首钢TMCP工艺E/F级高强船板冶炼工艺

D0L:10.13374M.issm1001-053x.2011.s1.025 第33卷增刊1 北京科技大学学报 Vol.33 Suppl.1 2011年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2011 首钢TMCP工艺E/P级高强船板冶炼工艺 徐永林12)✉李京社)徐莉) 1)北京科技大学研究生院，北京1000832)首钢技术研究院检测中心，北京100043 ☒通信作者，E-mail:yonglinxu(@sohu.com 摘要为了达到船级社认证要求的较高的低温冲击韧性、良好的可焊性等特殊要求，首钢通过采用低碳、Nb/NT、N微合 金化的成分设计，严格控制化学成分及钢水洁净度，尤其是TMCP控轧控冷工艺制度等主要冶金技术，开发了合金用量低、工 序少、具有良好的低温韧性和焊接性能的E36/40、36/40级船板.采用该项工艺生产的E36/E40级高强船板工艺达到稳定工 业批量生产水平，钢板性能合格率、产品成材率较高，生产工艺合理，质量稳定，产品综合性能优良. 关键词纯净钢：船板：TMCP工艺：治炼 分类号TF111 TMCP of E/F grade high-strength ship plates in Shougang Co. XU Yong-4im2☒，山Jingshe2,XUL 1)Graduate School.University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Testing Center,Shougang Research Institute of Technology,Beijing 100043.China 4Corresponding author,E-mail:yonglinxu@sohu.com ABSTRACT In order to achieve the higher low-temperature impact toughness,good weldability,and other special requirements of the classification society,Shougang rolling mill line uses the low carbon,Nb/V/Ti,Ni micro-alloying composition design for strict con- trolling the chemical composition and the steel purity,especially TMCP control system.The E36/40,F36/40 grade ship plate was de- veloped,which has the low alloying element contents,less process,the good low-temperature toughness and welding properties.E36/ E40 grade high-strength ship plate made by this technics in Shougang reaches the stable quality for the industrial production.Also the plates have the higher pass rate of performance and yield of product.The production process is reasonable,the quality is stable,and the synthesis performance is excellent. KEY WORDS clean steel;ship plates;thermo mechanical control process TMCP);smelting 通过对近几年典型船舶船板使用情况的统计， 要进一步提高首钢船板的市场竞争力，必须适 高强船板40kg级及E/F级占8%~10%左右，且该 应造船行业对品种、规格的多样性需求，开发更丰富 比例在不断提高，开发此类高级船板已是当今市场 的船板品种.首钢4300mm宽厚板轧机生产线的建 所需).40kg级高强船板主要应用于大型、大吨位 成投产，为首钢E36/40、F36/40高强度级别、高质 船体的建造，E/F级主要应用于散货船、原油船、南 量等级船板的开发提供了必要的设备条件和工艺条 北极低温地区船只的重要结构如舱口部位的建造. 件.为满足E和F级船板对低温冲击韧性、可焊性 40kg级及E/F级高强船板不仅要求满足船体结构 等的严格要求，首钢高强高韧性船板主要通过低碳、 用钢板的基本技术要求，还要有高的屈服强度及低 Nb、V、Ti微合金化成分设计、窄成分及高洁净度控 的韧脆转变温度.在造船过程中采用40kg级代替 制技术、铸坯轻压下技术和精细TMCP技术，自主开 一般强度A级船板，用量可减少1/4以上.目前日 发了合金用量低、工序少、具有良好的低温韧性和焊 本造船业高强船板的使用量占船体结构用钢板的 接性能的E36/40、36140高强船板，并分别于 60%以上，而我国还只占30%. 2008、2009和2010年顺利通过多国船级社认证)]. 收稿日期：201108-12

