàn)增加晶粒數(shù)量，實現(xiàn)細晶強化。如精軋階段在Tnr溫度以上結束軋制，或在未再結晶區(qū)壓下量較少（未再結晶區(qū)軋制道次數(shù)量＜3道次），則會導致組織細化不足，晶粒粗大且均勻性不佳，影響鋼板的韌性，從而導致屈服強度低或沖擊性能不佳。

3.2 抗拉強度高或抗拉強度高、伸長低性能不合分析

對2021年上半年抗拉強度高或抗拉強度高、伸長低性能不合批次進行工藝追溯發(fā)現(xiàn)，工藝異常主要為返紅溫度低于標準要求，以及冷速異常。針對以上工藝異常批次進行金相檢驗，并結合工藝設計進行分析。

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 水冷溫度低導致抗拉強度高的顯微組織

當水冷溫度低于標準要求時，鋼板內產(chǎn)生了大量的貝氏體、魏氏體等過冷組織，導致組織內強度積累高于標準要求，同時惡化了組織的塑性與韌性，導致抗拉高或抗拉高、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 冷速過大導致抗拉強度高的顯微組織

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

3.3 分析小結

采用“高終軋、低終冷”的軋制工藝設計，對軋制階段強度儲備不足進行補充，水冷過程以快速冷卻方式，通過細晶強化、析出強化以及相變強化提升材料強度。然而，通過快速冷卻過程實現(xiàn)組織的強化，水冷過程需在30～40 s內將溫度下降150～200℃，對水冷設備能力要求嚴苛。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、測溫裝置準確性、水冷設備穩(wěn)定性、輥道速度、水量、水溫等因素影響，不易于穩(wěn)定控制，從而成為影響高強船板性能穩(wěn)定性的突出因素。

4 改進思路與效果

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

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

（2）改進效果。在某鋼廠一條產(chǎn)線進行工藝試驗，將12～50 mm的A級，D級32、36 kg船板終軋溫度降低約20℃，水冷溫度提升約20℃。從試驗結果來看，調整后屈服強度無明顯變化，抗拉強度降低約10 MPa，斷后伸長率提升約2%，沖擊功提升約15 J，強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 結語

（1）12～50 mm的A級，D級32、36 kg船板強度性能穩(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、水冷設備控制精度、環(huán)境溫度、冷卻水水溫與水量、測溫裝置準確性等多因素影響，不易于穩(wěn)定控制。某鋼廠當前執(zhí)行的“高終軋、低終冷”工藝設計，存在一定質量風險，需進一步優(yōu)化、細化。

（3）優(yōu)化“高終軋、低終冷”工藝設計，尋找強度性能穩(wěn)定性與水紋缺陷控制的最佳節(jié)點，是提升高強船板強度性能穩(wěn)定性的可行方式之一。從試驗結果來看，強度過程能力水平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)線進一步推廣。