一、研究背景

中厚板產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于油氣輸送、船舶海工、橋梁建設(shè)，壓力容器、高強(qiáng)工程機(jī)械、建筑結(jié)構(gòu)等行業(yè)領(lǐng)域，中厚板產(chǎn)品是國家工業(yè)建設(shè)、城市建設(shè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防軍工的重要支撐材料。而高品質(zhì)厚板作為中厚板產(chǎn)品中的明珠，主要應(yīng)用于國家重大工程和重大裝備的承壓、承重等關(guān)鍵承力部件，如盾構(gòu)機(jī)的刀盤、風(fēng)電塔筒及門框、風(fēng)電安裝船的樁腿、高層建筑的箱柱底座等，高品質(zhì)厚板產(chǎn)品質(zhì)量直接影響國家工程的建設(shè)，但長期以來，高品質(zhì)厚板長期依賴進(jìn)口，立項之初，其制造技術(shù)一直存在三個方面的技術(shù)瓶頸，具體如下：

1、連鑄坯生產(chǎn)保探傷特厚鋼板技術(shù)。因鑄坯內(nèi)部缺陷和特厚鋼板的壓縮比受限等原因，保證特厚鋼板的探傷性能要求一直是行業(yè)難點(diǎn)，同時此類特厚鋼板往往應(yīng)用于關(guān)鍵的承力部件，如重型裝備的盾構(gòu)機(jī)采用180mm以上的特厚板，對其探傷性能要求滿足國標(biāo)Ⅰ級要求。傳統(tǒng)采用模鑄工藝生產(chǎn)特厚鋼板，因其能耗高、效率低，已無法滿足綠色高效的制造要求。因此，迫切需要開發(fā)低壓縮比連鑄坯生產(chǎn)保探傷特厚板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)連鑄坯生產(chǎn)180mm以上保探傷特厚板。

2、高強(qiáng)韌易焊接厚板制造技術(shù)。高強(qiáng)韌易焊接特厚板是決定焊接鋼結(jié)構(gòu)服役安全性的關(guān)鍵，如建筑用承力柱、桁架等部位要求100mm以上460MPa級厚板，為了保證鋼板的強(qiáng)韌性匹配，傳統(tǒng)采用正火工藝生產(chǎn)，因碳當(dāng)量高，焊接過程中易產(chǎn)生裂紋，對建筑結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生較大的隱患。而采用TMCP工藝生產(chǎn)大厚度高強(qiáng)度鋼板時，雖然采用低碳當(dāng)量可改進(jìn)焊接性，但TMCP工藝生產(chǎn)大厚度鋼板組織控制難度大，低溫韌性穩(wěn)定控制的技術(shù)瓶頸尚未突破。

3、在線淬火生產(chǎn)高強(qiáng)韌厚板制造技術(shù)。在碳達(dá)峰、碳中和背景下，為了降低能源消耗并減少碳排放，同時提高產(chǎn)品競爭力，行業(yè)內(nèi)普遍采用在線淬火工藝生產(chǎn)厚度≤50mm以下550MPa鋼板，但海洋工程領(lǐng)域的風(fēng)電安裝船的樁腿等行業(yè)設(shè)計需求厚度≥60mm、強(qiáng)度≥690MPa高強(qiáng)韌厚板，隨著世界能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和我國風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，對此類產(chǎn)品的需求將更加迫切，但在線淬火工藝生產(chǎn)難以獲得全厚度截面的馬氏體組織，導(dǎo)致鋼板韌性差一直是行業(yè)難題。

綜上所述，為了滿足重大工程對高品質(zhì)厚板需求，迫切需要突破高品質(zhì)特厚板生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸！

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

為滿足國家重大項目及重點(diǎn)工程的建設(shè)需求，本項目以國家科技支撐計劃為依托，針對厚度≥180mm特厚鋼板探傷質(zhì)量、TMCP工藝生產(chǎn)100mm厚460MPa級厚板組織難以調(diào)控以及厚度≥50mm厚板的在線淬火低溫韌性差等問題，開展保探傷特厚板、TMCP高強(qiáng)韌易焊接鋼板和在線淬火調(diào)質(zhì)鋼板等高品質(zhì)厚板的關(guān)鍵制造技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究。項目主要技術(shù)方案如圖1所示。

圖1技術(shù)方案

1、連鑄-探傷-高滲透軋制-坯材探傷一體化控制技術(shù)

鑄坯質(zhì)量是生產(chǎn)保探傷性能特厚板的基礎(chǔ)，而鑄坯評價是鑄坯內(nèi)部質(zhì)量控制的關(guān)鍵。傳統(tǒng)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量評價采用酸浸低倍法，該方法為局部取樣，偶然性大，無法全面、準(zhǔn)確反映鑄坯質(zhì)量。為此開發(fā)適用于鑄坯內(nèi)部質(zhì)量評價的超聲波探傷技術(shù)，通過研究探傷參數(shù)對超聲波形的影響，解決了傳統(tǒng)鋼板探傷技術(shù)在用于鑄坯探傷時噪波多、波形無法解析的問題，同時建立等效缺陷層厚度和缺陷波高的評價鑄坯內(nèi)部質(zhì)量的方法，國內(nèi)外首次形成整套的超聲波鑄坯內(nèi)部質(zhì)量評價技術(shù)。