第 33 卷 增刊 1 2011 年 12 月 北京科技大学学报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol． 33 Suppl． 1 Dec． 2011 首钢 TMCP 工艺 E/F 级高强船板冶炼工艺 徐永林1，2) 李京社1) 徐 莉2) 1) 北京科技大学研究生院，北京 100083 2) 首钢技术研究院检测中心，北京 100043 通信作者，E-mail: yonglinxu@ sohu． com 摘 要 为了达到船级社认证要求的较高的低温冲击韧性、良好的可焊性等特殊要求，首钢通过采用低碳、Nb /V/Ti、Ni 微合 金化的成分设计，严格控制化学成分及钢水洁净度，尤其是 TMCP 控轧控冷工艺制度等主要冶金技术，开发了合金用量低、工 序少、具有良好的低温韧性和焊接性能的 E36 /40、F36 /40 级船板． 采用该项工艺生产的 E36 /E40 级高强船板工艺达到稳定工 业批量生产水平，钢板性能合格率、产品成材率较高，生产工艺合理，质量稳定，产品综合性能优良． 关键词 纯净钢; 船板; TMCP 工艺; 冶炼 分类号 TF111 TMCP of E/F grade high-strength ship plates in Shougang Co． XU Yong-lin1，2) ，LI Jing-she 2) ，XU Li 1) 1) Graduate School，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Testing Center，Shougang Research Institute of Technology，Beijing 100043，China Corresponding author，E-mail: yonglinxu@ sohu． com ABSTRACT In order to achieve the higher low-temperature impact toughness，good weldability，and other special requirements of the classification society，Shougang rolling mill line uses the low carbon，Nb /V/Ti，Ni micro-alloying composition design for strict con￾trolling the chemical composition and the steel purity，especially TMCP control system． The E36 /40，F36 /40 grade ship plate was de￾veloped，which has the low alloying element contents，less process，the good low-temperature toughness and welding properties． E36 / E40 grade high-strength ship plate made by this technics in Shougang reaches the stable quality for the industrial production． Also the plates have the higher pass rate of performance and yield of product． The production process is reasonable，the quality is stable，and the synthesis performance is excellent． KEY WORDS clean steel; ship plates; thermo mechanical control process ( TMCP) ; smelting 收稿日期: 2011--08--12 通过对近几年典型船舶船板使用情况的统计， 高强船板 40 kg 级及 E /F 级占 8% ～ 10% 左右，且该 比例在不断提高，开发此类高级船板已是当今市场 所需［1］． 40 kg 级高强船板主要应用于大型、大吨位 船体的建造，E /F 级主要应用于散货船、原油船、南 北极低温地区船只的重要结构如舱口部位的建造． 40 kg 级及 E /F 级高强船板不仅要求满足船体结构 用钢板的基本技术要求，还要有高的屈服强度及低 的韧脆转变温度． 在造船过程中采用 40 kg 级代替 一般强度 A 级船板，用量可减少 1 /4 以上． 目前日 本造船业高强船板的使用量占船体结构用钢板的 60% 以上，而我国还只占 30% ． 要进一步提高首钢船板的市场竞争力，必须适 应造船行业对品种、规格的多样性需求，开发更丰富 的船板品种． 首钢 4 300 mm 宽厚板轧机生产线的建 成投产，为首钢 E36 /40、F36 /40 高强度级别、高质 量等级船板的开发提供了必要的设备条件和工艺条 件． 为满足 E 和 F 级船板对低温冲击韧性、可焊性 等的严格要求，首钢高强高韧性船板主要通过低碳、 Nb、V、Ti 微合金化成分设计、窄成分及高洁净度控 制技术、铸坯轻压下技术和精细 TMCP 技术，自主开 发了合金用量低、工序少、具有良好的低温韧性和焊 接性 能 的 E36 /40、F36 /40 高 强 船 板，并 分 别 于 2008、2009 和 2010 年顺利通过多国船级社认证［2］． DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2011.s1.025

