一、研究的背景與問(wèn)題

集裝箱船超大型化能夠顯著降低建造成本、運(yùn)營(yíng)成本和能耗。2017年，全球首艘21000 TEU集裝箱船“東方香港”號(hào)交付；2019年，中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司“25000 TEU集裝箱船開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收；2021年，中國(guó)首制、全球最大的24000 TEU集裝箱船順利出塢；此外，MMCCAACA（MSK、MSC、CMA CGM、Amazon、Alibaba、Citibank、Allianz航運(yùn)七巨頭）聯(lián)合宣布未來(lái)將打造35000~40000TEU新型集裝箱船[1]。集裝箱船大型化趨勢(shì)明顯（圖1）[2]，并且23000~24000 TEU級(jí)別集裝箱船交貨比例明顯增加（圖2）[3]。

圖1集裝箱船舶大型化發(fā)展[2]

圖2 23000~24000 TEU級(jí)別集裝箱船交貨比例明顯增加[3]

2021年，持續(xù)蔓延的新冠疫情導(dǎo)致全球海運(yùn)效率降低，進(jìn)而致使運(yùn)力緊張、運(yùn)費(fèi)飆升，疫情壓力帶動(dòng)全球“買船熱”。為滿足市場(chǎng)需求，購(gòu)置更多新船成為跨洋物流公司的重要選擇。這一態(tài)勢(shì)反映在數(shù)據(jù)層面就是，全球造船訂單量明顯增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)造船業(yè)多項(xiàng)指標(biāo)大幅提升。2021年，我國(guó)造船完工量、新接訂單量、手持訂單量以載重噸計(jì)分別占世界總量的47.2%、53.8%和47.6%[4]，繼續(xù)保持世界領(lǐng)先，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力進(jìn)一步增強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)造船行業(yè)高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)將一直持續(xù)（圖3）[5]。

圖3未來(lái)五年我國(guó)造船業(yè)三大指標(biāo)預(yù)測(cè)[5]

當(dāng)前，18種主力船型中我國(guó)有10種訂單量世界第一[6]，高附加值船舶的建造迫切需求鋼鐵材料的升級(jí)換代。由于敞開(kāi)型船體結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致船體中部和頂部的艙口圍頂板、腹板及上甲板邊板、舷頂列板和抗扭箱的縱骨、抗扭箱甲板等部位長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)。在船舶自身載重及風(fēng)、浪等外力作用下，容易發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，嚴(yán)重威脅船舶安全。2005年載重1.2萬(wàn)噸的“金富星”船發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂事故，2013年商船三井“Mol Comfort”號(hào)從中間斷成兩截，2014年“MSC Monterey”船主甲板發(fā)現(xiàn)1.5米長(zhǎng)裂紋，多起集裝箱船舶安全事故的發(fā)生引起了船級(jí)社和造船廠的高度重視（圖4）[7,8]。

圖4集裝箱船舶安全事故

(a)“金富星”船發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)脆性斷裂; (b)商船三井“Mol Comfort”號(hào)從中間斷成兩截; (c)“MSC Monterey”主甲板發(fā)現(xiàn)1.5米長(zhǎng)裂紋

為保證集裝箱船舶的航行安全，除了改進(jìn)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)船舶中預(yù)測(cè)可能發(fā)生脆性斷裂的部位和可能導(dǎo)致大型斷裂的重要部位采用控制軋制控制冷卻工藝（TMCP）生產(chǎn)的大厚度、高強(qiáng)度、高止裂韌性鋼板成為必然。此類鋼板具有優(yōu)異的止裂韌性，能夠抵抗大型脆性裂紋的傳播，保障船體結(jié)構(gòu)安全，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。目前，船體中部、頂部的艙口圍頂板及上甲板邊板等關(guān)鍵部位普遍采用高止裂韌性鋼板（圖5）[9-11]。2013年，國(guó)際船級(jí)社提出-10°C止裂韌性≥6000 N/mm3/2的止裂性能指標(biāo)，要求新建的集裝箱船采用50~75mm止裂鋼板-10°C止裂韌性必須≥6000 N/mm3/2。2021年，又將80~100mm厚鋼板-10°C止裂韌性≥8000 N/mm3/2納入到新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，極大提高了特厚止裂鋼板的生產(chǎn)技術(shù)門檻。

