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E40高強船板鋼（化學成分）低碳微合金的開發
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2014-12-11
高強船板鋼要求良好的低溫沖擊韌性、高強度和良好的焊接性能。為了保證產品的性能，在國標GB712-2000規定的合理范圍內對其成分進行合理的設計，符合實際生產的條件。低碳、微合金化及控軋控冷是本次試制成分設計的依據。
船用結構鋼是造船工業不可缺少的原材料，隨著船用鋼材向著輕量化發展，對鋼板的質量和強度級別的要求不斷提高，因此研發高強級別船板鋼對于企業擴大市場份額、提高市場競爭力、增加效益都具有十分重要的意義。
1?設備及參數
在船板鋼的生產中，有以下幾個方面的變化：強度級別，由低強度級別向高強度級別發展；成分設計上，由高碳路線向低碳路線發展；合金加入方面：由單合金元素向多合金元素、復合合金化和微合金化發展。為了滿足上述變化，冶煉工藝也有了長足的進步。煉鋼方面，目前普遍采用轉爐冶煉；精煉方面，從LF爐精煉發展為LF和RH真空處理雙聯工藝。
在開發高強船板中采用的設備和主要參數如下：
①??公稱容量80t頂底復吹轉爐，底吹效果良好，出鋼量控制在100t；
②??100t的LF鋼包精煉爐，鋼包底部透氣磚兩塊，升溫速度2℃/min?~5℃/min；
③??雙工位RH真空處理裝置，循環流量為75t/min；
④??單流板坯連鑄機，斷面尺寸250mm×2400mm，全自動液面控制系統，長水口采用全程氬封保護澆鑄。
⑤??4300mm四輥可逆式中板軋機。
2?船板鋼化學成分設計
高強船板鋼要求良好的低溫沖擊韌性、高強度和良好的焊接性能。為了保證產品的性能，在國標GB712-2000規定的合理范圍內對其成分進行合理的設計，符合實際生產的條件。低碳、微合金化及控軋控冷是本次試制成分設計的依據。
(1)??低碳、低碳當量設計
在成分設計中，為了使鋼板具有良好的焊接性能和較好的低溫沖擊韌性，必須降低碳含量。因為碳是較強的固溶強化元素，能顯著提高鋼板的強度，但降低韌性和塑性，明顯惡化鋼板的焊接性能。為了保證良好的焊接性能，控制E40的碳當量Ceq≤0.36，其計算公式為：
Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+??V)/5?+(Ni+Cu)/15???????????????????????????????????(1)
公式1中的元素符號均表示該元素的質量分數。
因此，設計E40級船板鋼的C：0.050%~0.110%，Mn：0.90%~??0.16%。
(2)??微合金化設計
微合金化是指合金元素總含量小于0.1%的鋼。目前鋼種成分設計中普遍采用的微合金元素為鋁、鈮、釩、鈦。這些元素的特點是能與碳氮結合形成碳化物、氮化物和碳氮化物。這些化合物在高溫下溶解，在低溫下析出，其作用表現為：加熱時阻礙原始奧氏體晶粒長大；在軋制過程中抑制再結晶及再結晶后的晶粒長大；在低溫時能起到析出強化的作用。本次試制的E40級船板微合金設計采用：鋁、鈮和鈦。
鋁在鋼中除了有脫氧的作用外，還起到細化晶粒的作用，這是由于鋁在鋼中能與[N]形成細小彌散分布的難熔化合物[AlN]，起到沉淀強化的作用。一般來說，殘余在鋼中的微量鋁，對焊接性能影響不大，如果鋁做為合金元素大量加入，將使鋼的焊接性能變差。因此，鋼中的鋁含量控制在0.02%~0.04%。
鈮在鋼中形成穩定的化合物[NbCN]、[NbC]或是它們的固溶體，能延遲奧氏體晶粒的再結晶，當奧氏體向珠光體轉變時，能使鐵素體晶粒細化，起到提高強度和改善沖擊韌性的作用。鈮在低碳鋼中降低轉變溫度促使貝氏體組織的形成。
鈦能產生強烈的沉淀強化作用；加入少量的Ti，在鋼中能生成細小彌散的TiN顆粒，起到抑制加熱和軋制時的晶粒長大，有助于改善韌性，強度的提高也超過了鈮的作用，同時還可提高基體金屬和焊接熱影響區的低溫韌性。鈦的含量一般控制在0.02%以下，過多的鈦含量會引起鈦的氮化物粗化，對低溫韌性不好。