基于開發(fā)的超聲波鑄坯檢驗(yàn)技術(shù)，準(zhǔn)確和全面的評價連鑄坯內(nèi)部缺陷，并以此為基礎(chǔ)精確指導(dǎo)連鑄工藝優(yōu)化，鑄坯缺陷得到明顯改善，鑄坯最高缺陷波高降低37%，等效缺陷層厚度由0.07cm降低至0.03cm。

為了促進(jìn)鑄坯心部缺陷的壓合，開發(fā)了特厚板高變形滲透軋制技術(shù)。通過解析軋制的模型，同時對傳動系統(tǒng)進(jìn)行了受力分析，從而突破了軋制壓下量的設(shè)計極限，從而提升了特厚板心部的變形滲透效果?；谝陨涎芯?，成功開發(fā)400mm連鑄坯生產(chǎn)230mm保國標(biāo)I級探傷特厚板。

2、高強(qiáng)韌易焊接特厚板生產(chǎn)控制技術(shù)

采用TMCP工藝生產(chǎn)100mm以上厚板在厚度方向上存在溫度場、應(yīng)變場和冷卻速度場差異，難以調(diào)控奧氏體晶粒尺寸和相變組織，原奧氏體晶?；炀Ш痛蟪叽缌钬愂象w導(dǎo)致鋼板低溫韌性波動，因此原奧氏體晶粒尺寸以及相變組織控制成為TMCP工藝生產(chǎn)高強(qiáng)韌易焊接特厚板生產(chǎn)的關(guān)鍵。

為了實(shí)現(xiàn)大厚度鋼板原奧氏體晶粒尺寸的細(xì)化，研究了加熱溫度及微合金化元素對加熱過程中晶粒長大的影響；同時在粗軋過程中，重點(diǎn)研究了大厚度鋼板在粗軋變形不充分的前提下，化學(xué)成分對奧氏體再結(jié)晶發(fā)生率及晶粒尺寸的影響，形成了基于奧氏體再結(jié)晶的成分設(shè)計，避免了局部粗大的奧氏體晶粒組織。

為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)組織的控制，研究精軋工藝對鋼板組織轉(zhuǎn)變的影響，通過控制精軋過程，實(shí)現(xiàn)全厚度截面未再結(jié)晶區(qū)軋制；同時，為了提高軋后鋼板的冷卻能力，開發(fā)了適用于大厚度鋼板的水冷技術(shù)，提高了鋼板的相變驅(qū)動力，抑制大尺寸塊狀鐵素體和粒狀貝氏體的生成，從而實(shí)現(xiàn)了鋼板低溫韌性的穩(wěn)定控制。

3、調(diào)質(zhì)鋼在線淬火生產(chǎn)工藝技術(shù)開發(fā)

與離線淬火相比，在線淬火工藝具有綠色高效的優(yōu)點(diǎn)，但在線淬火裝備冷卻能力不足，厚規(guī)格高強(qiáng)鋼采用在線淬火工藝生產(chǎn)時組織均勻性差，無法獲得全厚度截面方向的馬氏體組織，導(dǎo)致鋼板強(qiáng)度低、韌性差，因此急需突破厚規(guī)格高強(qiáng)鋼的在線淬火裝備及工藝瓶頸。

為實(shí)現(xiàn)在線淬火裝備和工藝的開發(fā)，深入研究射流沖擊換熱原理，通過有限元流-熱耦合分析，研究獲得大型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、阻尼設(shè)計、流場等參數(shù)對射流壓力和流速的影響，成功研制出高密度排布、多角度射流的集管裝置，解決高強(qiáng)度均勻化冷卻核心問題。在此基礎(chǔ)上，針對鋼板寬向冷卻不均問題，研究建立了一種綜合1+2D的溫度場有限元解析模型，實(shí)時計算鋼板寬度橫斷面溫度場，用于邊部遮蔽和水凸度的精細(xì)化控制，實(shí)現(xiàn)鋼板寬向溫度均勻性控制，滿足大工業(yè)系統(tǒng)快速響應(yīng)的要求，為厚規(guī)格鋼板在線淬火產(chǎn)品研發(fā)提供裝備和工藝保障。

通過有限元仿真技術(shù)，在現(xiàn)有裝備能力下對厚規(guī)格鋼板淬火溫度場進(jìn)行有限元分析，形成基于裝備冷卻能力的大厚度高強(qiáng)鋼在線淬火工藝設(shè)計及全厚度截面組織均勻性控制，結(jié)合回火熱處理的組織性能調(diào)控，解決了在線淬火工藝生產(chǎn)大厚度高強(qiáng)韌調(diào)質(zhì)鋼韌性差的難題。

