神户制钢在中厚板领域的核心技术及产品_图文

1、世界金属导报/2010年/1月/26日/第020版质量品种神户制钢在中厚板领域的核心技术及产品肖英龙神户制钢公司(简称神钢 加古川制铁所中厚板厂自1968年投产以来，至今已向造船、建筑、桥梁、能源、产业机械等用户适时提供了大量高功能厚板。其最大的特点是为用户提供的产品能在大热量输入焊接中确保HAZ(焊接热影响区 韧性，从而缩短工期，降低施工成本。从前，为了抑制大热量输入焊接HAZ 的(A组织粗大化，促进(F组织生成，在生产中采取了以下对策:一是进行有效利用TiN 析出物的KST(神户超级韧性 处理；二是即使在有利于提高焊缝性的低成分钢上，也采用可确保高强度的控轧和加速冷却工艺(KCL工艺 ，这

2、也被称作神钢的TMCP 技术。这些工艺的应用满足了用户对产品的需求。然而，近年来伴随钢结构的大型化而引起的钢材高强度化和厚壁化，用户一直要求采用大热量输入焊接技术。在此背景下，重新将低碳多方位贝氏体的组织控制技术作为核心技术进行开发，并实用化。该技术除钢的低碳化之外，还适量地加入弱碳化物形成元素。在大热量输入焊接HAZ 细化了贝氏体组织，并减少了MA 的岛状硬化组织，从而确保了优良的HAZ 韧性。现在神钢超级韧性钢系列已实现了商品化，并获得了厚板领域用户的高度评价。TMCP 技术因设置了最大压力为5000t 级的多功能矫直机，引进了可在线精确控制钢板全长的板厚、平直度和材料特性的PROME 系

3、统等，并自主开发了部分设备和控制技术。因此，可大量稳定地生产尺寸、板形、质量均质性都十分优良的大热量输入焊接用钢。而且，该技术解决了源自板面内残余应力不均匀分布的应变变形等问题，从而实现“无变形”钢板的实用化，提高了厚板加工的生产率和精度。下面概要介绍神钢在厚板领域的核心技术:“低碳多方位贝氏体技术”和“TMCP 技术”的最新动向；同时介绍采用神钢自主的核心技术而开发的有特点的厚板产品。1提高大热量输入焊接HAZ 韧性的组织控制技术过去在神钢，作为大热量输入焊接的对应技术是以析出TiN 、抑制焊接时晶粒粗大化而开发的促进析出的KST 技术，将之与TMCP 技术组合，即可同时获得良好的HAZ 韧

4、性和母材高强度和高韧性。另外，为了进一步满足更高层次的高强度化和对大热量输入HAZ 韧性的要求，也对原技术进行了改进和新技术开发。下面介绍为改善HAZ 韧性而采取的三项措施及相关的技术进步:抑制熔融线附近晶粒的粗大化；减少MA(M-A岛状硬化组织 ；细化晶粒内的相变组织。将TiN 粒子细化分散是抑制晶粒粗大化的有效方法。但当焊接输入热量50KJ/mm时，其抑制效果就不充分。这是由于大热量输入焊接时，熔融线附近温度1400而使大部分TiN 固溶了，因而不能充分发挥抑制晶粒粗大化的效果。作为其对策，虽有建议增加Ti 加入量以增大高温下残余TiN 的量，但因TiN 的粗大化而不能确保HAZ 韧性。为

5、此，神钢研究了板坯连铸时钢中TiN 粒子的析出行为。结果表明，由于进行了TUN 平衡的最佳化及所进行的合金成分设计能促进Ti 的扩散，并使TiN 易粗大化的铁素体温度范围狭窄化，从而成功将TiN 粒子细化分散，抑制了大热量输入焊接时，其HAZ 部晶粒的粗大化。降低钢(板 中的碳含量即可减少MA 。若因焊接使处于高温下的HAZ 变成相，在其后冷却发生的相变中，碳就会向未相变的中富集，从而使稳定化。因此，钢中碳含量的降低，抑制了碳向未相变的中富集而可减少MA 的生成。在模拟大热量输入焊接的受热过程中，比较含碳0.10%的钢和含碳0.03%的钢的生成组织。结果表明:0.10%碳钢的MA 较粗大，其体

6、积分率占3.8%；而0.03%碳钢的MA 细化了，体积分率仅占1 1%。关于晶粒内相变组织的微细化，过去是利用促进晶粒内的生成来进行相变组织的细微化，但因对焊接HAZ 变成贝氏体单相的高强度钢不能使用，故为了改善大热量输入焊接时的HAZ 韧性，必须细化由生成的贝氏体组织。因此，神钢在利用钢的低碳化大幅度减少钢中MA 组织之后，还进行了独特的合金成分设计，促进了HAZ 贝氏体组织的细化。调查了钢的合金成分对低C 贝氏体组织形态的影响，发现了加Nb 、Mo 和Mn 等钢种的不同形态变化。综合这些研究得知，利用成分设计即可提高晶核生成频率、并使结晶方位不规则化，进而有效细化贝氏体组织，故神钢一直将成

