對(duì)船板的質(zhì)量需求與時(shí)俱進(jìn)
國(guó)際造船行業(yè)認(rèn)為，多年來(lái)，海運(yùn)行業(yè)發(fā)生過(guò)的一系列嚴(yán)重事故，直接地或間接地是由船用鋼板的脆性斷裂、疲勞失效或腐蝕引起的。另外，在全球化的進(jìn)程中，物流量不斷增長(zhǎng)，其對(duì)各種各樣船舶的需求將相應(yīng)增長(zhǎng)，比如油輪、LNG船(低溫下運(yùn)輸液化天然氣專(zhuān)用船)、散貨船、集裝箱船、LPG船(運(yùn)輸液化石油氣專(zhuān)用船)以及化學(xué)品運(yùn)輸船等。
上述發(fā)展態(tài)勢(shì)，既導(dǎo)致船板的需求量快速增長(zhǎng)，又導(dǎo)致船板的質(zhì)量出現(xiàn)了下列變化趨勢(shì)：
一是造船用鋼材的規(guī)格范圍變大，尺寸精度要求更高。通過(guò)調(diào)研，船廠普遍反映，船板越寬、越長(zhǎng)越好。這主要是出于造船工藝的要求的考慮，船板寬而長(zhǎng)有利于適應(yīng)大分段等造船工藝要求，提高造船效率。
隨著造船生產(chǎn)組織高效化、船舶大型化，為了減少焊接量、提高船體質(zhì)量，造船廠對(duì)船板規(guī)格的要求有大型化的趨勢(shì)，寬度≥3m的船板用量將大幅上升，最大的船板規(guī)格要求達(dá)到4.5m×22.5m。但船廠也指出，船板要求寬和長(zhǎng)，并不單純是因?yàn)榇妥兇螅菫榱藴p少焊縫，提高造船效率。此外，船廠還要求船板生產(chǎn)廠能夠提供按0.5mm進(jìn)級(jí)、負(fù)公差軋制的船板，定尺最大可到24m，尤其是對(duì)強(qiáng)度和表面質(zhì)量的要求更高。
二是高強(qiáng)度船板使用量越來(lái)越大。隨著船舶噸位的提高，造船業(yè)感到普通強(qiáng)度船體鋼強(qiáng)度不足。因?yàn)閺?qiáng)度低，鋼廠就必須增加船板厚度，這樣不僅增加了制造過(guò)程中加工焊接的難度和成本，還增加了船體自重，降低了載重量。因此，造船廠提出了使用高強(qiáng)度船體鋼的要求。船廠希望鋼廠能夠更多地提供采用TMCP(熱機(jī)械控制工藝)技術(shù)生產(chǎn)的普碳船板，這種船板具有強(qiáng)度高、焊接性能好和應(yīng)力小等特點(diǎn)。
三是低合金高強(qiáng)度鋼的比例將大幅度增加。船舶的專(zhuān)業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)輕量化提出了要求，因此，也將大量采用低合金高強(qiáng)度船板，尤其是微合金化高強(qiáng)度船板。低合金高強(qiáng)度船體鋼是普通低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中的一個(gè)重要鋼種。隨著船舶和海洋工程的不斷發(fā)展，特別是大陸架近海石油的開(kāi)發(fā)，對(duì)船用鋼特別是高強(qiáng)度船用鋼提出了更多品種和更高質(zhì)量的要求。所以，各國(guó)船級(jí)社都投入大量的資金對(duì)耐海水腐蝕的低合金高強(qiáng)度鋼進(jìn)行研制，而且基本上建立在本國(guó)富有且廉價(jià)的合金元素的基礎(chǔ)上，并向微量合金化方向發(fā)展，形成強(qiáng)韌匹配的等級(jí)系列。低合金高強(qiáng)度鋼在船舶建造中的用量呈不斷增加趨勢(shì)。
四是對(duì)船板性能及質(zhì)量要求越來(lái)越高。過(guò)去，散貨船一般要求船板質(zhì)量級(jí)別在D級(jí)以下，品種有20多個(gè)。隨著集裝箱船等船型的發(fā)展，船板的品種幾乎涵蓋所有級(jí)別，品種達(dá)1200多個(gè)，并向F級(jí)、Z向鋼船板和型材發(fā)展。針對(duì)船用鋼板對(duì)耐海水腐蝕性能的高要求，目前鋼廠多采取加大鋼板厚度和增加涂層等方式予以解決。對(duì)此，船廠希望鋼廠開(kāi)發(fā)出能少用涂層甚至不用涂層，以及具有良好的耐海水腐蝕性能、薄一些的船用鋼板，以減少鋼板使用量和涂覆工作量。同時(shí)，表面質(zhì)量好仍然是船廠特別強(qiáng)調(diào)的一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)。另外，IMO(國(guó)際海事組織)提出了新的涂層標(biāo)準(zhǔn)要求，有關(guān)鋼鐵企業(yè)應(yīng)給予關(guān)注。
五是對(duì)船板抗脆性破壞的要求更強(qiáng)烈。近年來(lái)，船舶觸礁、碰撞等事故頻頻發(fā)生，造成重大人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。對(duì)此，一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)船體結(jié)構(gòu)，如對(duì)舷側(cè)板、甲板和加強(qiáng)筋，使用的高抗裂性能鋼板制定了新的船舶等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
