一、研究的背景與問題

集裝箱船超大型化能夠顯著降低建造成本、運營成本和能耗。2017年，全球首艘21000 TEU集裝箱船“東方香港”號交付；2019年，中國船舶工業(yè)集團公司“25000 TEU集裝箱船開發(fā)”項目通過驗收；2021年，中國首制、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航運七巨頭）聯(lián)合宣布未來將打造35000~40000TEU新型集裝箱船[1]。集裝箱船大型化趨勢明顯（圖1）[2]，并且23000~24000 TEU級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)蔓延的新冠疫情導致全球海運效率降低，進而致使運力緊張、運費飆升，疫情壓力帶動全球“買船熱”。為滿足市場需求，購置更多新船成為跨洋物流公司的重要選擇。這一態(tài)勢反映在數(shù)據(jù)層面就是，全球造船訂單量明顯增長，國內(nèi)造船業(yè)多項指標大幅提升。2021年，我國造船完工量、新接訂單量、手持訂單量以載重噸計分別占世界總量的47.2%、53.8%和47.6%[4]，繼續(xù)保持世界領(lǐng)先，國際競爭力進一步增強。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)造船行業(yè)高速增長的態(tài)勢將一直持續(xù)（圖3）[5]。

圖3未來五年我國造船業(yè)三大指標預測[5]

當前，18種主力船型中我國有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換代。由于敞開型船體結(jié)構(gòu)特征，導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期處于高應力狀態(tài)。在船舶自身載重及風、浪等外力作用下，容易發(fā)生低應力脆性斷裂，嚴重威脅船舶安全。2005年載重1.2萬噸的“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”號從中間斷成兩截，2014年“MSC Monterey”船主甲板發(fā)現(xiàn)1.5米長裂紋，多起集裝箱船舶安全事故的發(fā)生引起了船級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”號從中間斷成兩截; (c)“MSC Monterey”主甲板發(fā)現(xiàn)1.5米長裂紋

為保證集裝箱船舶的航行安全，除了改進船體結(jié)構(gòu)設(shè)計，對船舶中預測可能發(fā)生脆性斷裂的部位和可能導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，國際船級社提出-10°C止裂韌性≥6000 N/mm3/2的止裂性能指標，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納入到新的國際標準中，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)對外嚴格保密[12]。同時，日本船級社對中國所有鋼企的止裂鋼產(chǎn)品不予核發(fā)認證證書，以維持在止裂鋼板技術(shù)領(lǐng)域的壟斷優(yōu)勢。國內(nèi)只能生產(chǎn)最大厚度92mm的同級別產(chǎn)品，且-10°C止裂韌性均?8000 N/mm3/2，國內(nèi)止裂鋼產(chǎn)品和國際先進水平存在明顯差距。

近年來，江南造船、滬東中華等我國造船企業(yè)承接了大量超大型集裝箱船訂單，對90 mm厚度以上止裂鋼板有大量的需求。最近的2021年，中國船舶集團先后成功攬入法國達飛、瑞士地中海、加拿大塞斯潘等國際班輪巨頭的批量集裝箱船訂單，特別是與法國達飛簽訂了22艘箱船訂單，總價超150億元，刷新國內(nèi)最大單筆船舶訂單紀錄[6]。滬東中華和江南造船共交付10艘超大型集裝箱船，實現(xiàn)全球首創(chuàng)最大最先進23000TEU液化天然氣（LNG）雙燃料動力集裝箱船項目的完美收官，進一步鞏固了中國船舶集團在全球超大型集裝箱船市場的領(lǐng)先地位[6]。但是國內(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，打壓了當前國內(nèi)超大型集裝箱船建造迅猛發(fā)展的勢頭。

大厚度、高強度、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著厚板軋機的軋制力和扭矩極限。

此外，全厚度鋼板斷裂時，尺寸效應放大了斷裂過程的復雜性，鋼板止裂韌性與低溫沖擊、裂紋尖端張開位移（CTOD）及無塑性轉(zhuǎn)變溫度（NDTT）等常規(guī)斷裂測試結(jié)果均沒有可靠規(guī)律。鋼板止裂韌性評價成本高、周期長，進一步增加了特厚止裂鋼板的生產(chǎn)難度。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本項目開展之前，國內(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度級別與日本JFE、韓國POSCO等國際先進水平相比存在明顯差距。表面上看，是止裂鋼生產(chǎn)工藝復雜、難度較大。實質(zhì)上主要是基礎(chǔ)研究不夠深入、大厚度鋼板止裂機理不明、低壓縮比軋制鐵素體貝氏體相變機理不清。