圖5大厚度止裂鋼的應(yīng)用部位

2020年以前，只有日本JFE公司能夠生產(chǎn)100mm、-10°C止裂韌性≥8000 N/mm3/2的EH47止裂鋼，生產(chǎn)技術(shù)對(duì)外嚴(yán)格保密[12]。同時(shí)，日本船級(jí)社對(duì)中國(guó)所有鋼企的止裂鋼產(chǎn)品不予核發(fā)認(rèn)證證書(shū)，以維持在止裂鋼板技術(shù)領(lǐng)域的壟斷優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)只能生產(chǎn)最大厚度92mm的同級(jí)別產(chǎn)品，且-10°C止裂韌性均?8000 N/mm3/2，國(guó)內(nèi)止裂鋼產(chǎn)品和國(guó)際先進(jìn)水平存在明顯差距。

近年來(lái)，江南造船、滬東中華等我國(guó)造船企業(yè)承接了大量超大型集裝箱船訂單，對(duì)90 mm厚度以上止裂鋼板有大量的需求。最近的2021年，中國(guó)船舶集團(tuán)先后成功攬入法國(guó)達(dá)飛、瑞士地中海、加拿大塞斯潘等國(guó)際班輪巨頭的批量集裝箱船訂單，特別是與法國(guó)達(dá)飛簽訂了22艘箱船訂單，總價(jià)超150億元，刷新國(guó)內(nèi)最大單筆船舶訂單紀(jì)錄[6]。滬東中華和江南造船共交付10艘超大型集裝箱船，實(shí)現(xiàn)全球首創(chuàng)最大最先進(jìn)23000TEU液化天然氣（LNG）雙燃料動(dòng)力集裝箱船項(xiàng)目的完美收官，進(jìn)一步鞏固了中國(guó)船舶集團(tuán)在全球超大型集裝箱船市場(chǎng)的領(lǐng)先地位[6]。但是國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)在大厚度高止裂韌度鋼板生產(chǎn)方面的不足，制約了止裂鋼產(chǎn)品的供貨，打壓了當(dāng)前國(guó)內(nèi)超大型集裝箱船建造迅猛發(fā)展的勢(shì)頭。

大厚度、高強(qiáng)度、止裂韌性優(yōu)異的船舶用止裂鋼是超大型集裝箱船的安全保障。在生產(chǎn)方面難度極大：

1）采用連鑄坯生產(chǎn)特厚鋼板存在軋制壓縮比不足的制約；

2）軋制變形滲透和軋后冷卻在鋼板厚度方向存在不均勻現(xiàn)象；

3）較低終軋溫度極大考驗(yàn)著厚板軋機(jī)的軋制力和扭矩極限。

此外，全厚度鋼板斷裂時(shí)，尺寸效應(yīng)放大了斷裂過(guò)程的復(fù)雜性，鋼板止裂韌性與低溫沖擊、裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）及無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）等常規(guī)斷裂測(cè)試結(jié)果均沒(méi)有可靠規(guī)律。鋼板止裂韌性評(píng)價(jià)成本高、周期長(zhǎng)，進(jìn)一步增加了特厚止裂鋼板的生產(chǎn)難度。

二、解決問(wèn)題的思路與技術(shù)方案

本項(xiàng)目開(kāi)展之前，國(guó)內(nèi)鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的船用高止裂韌度特厚鋼板的止裂韌性和強(qiáng)度級(jí)別與日本JFE、韓國(guó)POSCO等國(guó)際先進(jìn)水平相比存在明顯差距。表面上看，是止裂鋼生產(chǎn)工藝復(fù)雜、難度較大。實(shí)質(zhì)上主要是基礎(chǔ)研究不夠深入、大厚度鋼板止裂機(jī)理不明、低壓縮比軋制鐵素體貝氏體相變機(jī)理不清。

針對(duì)以上問(wèn)題，南鋼和東北大學(xué)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)制定了“基礎(chǔ)理論+關(guān)鍵技術(shù)+工業(yè)試制+應(yīng)用推廣”相結(jié)合的總體思路?；A(chǔ)研究聚焦溫控-形變耦合的高滲透性軋制技術(shù)（圖6和圖7）、往復(fù)相變控軋工藝（圖7）、軋后冷卻規(guī)程（圖8）、低壓縮比軋制條件下鐵素體貝氏體組織的相變機(jī)制、脆性裂紋的止裂因素等方面。