為順應(yīng)上述發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)外鋼廠都積極實(shí)施新技術(shù)，全力為用戶(hù)提供高性能的船板，從而提高生產(chǎn)率;通過(guò)改善材料的強(qiáng)度、斷裂韌性、疲勞強(qiáng)度以及耐腐蝕耐候性能，提高鋼板焊接的效率。
鈮在TMCP中扮演重要角色
在船板的研發(fā)過(guò)程中，各鋼廠十分注重精心設(shè)計(jì)合金成分，并運(yùn)用在線(xiàn)形變熱處理、軋制和冷卻過(guò)程中的應(yīng)變和熱循環(huán)，以得到所期望的組織。TMCP技術(shù)結(jié)合了軋制和軋后冷卻工藝，可以顯著拓寬鋼板生產(chǎn)的控制范圍，并且可以使鋼的晶粒尺寸明顯減小。TMCP代表了一項(xiàng)控制工藝的革新，完全區(qū)別于傳統(tǒng)的熱軋和熱處理工藝。
TMCP技術(shù)是以控軋和控冷技術(shù)的組合為特點(diǎn)，也就是控制軋制和在線(xiàn)熱處理的綜合處理手段。TMCP技術(shù)使傳統(tǒng)的熱處理工藝在形變強(qiáng)化的軋制生產(chǎn)中在線(xiàn)完成，從而軋制出高強(qiáng)度、高韌性、高焊接性的管線(xiàn)用鋼和船板鋼、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用鋼。
鈮和鈦等微合金化元素在船板的控制組織方面扮演著重要的角色。事實(shí)上，往鋼中添加微量的任何微合金化元素，都有助于鋼板在加熱、軋制、控制冷卻各個(gè)環(huán)節(jié)中的晶粒細(xì)化，可以提高鋼的強(qiáng)度。究其原因，是鈮在鋼中以固溶或與碳和氮結(jié)合形成析出相的形式存在，以及與再結(jié)晶間的交互作用。
在軋制之前的鑄坯加熱過(guò)程中，彌散的鈮析出相通過(guò)釘扎作用阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大粗化。在隨后的軋制各工序中，當(dāng)軋制溫度達(dá)到900℃或更高時(shí)，奧氏體在再結(jié)晶過(guò)程中發(fā)生重組，并不斷得到細(xì)化。同時(shí)，軋制過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變能促使鈮生成細(xì)小的析出相，在軋制后期釘扎奧氏體晶粒，阻止其再結(jié)晶，有效保證了奧氏體不斷被扁平化，使應(yīng)變和位錯(cuò)得以積累。所以，在軋制結(jié)束時(shí)，積累的應(yīng)變和位錯(cuò)為鐵素體轉(zhuǎn)變提供了許多形核點(diǎn)(晶界突出部件、變形帶等)。
在軋后冷卻奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，鋼中的鈮通過(guò)推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿讼嘧冞^(guò)飽和度，同時(shí)鐵素體基體中鈮析出相通過(guò)析出強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度。因此，即使往鋼中添加極少量(0.01%鈮)的微合金化元素也是非常有用的。
努力阻止高強(qiáng)厚鋼板脆性裂紋
近些年，隨著物流業(yè)對(duì)運(yùn)輸效率要求的不斷提高，大型船舶數(shù)量逐漸增加，對(duì)重載荷的高強(qiáng)度厚板的需求也在增加。對(duì)于集裝箱船來(lái)說(shuō)，400MPa的鋼板用于可承載8000TEU集裝箱的船舶，意味著鋼板的厚度要超過(guò)70mm。
當(dāng)前，大線(xiàn)能量單道次焊接的方法已經(jīng)被廣泛采用，使得船廠在采用更厚規(guī)格的鋼板時(shí)的造船效率不至于下降。因此，通過(guò)綜合優(yōu)化合金成分和TMCP條件，開(kāi)發(fā)在焊接熱影響區(qū)(HAZ)高韌性的鋼種，可以實(shí)施大線(xiàn)能量焊接。采用TMCP技術(shù)細(xì)化母材金屬的組織和改善HAZ韌性，是目前防止脆性斷裂的兩項(xiàng)重要技術(shù)。隨著船舶的大型化，阻止脆性裂紋的難度增加。尤其是對(duì)于集裝箱船，從雙重安全保證(既要阻止脆性裂紋開(kāi)裂，又要防止裂紋擴(kuò)展)的角度出發(fā)，船廠非常期望鋼板具有足夠的止裂性能。大部分的脆性裂紋起始于焊接區(qū)域，因此沿著焊接接頭阻止裂紋擴(kuò)展尤為重要。
目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)出優(yōu)質(zhì)船板及其焊接方法，產(chǎn)品可用于巨型集裝箱船，可以成功解決以下3個(gè)方面的問(wèn)題：一是通過(guò)防止脆性裂紋發(fā)生和改善母材，阻止脆性裂紋擴(kuò)展，提高斷裂韌性;二是通過(guò)提高船體尺寸和強(qiáng)度(降低鋼板厚度)，提高運(yùn)輸和燃油效率;三是通過(guò)運(yùn)用大熱輸入量焊接，提高造船生產(chǎn)率。