針對以上問題，南鋼和東北大學項目團隊制定了“基礎(chǔ)理論+關(guān)鍵技術(shù)+工業(yè)試制+應用推廣”相結(jié)合的總體思路。基礎(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現(xiàn)往復相變

圖8軋后高效冷卻技術(shù)研究

項目研發(fā)團隊先后創(chuàng)造性開發(fā)出相變時序控制、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低的約束，細化奧氏體晶粒尺寸。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-加熱-軋制-冷卻全流程強化鋼板心部γ線上的織構(gòu)，實現(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的三軸應力，提高斷裂韌性（圖10）。通過成套完整的技術(shù)創(chuàng)新，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高止裂韌度特厚鋼板技術(shù)體系并實現(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斷口

(a)開發(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

開發(fā)的100 mm厚EH47BCA鋼板全厚度顯微組織以細化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小均勻（圖11），說明全厚度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。

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開始下降，在-103°C時均值下降至上平臺功的一半，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-測試溫度曲線

在中船重工第七二五研究所船舶材料驗證試驗中心對100 mm厚EH47止裂鋼板進行全厚度梯度溫度型雙重拉伸試驗。結(jié)果顯示，-10°C止裂韌性為9041.5 N/mm3/2，遠高于國際船級社最新標準規(guī)定的8000N/mm3/2，厚度規(guī)格和止裂韌性均達到全球領(lǐng)先水平。同期開發(fā)的100mm厚EH40BCA鋼板-10°C止裂韌性達9951.0 N/mm3/2。

三、主要創(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，突破壓縮比過低造成心部性能差的約束，細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。

實現(xiàn)未再結(jié)晶區(qū)軋制前全厚度奧氏體晶粒的細化和均勻化，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)，為冷卻時的相變做好充分的準備，最終獲得全厚度細化、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、通過軋后冷卻路徑控制，利用針狀鐵素體較早的相變時序，有效分割畸變奧氏體晶粒，縮小上貝氏體的生長空間，促進多變體貝氏體相變，實現(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化，改善全厚度方向的低溫韌性。

對畸變奧氏體有效調(diào)控的前提下，采用軋后快冷+空冷+快冷的多階段冷卻路徑，實現(xiàn)特厚止裂鋼板多邊形鐵素體-多變體貝氏體時序相變，細化、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。多階段冷卻過程中第一階段的快冷充分細化鋼板表層至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；最后的快冷實現(xiàn)未相變奧氏體晶粒向細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Mn成分，結(jié)合軋制變形分配，調(diào)控多階段冷卻過程中的相變類型，成分設(shè)計-加熱-軋制-冷卻全流程強化鋼板心部γ線上的織構(gòu)，實現(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的三軸應力，提高斷裂韌性。

XRD織構(gòu)測量結(jié)果顯示開發(fā)的100 mm厚鋼板1/2厚度處{112}<110>織構(gòu)強度最高，{113}<110>、{332}<113>及{111}<110>織構(gòu)強度次之，除此之外{001}<110>織構(gòu)強度最弱。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、應用情況與效果

南鋼開發(fā)的船用高止裂韌度特厚鋼板已應用于全球最大的24000TEU集裝箱船，100mm厚止裂鋼實現(xiàn)全球唯一供貨，應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用于江南造船（集團）有限責任公司、滬東中華造船（集團）有限公司、江蘇揚子江船業(yè)集團公司等共計12艘24000TEU集裝箱船，供貨量在國內(nèi)遙遙領(lǐng)先。客戶認為南鋼止裂鋼厚度公差波動小、板形平整、板內(nèi)應力較小，能夠保證數(shù)控切割機正常切割下料，切割過程中沒有出現(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。

南鋼開發(fā)的船用高止裂韌度特厚鋼板打破了國外廠家的技術(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，填補國內(nèi)空白。滿足了高技術(shù)船舶對高止裂韌度鋼板的迫切需求，實現(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、航運全產(chǎn)業(yè)鏈的競爭力，為海洋經(jīng)濟發(fā)展和海洋強國建設(shè)貢獻了力量。

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