7、分设计技术“低C 多方位贝氏体技术”用于各种高强度钢的开发。2为制造高功能钢的TMCP 技术TMCP 技术在厚板制造技术中占有重要位置。因该技术可进行最佳的控轧控冷，故可获得高质量产品。神钢于20世纪80年代引进了控轧技术和控冷设备，至今一直广泛用作生产造船和建筑等领域的高功能钢板。在TMCP 工艺中，因是在低温区域轧制而细化了晶粒，并引入了加工应变而在其后的相变中增大了晶核生成部位密度；且在加速冷却中，以其晶核生成部为起点而生成细小，或因得到相变组织而实现母材的高强度化、高韧性化。为此，确立了以下三项必不可少的技术。在轧制工序中，根据目标材质的适当温度区域进行适当轧制的控轧技术。在冷却工序中

8、，根据各种目标材质的最佳冷却条件(含冷速、始冷与终冷温度 的加速冷却设备及控冷技术。在对TMCP 钢板进行剪切等加工时，为了将有可能引起钢板变形的内部应变(残余应力 降至适当水平，而确立的钢板出厂残余应力评价减低技术。下面概要介绍加古川制铁所的TMCP 技术。作为以轧制进行材质控制的体系，2001年开发引进了PROME 系统。在原来的控轧中，为了控制板厚、板形达到目标值而设定了轧制曲线(也称道次程序 。该系统内嵌了可在线计算材质的预测模型，除控制板厚、板形之外，为了控制材质达到目标值，进行了可确保在适当温度区域压下量的道次程序设计，从而可大幅度减少材质波动。该制铁所的加速冷却设备于1983年投

9、产，其后为了满足厚壁高强度的需求，增强了冷却能力(最大冷速 。现在配置了4种不同形式的喷嘴，分别适用于不同材质和尺寸的钢材的冷却。如可以将25mm 厚钢材的冷速控制在438/s内，并且该设备对始冷温度和终冷温度也可以充分满足宽范围的冷却条件要求。另外，2005年还在冷却设备前设置了矫直机，从而提高了冷前钢板的平直度，也平衡了钢板的均匀冷却性能。原来的TMCP 钢板在切断加工和焊接时曾因变形而降低施工效率，并产生附加矫直工序的弊端。这源于钢板内部积蓄的应变(残余应力 ，这个问题是在生产过程中仅仅因钢板温度不均匀而造成的。到现在为止，为使钢板温度均匀化，在加热、轧制和冷却中采取了一系列的对策，具体

10、措施如图1所示。另一方面，为了将残余应力水平控制到允许值以下，引进了综合残余应力控制系统。该系统以制造实绩为基础，对每块钢板的残余应力和用户纵剪钢板时因残余应力引起的变形量进行了预测。当其超过允许值时，就要采取手段降低残余应力。矫直机是控制残余应力的手段之一，神钢于1999年引进了最大压力5000t 的多功能矫直机，有效促进了钢板残余应力的均匀化。采用本技术的钢板因将其残余应力水平降低到允许值以下，故未发生源自残余应力的变形。另外，由于有效利用了多功能矫直机和PROME 轧制，可将在钢板切断加工、焊接和弯曲加工时产生的变形量波动降至极限。以下概要介绍具有这些特性以及各具优良性能的厚板产品系列。

11、3各具特点的厚板产品3.1超大型集装箱船用可大热量输入焊接的YP460级钢板随着集装箱船的大型化，为满足对上甲板周边提出的高强度化要求而开发了YP460MPa 级厚钢板。在采用了PROME 系统和强冷TMCP 技术的同时，还利用微量Nb 和Ti 等元素的加入及钢的低C 。(碳当量 化，使钢板具有高强度、高韧性、优良焊接性及高的断裂韧性。在大热量输入焊接时，进行了单电极CO2气保护电焊(简称SEGARC 焊 ，输入热量为42KJ/mm。对焊缝的夏比冲击试验结果表明，平均冲击吸收能53J ，所有的值都37J ，即焊缝特性优良。因此，该钢板可以提高船体安全性和造船效率。3.2无变形钢板此钢板消除了原

12、来TMCP 钢板存在的变形和形状问题，因而能在造船和桥梁领域提高钢结构的制造精度并减少工时。无变形钢板包括将残余应力波动降至低水平的无变形钢板和除此以外还将屈服应力波动降至原来钢板1/6的超级无变形钢板。前者适用于船体和桥梁的直线部位，而后者则适用于船和桥的曲面部位。实际应用结果表明:无变形钢板在条材、横向板、外壳板的切断和焊接工程中，超级无变形钢板在船首、船尾弯曲部的热弯曲加工中，都获得了将工时数大幅度减少百分之几十的效果。3.3低温用加速冷却型Al 镇静钢板此钢板用作LPG(液化石油气 船贮罐和二次防护壁材，并具有优良低温韧性和HAZ 韧性。特别是由于控轧和加速冷却，使其在轧制状态下就兼具