增刊1 徐永林等：首钢TMCP工艺E/F级高强船板冶炼工艺 ·109· 通过低碳TMCP工艺生产的高强度低合金钢，其组 度、高精度、良好的低温冲击韧性和焊接性能，而这 织由铁素体、珠光体向针状铁素体和贝氏体方向发 些需要化学成分、洁净度、生产工艺保证 展，其内在良好的组织形态和第二相粒子、亚结构、 1.1.1使用特点 高密度位错的综合作用，使钢板在获得高强度的同 首钢采用TMCP工艺开发的E36、E40、F36和 时保证了良好的冲击韧性) F40高强船板很好地满足了上述要求.随着全球造 船工业的发展，船板钢生产技术也将朝着环保、减量 1产品要求及技术难点 化、高性能的方向发展 船板钢在服役期间要承受复杂的动态载荷；同 TMCP工艺是中厚板生产领域的核心技术之 时船舶的建造和组装过程中，结构组件会产生巨大 一，是当前船板生产最先进的工艺，可替代传统的热 的应力；船舶在航行过程中要承受地理位置及温度 处理工艺.在保证产品质量的同时，降低合金含量 的考验 和生产成本，同时提高用户的使用效率 1.1产品要求 1.1.2技术标准 为了使船舶能在恶劣环境下持续航行，同时从 国标GB712一2000及船级社规范对E36/40、 资源和环保角度考虑，为减轻船体自重，增加船舶的 36/40高强船板的化学成分、力学性能要求见表1 载重量，提高船速，现代造船用钢板要求具有高强 和表2. 表1熔炼成分要求（质量分数） Table 1 Melting composition requirements 号 钢级 Mn Als Nb Ti E36/40 ≤0.18 ≤0.50 0.90-1.60 ≤0.035 ≤0.035 ≥0.015 0.05-0.100.02-0.05 ≤0.40 ≤0.02 F36/40 ≤0.16 ≤0.500.90-1.60≤0.025 ≤0.025 ≥0.0150.05~0.100.02-0.05 ≤0.80 ≤0.02 注：Nb、V和T可单独添加或以任一混合形式添加.单独添加时，含量须不小于表中规定的下限：混合添加时，总含量不得大于0.12%. 表2力学性能要求 Table 2 Mechanical property requirements 冲击吸收功，Akw小 屈服 抗拉 断后伸 钢级 钢板厚度≤50mm 钢板厚度>50~70mm 强度/MPa 强度/MPa 长率/% 纵向 横向 纵向 横向 E36/F36 355 490~630 21 24 41 27 E40/F40 390 510~660 20 41 27 46 31 注：E36/40高强船板冲击吸收功为-40℃时的数值；36/40高强船板冲击吸收功为-60℃时的数值 1.2技术难点 1.2.2厚规格钢板的心部力学性能 结合国标GB712一2000及船级社规范要求，首 船板对力学性能均匀性要求严格，各国船级社 钢采用TMCP工艺开发E36/40、F36/40高强船板， 认证时均要考察钢板不同位置的力学性能，因此如 主要存在以下技术难点 何提高钢板性能均匀性，确保钢板心部的力学性能， 1.2.1碳当量 是开发E/F级高强船板关键之一. 由于E36/40、F36/40船板使用条件苛刻，为了 1.2.3低温韧性 保证船板具有良好的焊接性能及低温韧性，对化学 E、F级船板要求-40℃、-60℃低温冲击及该 成分中碳当量要求比较严格.TMCP工艺交货状态 温度下的应变时效冲击，尤其是船级社认证时对常 的碳当量C要求如表3所示 规冲击性能要求更加严格，E、F级需要保证钢板各 表3碳当量要求 个部位-60℃、-80℃的冲击性能.严格控制钢中 Table 3 Requirements of carbon equivalent P、S有害元素的含量以及[N]含量，确保钢板的低 钢级 碳当量.Cm/% 温冲击性能以及应变时效冲击性能. 钢板厚度≤50mm钢板厚度>50~100mm E361F36 ≤0.38 ≤0.40 1.2.4钢板拉伸性能无厚度规格效应 E40/F40 ≤0.40 ≤0.42 船板随着厚度规格的增加，拉伸性能指标要求 注：C网=we+06+(w0+0+w)/5+(0u+wC)15. 不变，即无厚度规格效应.而且在低碳当量的条件

增刊 1 徐永林等: 首钢 TMCP 工艺 E/F 级高强船板冶炼工艺 通过低碳 TMCP 工艺生产的高强度低合金钢，其组 织由铁素体、珠光体向针状铁素体和贝氏体方向发 展，其内在良好的组织形态和第二相粒子、亚结构、 高密度位错的综合作用，使钢板在获得高强度的同 时保证了良好的冲击韧性［3］． 1 产品要求及技术难点 船板钢在服役期间要承受复杂的动态载荷; 同 时船舶的建造和组装过程中，结构组件会产生巨大 的应力; 船舶在航行过程中要承受地理位置及温度 的考验． 1. 1 产品要求 为了使船舶能在恶劣环境下持续航行，同时从 资源和环保角度考虑，为减轻船体自重，增加船舶的 载重量，提高船速，现代造船用钢板要求具有高强 度、高精度、良好的低温冲击韧性和焊接性能，而这 些需要化学成分、洁净度、生产工艺保证． 1. 1. 1 使用特点 首钢采用 TMCP 工艺开发的 E36、E40、F36 和 F40 高强船板很好地满足了上述要求． 随着全球造 船工业的发展，船板钢生产技术也将朝着环保、减量 化、高性能的方向发展． TMCP 工艺是中厚板生产领域的核心技术之 一，是当前船板生产最先进的工艺，可替代传统的热 处理工艺． 在保证产品质量的同时，降低合金含量 和生产成本，同时提高用户的使用效率． 1. 1. 2 技术标准 国标 GB712—2000 及船级社规范对 E36 /40、 F36 /40 高强船板的化学成分、力学性能要求见表 1 和表 2． 表 1 熔炼成分要求( 质量分数) Table 1 Melting composition requirements % 钢级 C Si Mn P S Als V Nb Ni Ti E36 /40 ≤0. 18 ≤0. 50 0. 90 ～ 1. 60 ≤0. 035 ≤0. 035 ≥0. 015 0. 05 ～ 0. 10 0. 02 ～ 0. 05 ≤0. 40 ≤0. 02 F36 /40 ≤0. 16 ≤0. 50 0. 90 ～ 1. 60 ≤0. 025 ≤0. 025 ≥0. 015 0. 05 ～ 0. 10 0. 02 ～ 0. 05 ≤0. 80 ≤0. 02 注: Nb、V 和 Ti 可单独添加或以任一混合形式添加． 单独添加时，含量须不小于表中规定的下限; 混合添加时，总含量不得大于 0. 12% ． 