超厚抗层状撕裂性能用钢板的开发

　　提高超厚钢板的抗层状撕裂性能一直以来是世界各大中厚板制造企业致力解决的问题。本文论述了舞钢超厚抗层状撕裂性能用钢板的质量保证措施，客观地评价了钢板的实物质量水平，指出了舞钢超厚抗层状撕裂性能用钢板完全能够替代锻件和进口钢板应用于大型工程项目。

　　1前言

　　提高超厚钢板的抗层状撕裂性能一直以来是世界各大中厚板制造企业致力解决的问题，同时也是国产中厚板与国外高质量中厚板的主要性能差距所在，这一问题长期以来影响着国产中厚板在大型工程项目中的应用。

　　近年来，随着风电、水电、核电、海洋平台、石油化工压力容器等大型装备行业的迅猛发展，市场对大厚度（厚度200mm以上要求Z35性能）大单重的抗层状撕裂钢板需求量逐年增大，长期以来由于缺乏必要的生产、技术设备，大厚度（＞200mm）的抗层状撕裂钢板往往依赖于锻造或从国外进口，严重制约了我国水电站、核电站、海洋平台和大型石油化工压力容器设备建设的发展。

　　基于国内大型工程项目的需要，舞钢公司对超厚抗层状撕裂用钢板的开发进行了积极投入，针对影响超厚抗层状撕裂性能的多种因素进行了深入细致的分析，提出了具体的质量保证措施和工艺路线，在促进实现国产化方面走在了前列。目前可代替锻铸件钢板最大厚度已达410mm，最大单重38t，Z向性能指标完全满足锻件要求。从2000年开始先后为国家风电、水电、核电、海洋平台工程、石化压力容器等项目提供了相当数量的钢板用于制造冷压力容器、海上采油平台、水电站巨型水轮发电机组、焊接钢结构以及核电站结构件等设备，产品的实物质量完全满足大型项目用钢设计和实际应用的需要，博得了使用部门的高度评价。在此基础上舞钢代表行业起草了抗层状撕裂用钢的国家标准GB/T5313-2010，厚度范围扩大到了400mm,明确了超厚抗层状撕裂性能钢板在大型工程项目中的具体要求，有力的推动和促进了国产超厚抗层状撕裂性能钢板的发展。

　　2超厚抗层状撕裂钢板的研制出发点

　　所谓层状撕裂是一种受多种冶金因素和机械因素制约而造成焊接钢结构破坏的复杂现象。从冶金学方面讲，钢板出现层状撕裂的主要原因是：钢中的硫化锰非金属夹杂、硅酸盐系和氧化铝系夹杂、氢、氧气体夹杂和铸造缺陷等形成的剥离裂纹源。若钢中的硫含量过高和有粗大的硫化锰非金属夹杂存在，当钢坯进行热加工时，在高温下硫化锰夹杂易于变形而被拉长，在平行钢板轧制表面方向上则形成细长的大片硫化锰夹杂，即剥离性裂纹源。当钢板厚度方向承受一定的拉伸应力时，首先通过非金属夹杂物与钢材基体界面的剥离或非金属夹杂物的破裂而形成微孔和微裂纹。之后是因微孔或微裂纹之间钢材基体的破坏而造成同一平面上相邻微孔或微裂纹连接成为裂纹。最后通过垂直剪切使相邻平面上的裂纹连接成阶梯状裂纹，造成焊接钢结构的破坏。

　　抗层状撕裂钢是一类保证厚度方向力学性能的低合金钢。当轧制钢板进行多层角焊或钢板厚度方向受到一定拉伸应力时，在平行钢板轧制表面方向不出现或不易出现剥离性裂纹的低合金高强度钢板材，称为抗层状撕裂钢。它是一种用途非常重要的专用钢板，用于制造大型压力容器、核电站结构用钢板、海上采油平台、水电站巨型水轮发电机组设备等。以上设备结构受力复杂，对安全可靠性和寿命等要求很高，同时随着钢板厚度的不断增加，金属结构的层状撕裂问题变得越来越突出，这就决定了超厚抗层状撕裂钢板的研制要遵循以下原则：