13、了高强度和高韧性；最大限度地利用了KCL 工艺和能改善大热量输入焊接HAZ 韧性的KST 处理，该钢板的力学性能见表1。从表1可以看出，该钢板在满足了夏比冲击吸收能规格值的同时，还具有断面转变温度(FATT低-到91的优良低温韧性。并且，在获得钢的低C 。化等的设计方面也持续作出努力，使该钢板可以适用于各种大热量输入焊接施工。除LPG 运输船之外，对运输液化氨的多用途船，则要求提高耐应力腐蚀裂纹性和低温HAZ 韧性。为此，将钢的碳含量降至0.05%，并进行PROME 轧制条件的严格管理，从而可防止HAZ 硬化，实现了母材的低YRR 和此低温用钢的产品化。3.4建筑结构用高强度钢材在钢结构建筑物

14、领域，一直存在提高耐震安全性、超高层化、增加居住空间、增强美观性并降低施工成本等方面的需求。因此，对钢板和构件的强度水平与特性具有各种各样的要求。原来一直使用SN400/490、TMCP 3 2 5/3 5 5、SA440等TS400590MPa 级低YRR 钢板。但近年都要求高强度780MPa 钢板和550MPa 级这些中间强度的钢板，以及用于弹性设计的高屈服点(YP400和500MPa 级 钢板等。表2所示的开发钢在2007年后取得了日本国土交通省大臣的认定。高屈服点减震器等，以限于弹性范围的设计为前提，可以在比原来同一TS(抗拉强度 水平钢板更高设计标准强度下进行合理设计。预计2009年

15、开工兴建、计划2011年建成的塔楼式建筑、610m 高度的世界之最Tokyo sky tree将会大量采用神钢的高屈服点钢管KSAT400/500，在塔顶可能采用780MPa 级钢管KSAT630。在高层楼房也增大了对TMCP355、TMCP385(KCL A385 和TMCP400(KCL A400的需求。神钢采用TMCP 技术生产的厚板获得了稳定的母材质量和与原490MPa 级钢同样的焊接性及大热量输入焊接HAZ 韧性。780MPa 级钢板KBSA630利用低碳多方位贝氏体技术，提高了HAZ 韧性，并获得了高的耐焊接裂纹性。虽在高楼大梁已有应用实绩，但仍然在对将之用于高楼柱材的可行性进行持

16、续深入研讨。表3为这些开发钢的化学成分和力学性能。由于对所有的TMCP 条件和热处理条件进行了最佳化，在充分满足了母材强度、韧性规格值要求的同时，还利用低Pcm(焊接裂纹敏感性 的适当成分设计，减轻了焊接时的预热要求，改善了钢材的焊接施工性。3.5 Ni系高耐候钢板降低桥梁的寿命周期成本的目标是以最低限度的维护管理获得最大限度的长寿命。Ni 系耐候钢板就是为此用途开发的产品，特别是在海岸附近地域和在冬季散布了防冻剂的山间地区，即使在氯化物环境的严重腐蚀条件下，此钢板也可不涂漆(裸露 使用。采用普通钢SM490、JIS 耐候钢SMA490W 和神钢开发的高耐候钢，在加古川厂的海岸，年均飞来盐分量

17、为0.42mgNaCl/dm2/day，以及每周喷洒3%NaCl雾状溶液的(散布点盐分量相当于飞来盐分量1.4mgNaCl/dm2/day条件下进行了促进暴露试验。结果表明，开发钢未生成有害的腐蚀性剥离锈层，其板厚减少量仅为JIs 耐候钢SMA490W 的1/2，显示出优良的裸露耐蚀性。 此开发钢板为确保耐蚀性，须加入Cu 、Ni ；为利用腐蚀顶端部pH 值下降而提高氯化物耐蚀性，须不含Cr ；且为了抑制-会恶化表层稳定性和致密性的 FeOOH铁锈的生成，须加入较多的Ti 。这是神钢自主开发的成分设计，特别是有效利用了Ti 提高耐候性的效果，从而可将Ni 的加入量降至最低限度的1%，故具有优良

18、的低成本特性；加之对TMCP 工艺的有效利用，可将钢的Pcm 降至0.20%而降低焊接预热温度，并可进行大热量输入焊接，有利于提高工效、降低施工成本。3.6长寿命涂漆钢板此钢板主要用在为景观而涂漆的都市和盐分环境地域的桥梁。因漆膜下的钢材有抑制腐蚀的功能，因此可以延长重新涂漆的时间(即每次涂漆后的使用寿命延长 。钢材的成分设计在原使用的焊接结构钢材适用标准JIS G3106:SM材的范围内，并加入了Cu 、Ni 、高Ti 等成分(但不含Cr ，分别对各种元素的加入量进行了最佳化。将JIS 材作为对比钢，评价了开发钢在各种涂漆条件下的耐蚀性。这里采用了三种涂漆系:一是广泛使用的普通环境下的A 系(抑止油性锈的油漆+苯二甲酸树脂系 ；二是在严重腐蚀环境下使用的碳系(将含Zn 粉耐蚀耐热漆涂在底层后，再涂上第二层油漆 ；三