表 2 力学性能要求 Table 2 Mechanical property requirements 钢级 屈服 强度/MPa 抗拉 强度/MPa 断后伸 长率/% 冲击吸收功，Akv /J 钢板厚度≤50 mm 钢板厚度 ＞ 50 ～ 70 mm 纵向 横向 纵向 横向 E36 /F36 355 490 ～ 630 21 34 24 41 27 E40 /F40 390 510 ～ 660 20 41 27 46 31 注: E36 /40 高强船板冲击吸收功为 － 40 ℃时的数值; F36 /40 高强船板冲击吸收功为 － 60 ℃时的数值． 1. 2 技术难点 结合国标 GB712—2000 及船级社规范要求，首 钢采用 TMCP 工艺开发 E36 /40、F36 /40 高强船板， 主要存在以下技术难点． 1. 2. 1 碳当量 由于 E36 /40、F36 /40 船板使用条件苛刻，为了 保证船板具有良好的焊接性能及低温韧性，对化学 成分中碳当量要求比较严格． TMCP 工艺交货状态 的碳当量 Ceq要求如表 3 所示． 表 3 碳当量要求 Table 3 Requirements of carbon equivalent 钢级 碳当量，Ceq /% 钢板厚度≤50 mm 钢板厚度 ＞ 50 ～ 100 mm E36 /F36 ≤0. 38 ≤0. 40 E40 /F40 ≤0. 40 ≤0. 42 注: Ceq = wC + wMn /6 + ( wCr + wMo + wV ) /5 + ( wNi + wCu ) /15． 1. 2. 2 厚规格钢板的心部力学性能 船板对力学性能均匀性要求严格，各国船级社 认证时均要考察钢板不同位置的力学性能，因此如 何提高钢板性能均匀性，确保钢板心部的力学性能， 是开发 E /F 级高强船板关键之一． 1. 2. 3 低温韧性 E、F 级船板要求 － 40 ℃、－ 60 ℃ 低温冲击及该 温度下的应变时效冲击，尤其是船级社认证时对常 规冲击性能要求更加严格，E、F 级需要保证钢板各 个部位 － 60 ℃、－ 80 ℃ 的冲击性能． 严格控制钢中 P、S 有害元素的含量以及［N］含量，确保钢板的低 温冲击性能以及应变时效冲击性能． 1. 2. 4 钢板拉伸性能无厚度规格效应 船板随着厚度规格的增加，拉伸性能指标要求 不变，即无厚度规格效应． 而且在低碳当量的条件 ·109·

◆110 北京科技大学学报 第33卷 下，仍然要保证钢板不同厚度位置各项力学性能符 (1)钢加入Nb,目的是利用Nb提高未再结晶 合船级社规范要求并要有一定的富余 温度(T、),延迟变形奥氏体再结晶，细化铁素体晶 1.3成分及工艺控制策略 粒，提高钢板的强韧性； E/F级高强船板钢对低温冲击韧性要求较高， (2)40kg级船板加V,主要是利用其在轧后冷 同时对强度和焊接性能也有较高的要求.因此，采 却相变过程中产生析出强化而提高钢板的强度； 用低碳微合金化、提高钢的纯净度以及优化控轧控 (3)F级船板中加人Ni,主要是利用Ni改善钢 冷工艺是设计F36高强船板钢的主要依据.低碳可 板的低温韧性，保证钢板在低温环境中更加安全地 以降低钢的碳当量，提高钢板的冲击韧性和焊接性 服役； 能；同时可以改善连铸板坯的中心成分偏析等缺陷， (4)钢中加入微量Ti,微Ti处理有利于保证含 易于获得较高质量的连铸板坯.降低P、S含量、提 Nb钢坯的表面质量，同时钢中T可以固氮，从而改 高钢的纯净度，可以提高钢的塑韧性.P含量主要 善钢板的应变时效冲击性能，另外钢中加入T可以 影响钢的塑性，S含量主要影响钢的韧性，另外，钢 改善焊接性能： 中硫化物夹杂还会影响钢的各向异性.通过进行 (5)降低磷、硫含量，提高钢的塑韧性.磷含量 微合金化处理，结合控轧控冷工艺技术，利用适当合 主要影响钢的塑性，硫含量主要影响钢的冲击韧性 金元素提高奥氏体粗化温度，延迟变形奥氏体再结 和韧脆转变温度，此外钢中硫化物夹杂影响钢的各 品细化钢板组织的过程，提高钢板强度、韧性和塑 向异性： 性，从而获得良好的综合性能.同时通过进一步降 (6)TMCP交货船板采用低碳、微合金化的成 低韧-脆转变温度，保证良好稳定的低温冲击性能。 分设计严格控制碳当量，保证良好的焊接性能 1.3.1成分设计 E36/40、F36/40级高强船板，对钢板的强韧性、 E36/40、F36/40级船体用钢对强度有较高要 焊接性能、拉伸断口等要求很高.首钢生产该系列 求，尤其对低温(E级，-40℃；F级，-60℃；认证时 钢种考虑设备条件及产品性能，采用低碳、复合微合 相应再降低-20℃)冲击韧性有很高的要求，而且 金化的成分设计加严格的控轧控冷工艺生产，钢中 要具有良好的焊接性能.因此根据GB712一2000 加入微合金化元素Nb、V、Ti.表4为TMCP工艺 和各国船级社规范对TMCP交货状态船板成分要求 E36/40、F36/40级高强船板化学成分的判定及目标 设计内控成分，成分设计主要依据如下几个原则： 要求 表436/40、F36/40级TMCP船板的成分控制要求（质量分数） Table 4 Composition requirements of E36/40.F36/40 grade TMCP ship plate 年 钢级 Mn Alt 微合金元素 E36/40 0.02~0.12 0.20-0.55 1.20~1.60 <0.015 ≤0.010 0.020-0.050 适量 F36/40 0.02-0.10 0.20~0.55 1.20-1.60 <0.015 ≤0.010 0.020-0.050 适量 注：碳当量Cg=0c+WM/6+(0C++0v)/5+(ENw+0C)/15,且0知+0y+n≤0.12%. 在生产E36/40、36/40级船板时要注意以下 (4)严格控制S、P以及[N]含量，确保钢板的 问题： 塑性和低温韧性 (1)采用低碳设计，确保钢板良好的低温冲击 1.3.2生产工艺路线 韧性及良好的焊接性能，同时兼顾产品的成本，E级 根据产品的低温韧性等特殊要求，结合首钢工 按目标0.12%以内控制，F级按目标0.10%以内 装设备条件，采用低碳、Nb、V、Ti微合金化成分设 控制； 计.通过严格的成分控制、钢质洁净度控制、TMCP (2)40kg级船板中要加入适量的V,保证V的 控轧控冷工艺等技术保证首钢生产的E36/40、F36/ 析出强化对钢板强度的贡献： 40产品能够满足用户严格的使用要求. (3)在控制较低碳含量的前提下，保证钢中稳 EF级船板的生产工艺为：脱硫扒渣一转炉冶 定的M含量以及微合金元素的含量，以确保随着 炼一LF炉精炼（一RH真空处理）一板坯全保护浇 厚度的增加，钢板强度指标仍能满足无厚度效应的 注一铸坯缓冷一钢坯外观检查一钢坯加热一高压水 要求： 除鳞一控制轧制一控制冷却一矫直一喷号（一堆