圖6“軋制-冷卻”一體化TMCP工藝布置

圖7“溫控-變形”耦合高滲透控制軋制實(shí)現(xiàn)往復(fù)相變

圖8軋后高效冷卻技術(shù)研究

項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)先后創(chuàng)造性開(kāi)發(fā)出相變時(shí)序控制、織構(gòu)控制、溫控-形變耦合高滲透性軋制等核心關(guān)鍵制造技術(shù)，突破連鑄坯與鋼板厚度壓縮比過(guò)低的約束，細(xì)化奧氏體晶粒尺寸。建立大厚度止裂鋼合金成分體系、微觀組織類型與低溫強(qiáng)韌性關(guān)系、微觀組織及第二相與超低溫韌性、止裂性能關(guān)系，明確大厚度止裂鋼中Mn、Mo、Ni等元素的具體作用和不同工藝條件下的最佳添加量。理清基體組織對(duì)低溫韌性和止裂性能的影響、M/A島在脆性裂紋傳播中的具體作用?；诖嘈粤鸭y宏觀鈍化的止裂原理，成分設(shè)計(jì)-加熱-軋制-冷卻全流程強(qiáng)化鋼板心部γ線上的織構(gòu)，實(shí)現(xiàn){001}解理面和{110}滑移面的均勻分布（圖9）、斷口分離和裂紋尖端“劈釘”型斷口特征，有效緩解大厚度試樣斷裂時(shí)的三軸應(yīng)力，提高斷裂韌性（圖10）。通過(guò)成套完整的技術(shù)創(chuàng)新，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高止裂韌度特厚鋼板技術(shù)體系并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

圖9南鋼100 mm厚止裂鋼3/8和1/2t解理面、滑移面分布情況

(a) 和(b) NEU-R控軋工藝；(c)和(d)傳統(tǒng)TMCP工藝

圖10梯度溫度型雙重拉伸試驗(yàn)斷口

(a)開(kāi)發(fā)的100 mm厚高止裂韌性EH47鋼板；(b)傳統(tǒng)TMCP工藝生產(chǎn)的92 mm厚止裂韌性較差的鋼板

開(kāi)發(fā)的100 mm厚EH47BCA鋼板全厚度顯微組織以細(xì)化AF和少量貝氏體混合組織為主。全厚度有效晶粒和傳統(tǒng)工藝控軋的鋼板相比更加細(xì)小均勻（圖11），說(shuō)明全厚度HAGB比例、EGS尺寸及均勻性等方面和傳統(tǒng)TMCP工藝相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖11 NEU-R和傳統(tǒng)TMCP工藝控軋鋼板全厚度有效晶粒尺寸分布

從沖擊功-測(cè)試溫度曲線可以看出南鋼生產(chǎn)的100mm厚EH47BCA鋼板1/2厚度在-60和-80°C下均為韌性斷裂，沖擊功在-90°C開(kāi)始下降，在-103°C時(shí)均值下降至上平臺(tái)功的一半，韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-103°C（圖12）。

圖12 100 mm厚EH47BCA止裂鋼心部沖擊功-測(cè)試溫度曲線

在中船重工第七二五研究所船舶材料驗(yàn)證試驗(yàn)中心對(duì)100 mm厚EH47止裂鋼板進(jìn)行全厚度梯度溫度型雙重拉伸試驗(yàn)。結(jié)果顯示，-10°C止裂韌性為9041.5 N/mm3/2，遠(yuǎn)高于國(guó)際船級(jí)社最新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的8000N/mm3/2，厚度規(guī)格和止裂韌性均達(dá)到全球領(lǐng)先水平。同期開(kāi)發(fā)的100mm厚EH40BCA鋼板-10°C止裂韌性達(dá)9951.0 N/mm3/2。

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

1、基于溫控-形變耦合的高滲透性軋制技術(shù)，利用往復(fù)相變和道次變形協(xié)調(diào)分配，增加鋼板心部變形，突破壓縮比過(guò)低造成心部性能差的約束，細(xì)化奧氏體晶粒尺寸至18.5±10.5 μm，改善軋后鋼板厚度方向組織與性能的均勻性。