　　1）能够抵御钢板厚度方向受到一定拉伸应力，当钢板进行多层角焊或受到一定拉伸应力时，在平行钢板轧制表面方向不出现或不易出现剥离性裂纹；

　　2）较高的纯净度，尽可能减少可变形夹杂物（硫化物和硅酸盐夹杂物）和非变性夹杂物（铝酸盐），较低的气体含量；

　　3）均匀的组织（尽可能降低带状组织），尽可能降低偏析；

　　4）良好的冲击韧性；

　　5）超声波探伤级别。

　　3 超厚抗层状撕裂性能用钢质量保证措施

　　在生产超厚抗层状撕裂性能用钢板过程中，完全按照ISO9000质量保证体系制定了严格的质量计划和内控质量标准，组织并控制生产中的各个环节，采取“精料、精炼、精轧、精热处理”等技术措施，降低钢中硫含量，减少硫化锰等非金属夹杂物；采取钙处理控制硫化锰等非金属夹杂物的形状，使硫化锰非金属夹杂物球化和细化，令其在高温下热加工时不易形成片状和条状硫化锰夹杂；采用低速大压下的轧制工艺；采用合适的工艺路线等以充分保证超厚抗层状撕裂性能用钢板达到技术要求，并最大限度提高钢板的实物质量。超厚抗层状撕裂钢板工艺流程如图1所示。

　　3.1洁净钢冶炼工艺

　　超厚抗层状撕裂性能钢板由于其大厚度的特殊性，要达到其内外一致的性能，必须保证钢板基体组织致密无缺陷，这就要求钢材在冶炼时具有非常高的纯净度，才能保证钢板基体的质地均匀。舞钢通过控制夹杂物、气体含量和钙处理工艺，能够批量生产P≤0.008%、S≤0.002%的高纯净度钢水，大大提升了钢水的纯净度。

　　3.1.1超低硫控制工艺

　　硫是超厚抗层状撕裂性能钢板中有害的元素之一，它严重恶化超厚板抗层状撕裂性能，导致特厚板各向异性。因此，舞钢超厚抗层状撕裂性能钢板对硫含量要求非常苛刻。舞钢通过优化LF精炼渣，将曼内斯曼指数MI 控制在0.25-0.35 之间，同时充分利用LF精炼后期高温进行脱硫，此时采用大气量搅拌钢液，促进钢渣的混合，促进脱硫动力学条件形成。舞钢通过采用以上一系列技术措施，超厚板S含量可达到20ppm以下，达到国内领先水平。

　　3.1.2夹杂物的控制工艺

　　3.1.2.1优化炉渣成分

　　精炼过程中先喂入一定量的铝线或铝粒脱氧，使钢中溶解氧降到一定水平后再加入电石、硅铁等脱氧剂，这样不易生成硅的氧化物夹杂，从而降低硅酸盐夹杂的生成机率。渣料少量多批加入，白渣气氛保持时间不小于15min，有效降低渣中（FeO）含量（从55%左右降到了28%左右）同时适当提高了渣中Al2O3的含量（从13%左右提高到30%左右）。

　　3.1.2.2吹氩控制

　　氩气流量过小或过大均不能满足去除夹杂和气体的目的，在实际生产过程中，真空吹氩：前15min大氩气，流量≥50+50L/min，后10min，调小氩气，双（10- 20）L/min。钙处理后，生成的变性夹杂物上浮需一定的软吹时间，以保证细小的夹杂物充分上浮。

　　3.1.3钢液钙处理工艺

　　优化Ca处理剂喂入的速度、钢水的温度、钢水的流动性、钢水的搅拌时间和搅拌强度促进夹杂物的上浮，有效地降低钢中夹杂物总量，钢液钙处理后夹杂物的尺寸主要集中在2.5μm以下并且外形呈球状，细微、弥散分布的夹杂物不会对钢板造成不利影响。

　　3.2大板坯电渣重熔工艺

　　电渣重熔冶炼工艺是确保抗层状撕裂性能特厚钢板各项性能指标的保证，大厚度板坯电渣锭良好的内部质量（高纯净度和致密的结晶组织）是保证抗层状撕裂性能特厚钢板良好Z向性能的关键因素。

　　3.2.1普通钢锭生产超厚钢板和采用电渣重熔技术生产超厚钢板的差异

　　钢锭厚度较大时，凝固过程中内部组织疏松严重，同时4200mm轧机实际单道次轧制压下量较小，在轧制厚度130mm以上钢板时，钢锭芯部几乎没有渗透变形，实践证明相对电渣重熔工艺，尽管该工艺生产成本较低，但内部质量与电渣重熔钢锭仍然差距很大。