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 下，仍然要保证钢板不同厚度位置各项力学性能符 合船级社规范要求并要有一定的富余． 1. 3 成分及工艺控制策略 E /F 级高强船板钢对低温冲击韧性要求较高， 同时对强度和焊接性能也有较高的要求． 因此，采 用低碳微合金化、提高钢的纯净度以及优化控轧控 冷工艺是设计 F36 高强船板钢的主要依据． 低碳可 以降低钢的碳当量，提高钢板的冲击韧性和焊接性 能; 同时可以改善连铸板坯的中心成分偏析等缺陷， 易于获得较高质量的连铸板坯． 降低 P、S 含量、提 高钢的纯净度，可以提高钢的塑韧性． P 含量主要 影响钢的塑性，S 含量主要影响钢的韧性，另外，钢 中硫化物夹杂还会影响钢的各向异性［4］． 通过进行 微合金化处理，结合控轧控冷工艺技术，利用适当合 金元素提高奥氏体粗化温度，延迟变形奥氏体再结 晶细化钢板组织的过程，提高钢板强度、韧性和塑 性，从而获得良好的综合性能． 同时通过进一步降 低韧 － 脆转变温度，保证良好稳定的低温冲击性能． 1. 3. 1 成分设计 E36 /40、F36 /40 级船体用钢对强度有较高要 求，尤其对低温( E 级，－ 40 ℃ ; F 级，－ 60 ℃ ; 认证时 相应再降低 － 20 ℃ ) 冲击韧性有很高的要求，而且 要具有良好的焊接性能［5］． 因此根据 GB712—2000 和各国船级社规范对 TMCP 交货状态船板成分要求 设计内控成分，成分设计主要依据如下几个原则: ( 1) 钢加入 Nb，目的是利用 Nb 提高未再结晶 温度( TNR) ，延迟变形奥氏体再结晶，细化铁素体晶 粒，提高钢板的强韧性; ( 2) 40 kg 级船板加 V，主要是利用其在轧后冷 却相变过程中产生析出强化而提高钢板的强度; ( 3) F 级船板中加入 Ni，主要是利用 Ni 改善钢 板的低温韧性，保证钢板在低温环境中更加安全地 服役; ( 4) 钢中加入微量 Ti，微 Ti 处理有利于保证含 Nb 钢坯的表面质量，同时钢中 Ti 可以固氮，从而改 善钢板的应变时效冲击性能，另外钢中加入 Ti 可以 改善焊接性能; ( 5) 降低磷、硫含量，提高钢的塑韧性． 磷含量 主要影响钢的塑性，硫含量主要影响钢的冲击韧性 和韧脆转变温度，此外钢中硫化物夹杂影响钢的各 向异性; ( 6) TMCP 交货船板采用低碳、微合金化的成 分设计严格控制碳当量，保证良好的焊接性能． E36 /40、F36 /40 级高强船板，对钢板的强韧性、 焊接性能、拉伸断口等要求很高． 首钢生产该系列 钢种考虑设备条件及产品性能，采用低碳、复合微合 金化的成分设计加严格的控轧控冷工艺生产，钢中 加入微合金化元素 Nb、V、Ti． 表 4 为 TMCP 工艺 E36 /40、F36 /40 级高强船板化学成分的判定及目标 要求． 表 4 E36 /40、F36 /40 级 TMCP 船板的成分控制要求( 质量分数) Table 4 Composition requirements of E36 /40，F36 /40 grade TMCP ship plate % 钢级 C Si Mn P S Alt 微合金元素 E36 /40 0. 02 ～ 0. 12 0. 20 ～ 0. 55 1. 20 ～ 1. 60 ＜ 0. 015 ≤0. 010 0. 020 ～ 0. 050 适量 F36 /40 0. 02 ～ 0. 10 0. 20 ～ 0. 55 1. 20 ～ 1. 60 ＜ 0. 015 ≤0. 010 0. 020 ～ 0. 050 适量 注: 碳当量 Ceq = wC + wMn /6 + ( wCr + wMo + wV ) /5 + ( wNi + wCu ) /15，且 wNb + wV + wTi≤0. 12% ． 在生产 E36 /40、F36 /40 级船板时要注意以下 问题: ( 1) 采用低碳设计，确保钢板良好的低温冲击 韧性及良好的焊接性能，同时兼顾产品的成本，E 级 按目标 0. 12% 以内控制，F 级按目标 0. 10% 以内 控制; ( 2) 40 kg 级船板中要加入适量的 V，保证 V 的 析出强化对钢板强度的贡献; ( 3) 在控制较低碳含量的前提下，保证钢中稳 定的 Mn 含量以及微合金元素的含量，以确保随着 厚度的增加，钢板强度指标仍能满足无厚度效应的 要求; ( 4) 严格控制 S、P 以及［N］含量，确保钢板的 塑性和低温韧性． 1. 3. 2 生产工艺路线 根据产品的低温韧性等特殊要求，结合首钢工 装设备条件，采用低碳、Nb、V、Ti 微合金化成分设 计． 通过严格的成分控制、钢质洁净度控制、TMCP 控轧控冷工艺等技术保证首钢生产的 E36 /40、F36 / 40 产品能够满足用户严格的使用要求． E /F 级船板的生产工艺为: 脱硫扒渣—转炉冶 炼—LF 炉精炼( —RH 真空处理) —板坯全保护浇 注—铸坯缓冷—钢坯外观检查—钢坯加热—高压水 除鳞—控制轧制—控制冷却—矫直—喷 号 ( —堆 ·110·

