對船板的質(zhì)量需求與時俱進
國際造船行業(yè)認(rèn)為，多年來，海運行業(yè)發(fā)生過的一系列嚴(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，在全球化的進程中，物流量不斷增長，其對各種各樣船舶的需求將相應(yīng)增長，比如油輪、LNG船(低溫下運輸液化天然氣專用船)、散貨船、集裝箱船、LPG船(運輸液化石油氣專用船)以及化學(xué)品運輸船等。
上述發(fā)展態(tài)勢，既導(dǎo)致船板的需求量快速增長，又導(dǎo)致船板的質(zhì)量出現(xiàn)了下列變化趨勢：
一是造船用鋼材的規(guī)格范圍變大，尺寸精度要求更高。通過調(diào)研，船廠普遍反映，船板越寬、越長越好。這主要是出于造船工藝的要求的考慮，船板寬而長有利于適應(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，造船廠對船板規(guī)格的要求有大型化的趨勢，寬度≥3m的船板用量將大幅上升，最大的船板規(guī)格要求達到4.5m×22.5m。但船廠也指出，船板要求寬和長，并不單純是因為船型變大，而是為了減少焊縫，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進級、負(fù)公差軋制的船板，定尺最大可到24m，尤其是對強度和表面質(zhì)量的要求更高。
二是高強度船板使用量越來越大。隨著船舶噸位的提高，造船業(yè)感到普通強度船體鋼強度不足。因為強度低，鋼廠就必須增加船板厚度，這樣不僅增加了制造過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(熱機械控制工藝)技術(shù)生產(chǎn)的普碳船板，這種船板具有強度高、焊接性能好和應(yīng)力小等特點。
三是低合金高強度鋼的比例將大幅度增加。船舶的專業(yè)化發(fā)展趨勢對輕量化提出了要求，因此，也將大量采用低合金高強度船板，尤其是微合金化高強度船板。低合金高強度船體鋼是普通低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼中的一個重要鋼種。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發(fā)，對船用鋼特別是高強度船用鋼提出了更多品種和更高質(zhì)量的要求。所以，各國船級社都投入大量的資金對耐海水腐蝕的低合金高強度鋼進行研制，而且基本上建立在本國富有且廉價的合金元素的基礎(chǔ)上，并向微量合金化方向發(fā)展，形成強韌匹配的等級系列。低合金高強度鋼在船舶建造中的用量呈不斷增加趨勢。
四是對船板性能及質(zhì)量要求越來越高。過去，散貨船一般要求船板質(zhì)量級別在D級以下，品種有20多個。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別，品種達1200多個，并向F級、Z向鋼船板和型材發(fā)展。針對船用鋼板對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。對此，船廠希望鋼廠開發(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，表面質(zhì)量好仍然是船廠特別強調(diào)的一個質(zhì)量指標(biāo)。另外，IMO(國際海事組織)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。
五是對船板抗脆性破壞的要求更強烈。近年來，船舶觸礁、碰撞等事故頻頻發(fā)生，造成重大人員傷亡、經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。對此，一些發(fā)達國家對船體結(jié)構(gòu)，如對舷側(cè)板、甲板和加強筋，使用的高抗裂性能鋼板制定了新的船舶等級標(biāo)準(zhǔn)。
為順應(yīng)上述發(fā)展趨勢，國內(nèi)外鋼廠都積極實施新技術(shù)，全力為用戶提供高性能的船板，從而提高生產(chǎn)率;通過改善材料的強度、斷裂韌性、疲勞強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)過程中，各鋼廠十分注重精心設(shè)計合金成分，并運用在線形變熱處理、軋制和冷卻過程中的應(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，也就是控制軋制和在線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化的軋制生產(chǎn)中在線完成，從而軋制出高強度、高韌性、高焊接性的管線用鋼和船板鋼、高強度結(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、控制冷卻各個環(huán)節(jié)中的晶粒細(xì)化，可以提高鋼的強度。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程中，彌散的鈮析出相通過釘扎作用阻止奧氏體晶粒長大粗化。在隨后的軋制各工序中，當(dāng)軋制溫度達到900℃或更高時，奧氏體在再結(jié)晶過程中發(fā)生重組，并不斷得到細(xì)化。同時，軋制過程中產(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)變和位錯得以積累。所以，在軋制結(jié)束時，積累的應(yīng)變和位錯為鐵素體轉(zhuǎn)變提供了許多形核點(晶界突出部件、變形帶等)。
在軋后冷卻奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過程中，鋼中的鈮通過推遲奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變增加了相變過飽和度，同時鐵素體基體中鈮析出相通過析出強化機制進一步提高鋼的強度。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。
努力阻止高強厚鋼板脆性裂紋
近些年，隨著物流業(yè)對運輸效率要求的不斷提高，大型船舶數(shù)量逐漸增加，對重載荷的高強度厚板的需求也在增加。對于集裝箱船來說，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70mm。
當(dāng)前，大線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)格的鋼板時的造船效率不至于下降。因此，通過綜合優(yōu)化合金成分和TMCP條件，開發(fā)在焊接熱影響區(qū)(HAZ)高韌性的鋼種，可以實施大線能量焊接。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。尤其是對于集裝箱船，從雙重安全保證(既要阻止脆性裂紋開裂，又要防止裂紋擴展)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展尤為重要。
目前，國內(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個方面的問題：一是通過防止脆性裂紋發(fā)生和改善母材，阻止脆性裂紋擴展，提高斷裂韌性;二是通過提高船體尺寸和強度(降低鋼板厚度)，提高運輸和燃油效率;三是通過運用大熱輸入量焊接，提高造船生產(chǎn)率。