(3)??低的硫、磷含量
硫含量主要影響鋼的沖擊韌性，磷主要影響鋼的韌性，此外鋼中的硫化物夾雜對鋼的性能產生影響。根據潔凈鋼生產的要求，要求降低鋼中的磷、硫含量，使其控制在0.020%以內，提高鋼水的潔凈度。
3?冶煉工藝
(1)??冶煉工藝路線
冶煉工藝路線：鐵水脫硫預處理-100t氧氣頂底復吹轉爐-LF爐精煉-RH真空處理-板坯連鑄-檢驗。
(2)??冶煉工藝
為保證轉爐入爐鐵水的S含量，采用鐵水噴吹顆粒鎂脫硫預處理。處理前要求鐵水S≤0.050%，Si≤0.60%，根據脫硫前鐵水的S含量設定噴鎂量，脫硫后要求采用扒渣操作，扒渣要求干凈，保證處理效果，脫硫后要求S≤0.01%。
采用活性石灰快速及時造渣，吹煉時嚴禁爐渣返干，以保證爐渣良好的性能；為了保證低的爐渣氧化性，槍位高度要適當，一般爐渣中的FeO控制在20%以內；冶煉采用高拉碳一次補吹操作，終點控制C≤0.07%，P≤0.012%，S≤0.010%；終渣堿度按3.0~4.0控制；出鋼溫度控制在1660℃~1710℃；出鋼擋渣采用AMEPA下渣檢測與擋渣錐相結合，做好擋渣操作，下渣厚度控制在50mm以下，減少回P，出鋼用Al鐵進行脫氧。
LF爐精煉進行進一步脫硫、脫氧、去夾雜、調整鋼液的成分和溫度。LF爐的升溫速率為2℃/min~5℃/min，可以實現溫度的準確控制，控制精度范圍在±5℃；精煉過程中根據鋼液成分，對成分進行適時調整；精煉采用高堿度精煉渣，具有較強的脫硫和吸附夾雜的能力。精煉渣的用量為10?kg/t~15kg/t，精煉過程保證白渣的精煉時間>10min。精煉結束要求爐渣堿度R>4.0，低的氧化性（FeO+MnO）<1.5%，以保證脫硫、脫氧效果。為了滿足鋼中成分低C的要求，嚴格控制LF精煉過程中的C增量<0.02%。通過嚴格的控制，LF爐的脫硫率可以達到70%；鋼中的[O]控制在10ppm以內。
RH真空處理的鋼水循環量為75t/min；鋼水真空處理時間>15min，對鋼水進行脫[H]、[N]處理。真空處理結束時，鋼水中的[H]含量小于2.0ppm；真空處理過程，對鋼水的成分進行微調，滿足成分控制范圍。真空處理結束，向鋼包中喂SiCa線，對夾雜物進行變性處理，喂入量為3m/t；喂線后鋼包軟吹時間保證大于10min，保證夾雜物的充分上浮、去除。
采用單流弧形板坯連鑄機，鑄坯的斷面尺寸250mm×2400mm，長水口采用氬封保護澆鑄；中包覆蓋劑為低碳高堿度保護渣，中包到結晶器采用浸入式水口；中包溫度控制在1540℃~1550℃；拉速穩定控制在0.9m/min；采用全自動液面控制系統，液面波動控制在±3mm。
4?軋制工藝
(1)??軋制工藝流程
軋制工藝流程：加熱-除鱗-軋制-快速冷卻-矯直-冷床冷卻-定尺剪取樣-鋼板檢查-二級探傷-入庫。
(2)??軋制工藝
由于E40高強船板的性能要求較高，所以，在制定軋制工藝時，采用了TMCP工藝、高溫奧氏體再結晶軋制工藝、奧氏體非再結晶軋制工藝和水冷工藝，來達到細化奧氏體晶粒的目的。具體的軋制工藝規程如下：
①??加熱制度：加熱時間3?h~5h，加熱溫度1200℃~1300℃。
②??四輥軋機開軋溫度：1100?℃~1200℃；終軋溫度：780℃~880℃。
③??冷卻：終冷溫度620℃~??720℃，冷卻速率：10℃/s~20℃/s。
5?結論
（1）采用“鐵水脫硫預處理-100t氧氣頂底復吹轉爐-LF爐精煉-RH真空處理-板坯連鑄”工藝可以生產高質量的船板鋼。
（2）以目前的煉鋼、軋鋼設備和工藝技術水平，具備了生產合格E40高強船板鋼的要求，試制的產品完全符合國標GB712-2000標準要求。
（3）生產實踐證明：E40高強船板鋼的成分設計、煉鋼和軋鋼工藝路線的制定都是科學合理的。
（4）船板鋼的低碳微合金化路線和TMCP相結合，能滿足各項性能指標的要求。
（5）穩定生產是實現E40級高強船板批量生產和提高性能的努力方向。
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