增刊1 徐永林等：首钢TMCP工艺E/F级高强船板冶炼工艺 111 冷)一精整一入库. 用，主要表现为：①阻止加热过程奥氏体晶粒的粗 化：②抑制奥氏体的再结晶（动态再结晶、静态再结 2关键生产技术 晶和亚动态再结晶)，显著提高奥氏体的再结晶温 结合首钢工装设备条件，为了能够生产出满足 度：③阻止奥氏体的回复（动态回复、静态回复和 船级社及用户要求的E36、E40、F36和F40级船板， 亚动态回复)；④阻止再结晶晶粒的长大.同时，在 首钢通过采用低碳、Nb、V、Ti微合金化成分设计，严 控轧控冷过程中形成的Nb的碳、氮化物还会起到 格控制化学成分、钢水洁净度、TMCP控轧控冷工艺 一定程度的沉淀强化作用. 制度等主要冶金技术，独立自主开发了合金用量低、 V在合金元素中是强化元素，由于VC、VN、V 工序少、具有良好的低温韧性和焊接性能的E36、 (CN)的沉淀强化，可使钢的强度明显提高.但是V E40、F36和F40级船板.产品成本低、低温韧性及 同时会提高韧脆转变温度，其质量分数一般控制在 可焊性好，质量稳定，产品综合性能优良 0.08%以下. 2.1窄成分控制 T具有强烈的阻止奥氏体晶粒长大的能力，钢 化学成分在很大程度上决定了高强船板的各项 中加入少量T(质量分数小于0.02%)时，即可显著 力学性能6.E36140、F36/40采用的是低碳、微合 提高奥氏体晶粒的粗化温度.这是由于，TN在钢 金化的成分设计，因此C、Mn以及Nb、V、Ti、Ni的稳 中的溶解度很低，在奥氏体区相当稳定，当其尺寸较 定、准确控制直接影响钢板的力学性能.要获得稳 小时(<200m),可强烈地钉扎品界，阻止晶粒的长 定的、满足要求的力学性能指标，必须对这些元素含 大.同时钢中Ti可以固氮从而改善E36/40、36/40 量严格控制，尤其是对钢中C、Mn以及Nb、V、Ti等 船板的应变时效冲击性能.另外，T的氨化物颗粒 微合金元素的窄成分控制， 的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化.因此，钛 2.1.1碳元素的控制 可同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性. E/F级高强船板碳含量稳定控制，主要采取以 微合金元素Nb、V和Ti在钢中通过品粒细化 下控制工艺 影响强度和韧性，以Nb最为显著8).E36140、F36/ (1)转炉冶炼 40钢中的Nb、V和Ti微合金化元素含量要求控制 采用顶底复吹转炉，要求底部透气砖工作状态 稳定，主要控制方法如下 良好，保证复吹效果，转炉吹炼初期底吹氩气流量、 (1)合金加入量：冶炼过程中精确控制转炉出 吹炼末期底吹氩气流量根据情况调节，保证炉内钢 钢量，准确计算合金的加入量. 水的均匀性，吹炼末期顶枪采用低枪位、大流量强搅 (2)钢水氧化性的控制：出钢采用A!铁强脱 拌：采用低温拉碳制度，拉碳温度控制在1730℃以 氧，严格控制钢水的氧化性，避免合金烧损. 内，保证一次拉碳命中率，强化转炉操作，防止钢水 (3)合金加入时机：根据合金元素氧化性强弱， 过氧化，稳定吹炼终点目标碳含量 合理控制合金的加入时机，VFe在出钢脱氧后加入， (2)控制增碳. NbFe在精炼过程中加入，TiFe在精炼结束加入，并 LF炉精炼过程中采用控碳深脱硫的冶炼工艺 保证合金成分的均匀. 技术，成功地解决了F炉精炼过程中钢水增碳的 2.2钢质洁净度控制技术 问题，使LF炉精炼过程中钢水增碳量在0.020%以 为了充分发挥控制轧制的作用，必须严格控制 内.同时采用低碳钢包保温剂、低碳中间包覆盖剂、 钢中的有害元素、有害气体及夹杂物.硫和磷对船 低碳结晶器保护渣，在后续工序中进一步控制增碳. 体结构用钢都是非常有害的元素，在钢中分别会产 2.1.2微合金元素的控制 生冷脆、热脆现象，影响钢板性能 钢中微合金元素的特点是能与碳、氮结合成碳 钢中硫、磷含量直接影响到钢板的塑性和韧性， 化物、氨化物和碳氨化物.这些化合物在高温下溶 MnS、氧化物夹杂或碳化物等第二相颗粒的存在都 解，在低温下析出，其作用表现为：加热时阻碍原始 会降低钢的塑性和强韧性，降低钢的延伸率.MS 奥氏体晶粒长大：轧制过程中抑制再结品及再结晶 夹杂属于塑性夹杂物，在乳制过程中会随轧制方向 后的晶粒长大；在低温时起到析出强化作用.钢中 拉长延伸，加大了钢的各向异性，这对钢的横向性能 加入N,可以改善低温韧性，但是须保证钢的洁净 非常不利.硫形成的FS使钢在热轧和焊接中产生 度，严格控制钢中夹杂物的数量及形态 热脆裂纹，含硫较高时，抗HS腐蚀能力大为下降. Nb在控制轧制过程中产生显著的品粒细化作 钢水洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标

增刊 1 徐永林等: 首钢 TMCP 工艺 E/F 级高强船板冶炼工艺 冷) —精整—入库． 2 关键生产技术 结合首钢工装设备条件，为了能够生产出满足 船级社及用户要求的 E36、E40、F36 和 F40 级船板， 首钢通过采用低碳、Nb、V、Ti 微合金化成分设计，严 格控制化学成分、钢水洁净度、TMCP 控轧控冷工艺 制度等主要冶金技术，独立自主开发了合金用量低、 工序少、具有良好的低温韧性和焊接性能的 E36、 E40、F36 和 F40 级船板． 产品成本低、低温韧性及 可焊性好，质量稳定，产品综合性能优良． 2. 1 窄成分控制 化学成分在很大程度上决定了高强船板的各项 力学性能［6］． E36 /40、F36 /40 采用的是低碳、微合 金化的成分设计，因此 C、Mn 以及 Nb、V、Ti、Ni 的稳 定、准确控制直接影响钢板的力学性能． 要获得稳 定的、满足要求的力学性能指标，必须对这些元素含 量严格控制，尤其是对钢中 C、Mn 以及 Nb、V、Ti 等 微合金元素的窄成分控制． 2. 1. 1 碳元素的控制 E /F 级高强船板碳含量稳定控制，主要采取以 下控制工艺． ( 1) 转炉冶炼． 