實(shí)現(xiàn)未再結(jié)晶區(qū)軋制前全厚度奧氏體晶粒的細(xì)化和均勻化，未再結(jié)晶區(qū)軋制后全厚度基本一致的奧氏體畸變狀態(tài)，為冷卻時(shí)的相變做好充分的準(zhǔn)備，最終獲得全厚度細(xì)化、均勻化的鐵素體和貝氏體組織，在低Ni含量條件下，依舊能夠保證鋼板優(yōu)異的低溫韌性和止裂韌性。

2、通過(guò)軋后冷卻路徑控制，利用針狀鐵素體較早的相變時(shí)序，有效分割畸變奧氏體晶粒，縮小上貝氏體的生長(zhǎng)空間，促進(jìn)多變體貝氏體相變，實(shí)現(xiàn)全厚度針狀鐵素體-上貝氏體混合組織的均勻分布及有效晶粒的細(xì)化，改善全厚度方向的低溫韌性。

對(duì)畸變奧氏體有效調(diào)控的前提下，采用軋后快冷+空冷+快冷的多階段冷卻路徑，實(shí)現(xiàn)特厚止裂鋼板多邊形鐵素體-多變體貝氏體時(shí)序相變，細(xì)化、均勻化全厚度的有效晶粒分布，避免相變組織中出現(xiàn)大尺寸的有效晶粒。多階段冷卻過(guò)程中第一階段的快冷充分細(xì)化鋼板表層至1/4厚度的貝氏體板條；空冷階段使鋼板1/2厚度盡可能多的形成晶界、晶內(nèi)多邊形鐵素體組織；最后的快冷實(shí)現(xiàn)未相變奧氏體晶粒向細(xì)化多變體貝氏體組織轉(zhuǎn)變。

3、基于脆性裂紋宏觀鈍化的止裂原理，利用高M(jìn)n成分，結(jié)合軋制變形分配，調(diào)控多階段冷卻過(guò)程中的相變類型，成分設(shè)計(jì)-加熱-軋制-冷卻全流程強(qiáng)化鋼板心部γ線上的織構(gòu)，實(shí)現(xiàn){001}解理面和{110}滑移面的均勻分布及裂紋尖端“劈釘”型斷口特征，有效緩解大厚度試樣斷裂時(shí)的三軸應(yīng)力，提高斷裂韌性。

XRD織構(gòu)測(cè)量結(jié)果顯示開(kāi)發(fā)的100 mm厚鋼板1/2厚度處{112}<110>織構(gòu)強(qiáng)度最高，{113}<110>、{332}<113>及{111}<110>織構(gòu)強(qiáng)度次之，除此之外{001}<110>織構(gòu)強(qiáng)度最弱。這些有利織構(gòu)因素將減小鋼板各向異性并提供良好的韌性。

五、應(yīng)用情況與效果

南鋼開(kāi)發(fā)的船用高止裂韌度特厚鋼板已應(yīng)用于全球最大的24000TEU集裝箱船，100mm厚止裂鋼實(shí)現(xiàn)全球唯一供貨，應(yīng)用于福建馬尾造船股份有限公司12500DWT重吊船。E40BCA1、E47BCA1、E40BCA2、E47BCA2等高止裂韌度特厚鋼板整單應(yīng)用于江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司、滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司、江蘇揚(yáng)子江船業(yè)集團(tuán)公司等共計(jì)12艘24000TEU集裝箱船，供貨量在國(guó)內(nèi)遙遙領(lǐng)先?？蛻粽J(rèn)為南鋼止裂鋼厚度公差波動(dòng)小、板形平整、板內(nèi)應(yīng)力較小，能夠保證數(shù)控切割機(jī)正常切割下料，切割過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)因切割件翹曲碰撞割槍等影響正常切割的情況；鋼板的焊接性能好，已使用在集裝箱船船體中部及頂部的艙口圍頂板、腹板及上甲板、舷頂列板等關(guān)鍵部位。

南鋼開(kāi)發(fā)的船用高止裂韌度特厚鋼板打破了國(guó)外廠家的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，解決了船用核心材料“卡脖子”的關(guān)鍵難題，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白。滿足了高技術(shù)船舶對(duì)高止裂韌度鋼板的迫切需求，實(shí)現(xiàn)了大型集裝箱船等特種船舶核心關(guān)鍵材料的自主保障。提升了船舶制造、航運(yùn)全產(chǎn)業(yè)鏈的競(jìng)爭(zhēng)力，為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)貢獻(xiàn)了力量。

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