三、主要創(chuàng)新性成果

針對國家重大項目和重大工程用高品質(zhì)厚板的需求，本項目進(jìn)行高品質(zhì)厚板關(guān)鍵制造技術(shù)開發(fā)并取得成功應(yīng)用，主要創(chuàng)新點(diǎn)如下：

1、發(fā)明了以超聲波波高和等效缺陷層厚度為主的連鑄坯內(nèi)部質(zhì)量評價方法，準(zhǔn)確和全面評價連鑄坯內(nèi)部缺陷，為高品質(zhì)厚板生產(chǎn)提供連鑄及軋制工藝優(yōu)化的精準(zhǔn)指導(dǎo)；

2、以超聲波鑄坯評價技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了適合于特厚板坯的二冷水和凝固末端動態(tài)輕壓下工藝，顯著提升了連鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，厚板坯中心偏析C類0.5級別比例在90%以上，結(jié)合高滲透性軋制技術(shù)，解決了連鑄坯內(nèi)部缺陷不易軋合難題；實(shí)現(xiàn)了400mm連鑄坯生產(chǎn)230mm的TMCP工藝Q355（保國標(biāo)Ⅰ級探傷）特厚板。

3、開發(fā)出基于奧氏體再結(jié)晶的100mm以上厚板的低溫控軋+往復(fù)式水冷特厚板組織控制技術(shù)，解決了奧氏體組織細(xì)化和均勻化控制難題，實(shí)現(xiàn)了TMCP工藝替代正火工藝生產(chǎn)120mm厚460MPa級鋼板，-50℃心部夏比沖擊功≥200J。

創(chuàng)新點(diǎn)四：開發(fā)出最厚70mm高強(qiáng)厚板在線淬火裝備及技術(shù)，解決了高品質(zhì)厚板厚度方向組織均勻性差的難題，實(shí)現(xiàn)了在線淬火代替離線淬火的高效化生產(chǎn)，首次將在線淬火技術(shù)應(yīng)用于超高強(qiáng)海洋工程用鋼領(lǐng)域。

四、應(yīng)用情況與效果

本項目針對保探傷特厚板、大厚度高強(qiáng)韌易焊接鋼以及在線淬火生產(chǎn)厚規(guī)格調(diào)質(zhì)鋼的生產(chǎn)技術(shù)瓶頸，以國家科技支撐計劃為依托，進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，歷時10余年，開發(fā)出連鑄坯生產(chǎn)厚度≥180mm保探傷特厚板、最大厚度120mm的460MPa易焊接鋼板和在線淬火工藝生產(chǎn)厚度≥50mm高強(qiáng)韌調(diào)質(zhì)鋼，滿足國家重點(diǎn)項目和重大工程的高品質(zhì)厚板需求。

采用連鑄坯生產(chǎn)保探傷特厚板方面，行業(yè)內(nèi)率先發(fā)明超聲波鑄坯探傷技術(shù)及評價方法，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，率先突破壓縮比＜2生產(chǎn)保探傷特厚板，相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用于大型盾構(gòu)機(jī)和減速機(jī)，與模鑄工藝相比，節(jié)能減排，成材率提高20%；實(shí)現(xiàn)TMCP工藝生產(chǎn)最大厚度120mm的S460ML高強(qiáng)韌易焊接鋼板，獨(dú)家供貨應(yīng)用于世界首座采用自由形態(tài)外骨骼結(jié)構(gòu)的摩天大樓-澳門夢幻城，TMCP工藝生產(chǎn)的Q460GJ鋼板首次示范應(yīng)用于亞洲最大火車站-雄安高鐵站；開發(fā)了在線淬火裝備及適用于生產(chǎn)在線淬火50mm以上的成分及工藝，將在線淬火工藝應(yīng)用于耐磨鋼和超高強(qiáng)海工鋼等領(lǐng)域，在線淬火生產(chǎn)的EH690鋼板應(yīng)用于我國首艘720噸多功能風(fēng)電安裝工藝駁船，典型工程應(yīng)用如圖2所示。

圖2高品質(zhì)厚板典型工程應(yīng)用

本項目獲得授權(quán)發(fā)明專利23件（其中國際專利1件），軟件著作權(quán)2件，發(fā)表論文14篇，國內(nèi)首次牽頭制修訂國際標(biāo)準(zhǔn)2項。經(jīng)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織的科技成果評價專家委員會鑒定，項目總體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平，其中特厚連鑄板坯超聲波波高和等效缺陷層厚度的探傷評價方法達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

近三年，首鋼累計生產(chǎn)高品質(zhì)厚板80.6萬噸，實(shí)現(xiàn)利潤1.61億元。通過本項目的實(shí)施，推動了國家重大工程關(guān)鍵核心部件的國產(chǎn)化，助力能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型及碳達(dá)峰-碳中和發(fā)展理念實(shí)施，支持了“雄安新區(qū)”國家戰(zhàn)略，堅持自主創(chuàng)新，帶動鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)品和工藝技術(shù)提升。