采用顶底复吹转炉，要求底部透气砖工作状态 良好，保证复吹效果，转炉吹炼初期底吹氩气流量、 吹炼末期底吹氩气流量根据情况调节，保证炉内钢 水的均匀性，吹炼末期顶枪采用低枪位、大流量强搅 拌; 采用低温拉碳制度，拉碳温度控制在 1 730 ℃ 以 内，保证一次拉碳命中率，强化转炉操作，防止钢水 过氧化，稳定吹炼终点目标碳含量． ( 2) 控制增碳． LF 炉精炼过程中采用控碳深脱硫的冶炼工艺 技术，成功地解决了 LF 炉精炼过程中钢水增碳的 问题，使 LF 炉精炼过程中钢水增碳量在 0. 020% 以 内． 同时采用低碳钢包保温剂、低碳中间包覆盖剂、 低碳结晶器保护渣，在后续工序中进一步控制增碳． 2. 1. 2 微合金元素的控制 钢中微合金元素的特点是能与碳、氮结合成碳 化物、氮化物和碳氮化物． 这些化合物在高温下溶 解，在低温下析出，其作用表现为: 加热时阻碍原始 奥氏体晶粒长大; 轧制过程中抑制再结晶及再结晶 后的晶粒长大; 在低温时起到析出强化作用． 钢中 加入 Ni，可以改善低温韧性，但是须保证钢的洁净 度，严格控制钢中夹杂物的数量及形态． Nb 在控制轧制过程中产生显著的晶粒细化作 用，主要表现为: ①阻止加热过程奥氏体晶粒的粗 化; ②抑制奥氏体的再结晶( 动态再结晶、静态再结 晶和亚动态再结晶) ，显著提高奥氏体的再结晶温 度［7］; ③阻止奥氏体的回复( 动态回复、静态回复和 亚动态回复) ; ④阻止再结晶晶粒的长大． 同时，在 控轧控冷过程中形成的 Nb 的碳、氮化物还会起到 一定程度的沉淀强化作用． V 在合金元素中是强化元素，由于 VC、VN、V ( CN) 的沉淀强化，可使钢的强度明显提高． 但是 V 同时会提高韧脆转变温度，其质量分数一般控制在 0. 08% 以下． Ti 具有强烈的阻止奥氏体晶粒长大的能力，钢 中加入少量 Ti( 质量分数小于 0. 02% ) 时，即可显著 提高奥氏体晶粒的粗化温度． 这是由于，TiN 在钢 中的溶解度很低，在奥氏体区相当稳定，当其尺寸较 小时( ＜ 200 nm) ，可强烈地钉扎晶界，阻止晶粒的长 大． 同时钢中 Ti 可以固氮从而改善 E36 /40、F36 /40 船板的应变时效冲击性能． 另外，Ti 的氮化物颗粒 的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化． 因此，钛 可同时提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性． 微合金元素 Nb、V 和 Ti 在钢中通过晶粒细化 影响强度和韧性，以 Nb 最为显著［8］． E36 /40、F36 / 40 钢中的 Nb、V 和 Ti 微合金化元素含量要求控制 稳定，主要控制方法如下． ( 1) 合金加入量: 冶炼过程中精确控制转炉出 钢量，准确计算合金的加入量． ( 2) 钢水氧化性的控制: 出钢采用 Al 铁强脱 氧，严格控制钢水的氧化性，避免合金烧损． ( 3) 合金加入时机: 根据合金元素氧化性强弱， 合理控制合金的加入时机，VFe 在出钢脱氧后加入， NbFe 在精炼过程中加入，TiFe 在精炼结束加入，并 保证合金成分的均匀． 2. 2 钢质洁净度控制技术 为了充分发挥控制轧制的作用，必须严格控制 钢中的有害元素、有害气体及夹杂物． 硫和磷对船 体结构用钢都是非常有害的元素，在钢中分别会产 生冷脆、热脆现象，影响钢板性能． 钢中硫、磷含量直接影响到钢板的塑性和韧性， MnS、氧化物夹杂或碳化物等第二相颗粒的存在都 会降低钢的塑性和强韧性，降低钢的延伸率． MnS 夹杂属于塑性夹杂物，在轧制过程中会随轧制方向 拉长延伸，加大了钢的各向异性，这对钢的横向性能 非常不利． 硫形成的 FeS 使钢在热轧和焊接中产生 热脆裂纹，含硫较高时，抗 HIS 腐蚀能力大为下降． 钢水洁净度是反映钢的总体质量水平的重要标 ·111·

◆112 北京科技大学学报 第33卷 志，是钢的内在质量的保证指标.洁净钢控制技术 2.2.2氧、氮和氢含量的控制 包括两个方面的内容：一是减少钢中磷、硫、氨、氢等 首钢E36、E40冶炼工艺路线采用铁水预处 有害元素、杂质元素的含量：二是控制钢中非金属夹 理一转炉冶炼一LF炉外精炼一(RH真空脱气)一 杂物的数量和形态. 板坯连铸，该工艺路线可有效控制钢中氧、氨和氢等 2.2.1硫、磷含量的控制 元素含量 钢中的磷主要是通过转炉双渣法冶炼和控制后 降低转炉出钢氧含量，出钢过程中强化脱氧： 续工序回磷来实现的，E/F级船板钢成品平均磷质 LF炉采用白渣精炼，控制有效精炼时间，实现钢水 量分数稳定控制在了1.50×10-4以内 脱氧.RH真空处理进一步降低钢中的氧、氮及氢元 (1)转炉脱磷. 素含量.部分炉次钢水在LF炉处理后，钢中氢含量 转炉脱磷主要通过双渣冶炼，控制头批渣的倒 比较高时，经真空处理后，钢中的氢质量分数控制在 渣时间，目的是为了倒掉含大量磷酸亚铁的头批渣， 2×10-6以下，钢中氢含量的降低直接提高了E/F 保证终渣碱度，以便对钢水进一步脱磷，采用双渣工 级船板钢产品的内部质量及探伤合格率 艺转炉终点的磷可以控制在1×104之内 采用全保护浇铸，减少连铸过程二次氧化，防止 (2)后续工艺减少回磷 钢水吸氨，优化中间包流场，进一步减少钢中的氧含 转炉出钢时强化挡渣，下渣时采用“错包”操 量.首钢E/F级船板连铸坯中的氮质量分数基本控 作，有效地减少了转炉到钢包的下渣量，以避免钢水 制在6×10-5之内，总氧质量分数稳定控制在4× 回磷过多.此外，出钢时往钢包中加入合成渣以便 105之内. 对钢渣进行改质，可将精炼过程钢水回磷质量分数 2.2.3非金属夹杂物的控制 控制在5×10-5以内. 钢中非金属夹杂物对钢的塑性、韧性和疲劳性 钢中硫含量的控制主要通过铁水脱硫预处理、 能有不利的影响，直接影响钢的加工性能.夹杂物 控制转炉回硫和F炉精炼深脱硫来实现的，成品 对钢的性能的影响程度，主要取决于钢中夹杂物的 平均硫质量分数稳定控制在7×10-5以内. 