　　任选取一支电渣锭横向解剖，酸浸低倍腐蚀后未发现宏观裂纹、偏析、疏松等缺陷（见图2）。

　　由此可以看出：采用电渣重熔工艺生产超厚抗层状撕裂用钢板内部质量优良。

　　3.2.2电渣重熔工艺的选择

　　制定合理的抽锭工艺，最大限度发挥二次冷却作用，根据不同钢种，采用与之匹配的渣系，熔速控制在20-25kg/min左右；采用风冷加速冷却；采用干燥气体保护等措施有效的提高了电渣钢锭的内部质量

　　3.3超厚板轧制和热处理工艺

　　保证钢锭均匀透烧，便于道次压下量的增加，使形变得以充分渗透，轧制时采用大变形系数轧制，有利于破碎合金钢锭或钢坯的枝晶偏析及碳化物，改变铸态组织，使钢板厚度方向组织性能趋于均匀。

　　电渣锭铸态组织经过合适正火或正火+回火热处理后，枝晶消失，组织变得均匀细小，强韧性能和Z向性能均有显著改善和提高。

　　由图3中的趋势可以看出，钢板Z向性能随压缩比的增加呈缓慢提高趋势，说明在保证一定的压缩比（＞2）并辅以适宜的热处理工艺手段，完全可以满足超厚钢板Z向性能的要求。

　　4超厚抗层状撕裂性能用钢板的开发应用及实物质量

　　4.1开发应用

　　自2000年以来，舞钢利用先进的工艺技术及装备，在与国内外钢厂的竞争中先后承接了 压力容器、海上采油平台、水电站巨型水轮发电机组、焊接钢结构以及核电站结构件等设备用超厚抗层状撕裂性能用钢板的供货合同，开发了超厚抗层状撕裂性能用钢板数万吨，所涉及到的主要钢种为：

　　1）压力容器用钢板SA516Gr70（HIC）、 Q345R（R-HIC）、Q345R-Z35 钢种，用于制造荆门石化冷高压分离器、土库曼斯坦项目用压力容器、核电站结构件等。

　　2）海洋平台用钢板EH36-Z35等钢种，用于制造海上采油平台等。

　　3）低合金结构钢板Q345D/Z25等钢种，用于制造大型结构件等。

　　4）水电用钢板S355J2+N/Z35、S500Q/Z35、S355J2/Z35等钢种，用于制造水电站发电机组等。

　　4.2实物质量

　　舞钢生产的超厚抗层状撕裂用钢板的实物质量优良，抗层状撕裂性能不仅完全满足供货技术条件，而且有很大的富裕量。钢板具有高纯净度、高塑性、高韧性、组织细密均匀、抗层状撕裂能力强、焊接性能良好等特点，大批量为石油化工、海上采油平台、低合金结构钢和水电站发电机组等大型工程项目供货，取得了大量的供货业绩，其典型牌号的低倍组织结果见表1和图4，断口照片见图5，实物力学性能见表2和图5，国内外实物水平对比见表3。

表1   低倍组织检验结果

注：取样位置为板宽1/4处

表2   厚度方向À­伸实物水平

表3   国内外实物水平对比

　　由上述实物水平可以看出：舞钢采用合适的工艺路线和工艺保证措施生产的超厚抗层状撕裂用钢板夹杂物、P、S和气体含量低，钢质纯净，低倍组织致密，反映出钢板具有良好的内部质量，有效地保证了抗层状撕裂性能；统计结果表明大部分Z向拉伸指标在40%-70%之间，抗层状撕裂性能并没有因为钢板厚度和单重的增大而大幅度的下降；同时舞钢公司生产的超厚抗层状撕裂性能钢板实物质量优良，达到并超过国外同类水平。

　　5 结论

　　1）舞钢通过采用洁净钢生产技术、电渣重熔技术、合理的加热轧制热处理技术等一系列的质量保证措施和合适的工艺路线生产的超厚抗层状撕裂用钢板夹杂物、P、S和气体含量低，钢质纯净，低倍组织致密，尤其是抗层状撕裂性能优良，抗层状撕裂性能并没有因为钢板厚度和单重的增大而大幅度的下降。

　　2）舞钢成熟的工艺和质量保证措施生产的超厚抗层状撕裂用钢板，完全可以代替锻造工艺和进口钢板广泛用于大型压力容器、核电站结构用钢板、海上采油平台、水电站巨型水轮发电机组等设备的制造。 （莫德敏 肖雄峰 宋向前 李建立 陈起）

信息来源：《世界金属导报》