数量、颗粒大小、形态及分布.夹杂物控制是生产中 (1)铁水脱硫预处理. 的一个技术难点，单从冶炼过程中的某一个环节进 包底加固硫剂，对固硫剂的成分进行了改进，然 行控制是无法保证钢中夹杂物检验的合格率，因此， 后兑铁水，兑完铁水在渣面撒铝粒进行渣面脱氧，采 提出了炼钢全流程控制技术对夹杂物的数量、形态 用喷吹颗粒镁进行脱硫预处理，喷吹后的渣中F0 进行严格控制. 含量降低；喷吹完毕进行扒渣操作，扒渣时加入聚渣 (1)夹杂物数量的控制. 剂，使脱硫渣在铁水表面上聚结成块，易于扒除.铁 船板钢的生产虽没有对夹杂物检验有严格的要 水脱硫预处理，脱后硫含量完全符合要求，平均脱硫 求，但认证过程中需要对其夹杂物进行检验并上交 率高达80%以上. 船级社总部，检验结果也作为认证是否合格的参考 (2)LF炉深脱硫 依据.为了满足工业化生产的需要，在治炼过程中 LF炉精炼采用控碳深脱硫冶炼工艺，在减少增 采取了以下工艺技术和措施对钢中夹杂物的数量进 碳的前提条件下，进行深脱硫处理，精炼结束后钢中 行控制 硫质量分数为7×10-5以内，冶炼工艺要点如下： ①优化转炉操作工艺，控制合适的转炉终点碳 ①控制转炉下渣量，保证钢包底部透气砖工作 含量，降低转炉终点钢水氧活度：出钢过程中采用 状态良好； AlFe脱氧，并向钢包中加入合成渣，采用渣洗操作， ②控制钢水到LF炉的温度，保证钢水脱硫的 促进脱氧产物形核长大和去除 热力学条件： ②LF炉采用白渣精炼，保证LF炉有效精炼时 ③加入高碱度精炼渣； 间，控制精炼渣的性能，提高精炼渣吸附夹杂物的能 ④脱硫时间控制在25min以内，精炼结束要求 力，控制钢包底吹氩气的流量促进脱氧产物充分上 钢渣氧化性及碱度 浮进入钢渣. 采用此工艺在有效地解决了LF炉精炼过程中 ③部分钢水前期钢质洁净度控制不理想时，可 的增碳问题的基础上，实现了快速、高效深脱硫，可 采用RH真空处理弥补.RH真空处理过程中控制 以缩短LF炉化渣、脱硫处理时间，缩短了治炼 提升氩气流量、最高真空度、深真空处理时间，进一 周期. 步降低钢中夹杂物：真空结束进行软吹和镇静，控制

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 志，是钢的内在质量的保证指标． 洁净钢控制技术 包括两个方面的内容: 一是减少钢中磷、硫、氮、氢等 有害元素、杂质元素的含量; 二是控制钢中非金属夹 杂物的数量和形态． 2. 2. 1 硫、磷含量的控制 钢中的磷主要是通过转炉双渣法冶炼和控制后 续工序回磷来实现的，E /F 级船板钢成品平均磷质 量分数稳定控制在了 1. 50 × 10 － 4 以内． ( 1) 转炉脱磷． 转炉脱磷主要通过双渣冶炼，控制头批渣的倒 渣时间，目的是为了倒掉含大量磷酸亚铁的头批渣， 保证终渣碱度，以便对钢水进一步脱磷，采用双渣工 艺转炉终点的磷可以控制在 1 × 10 － 4 之内． ( 2) 后续工艺减少回磷． 转炉出钢时强化挡渣，下渣时采用“错包”操 作，有效地减少了转炉到钢包的下渣量，以避免钢水 回磷过多． 此外，出钢时往钢包中加入合成渣以便 对钢渣进行改质，可将精炼过程钢水回磷质量分数 控制在 5 × 10 － 5 以内． 钢中硫含量的控制主要通过铁水脱硫预处理、 控制转炉回硫和 LF 炉精炼深脱硫来实现的，成品 平均硫质量分数稳定控制在 7 × 10 － 5 以内． ( 1) 铁水脱硫预处理． 包底加固硫剂，对固硫剂的成分进行了改进，然 后兑铁水，兑完铁水在渣面撒铝粒进行渣面脱氧，采 用喷吹颗粒镁进行脱硫预处理，喷吹后的渣中 FeO 含量降低; 喷吹完毕进行扒渣操作，扒渣时加入聚渣 剂，使脱硫渣在铁水表面上聚结成块，易于扒除． 铁 水脱硫预处理，脱后硫含量完全符合要求，平均脱硫 率高达 80% 以上． ( 2) LF 炉深脱硫． LF 炉精炼采用控碳深脱硫冶炼工艺，在减少增 碳的前提条件下，进行深脱硫处理，精炼结束后钢中 硫质量分数为 7 × 10 － 5 以内，冶炼工艺要点如下: ① 控制转炉下渣量，保证钢包底部透气砖工作 状态良好; ② 控制钢水到 LF 炉的温度，保证钢水脱硫的 热力学条件; ③ 加入高碱度精炼渣; ④ 脱硫时间控制在 25 min 以内，精炼结束要求 钢渣氧化性及碱度． 采用此工艺在有效地解决了 LF 炉精炼过程中 的增碳问题的基础上，实现了快速、高效深脱硫，可 以缩短 LF 炉化渣、脱硫处理时间，缩 短 了 冶 炼 周期． 2. 2. 2 氧、氮和氢含量的控制 首钢 E36、E40 冶炼工艺路线采用铁水预处 理—转炉冶炼—LF 炉外精炼—( RH 真空脱气) — 板坯连铸，该工艺路线可有效控制钢中氧、氮和氢等 元素含量． 降低转炉出钢氧含量，出钢过程中强化脱氧; LF 炉采用白渣精炼，控制有效精炼时间，实现钢水 脱氧． RH 真空处理进一步降低钢中的氧、氮及氢元 素含量． 部分炉次钢水在 LF 炉处理后，钢中氢含量 比较高时，经真空处理后，钢中的氢质量分数控制在 2 × 10 － 6 以下，钢中氢含量的降低直接提高了 E /F 级船板钢产品的内部质量及探伤合格率． 采用全保护浇铸，减少连铸过程二次氧化，防止 钢水吸氮，优化中间包流场，进一步减少钢中的氧含 量． 首钢 E /F 级船板连铸坯中的氮质量分数基本控 制在 6 × 10 － 5 之内，总氧质量分数稳定控制在 4 × 10 － 5 之内． 2. 2. 3 非金属夹杂物的控制 钢中非金属夹杂物对钢的塑性、韧性和疲劳性 能有不利的影响，直接影响钢的加工性能． 夹杂物 对钢的性能的影响程度，主要取决于钢中夹杂物的 数量、颗粒大小、形态及分布． 夹杂物控制是生产中 的一个技术难点，单从冶炼过程中的某一个环节进 行控制是无法保证钢中夹杂物检验的合格率，因此， 提出了炼钢全流程控制技术对夹杂物的数量、形态 进行严格控制． ( 1) 夹杂物数量的控制． 船板钢的生产虽没有对夹杂物检验有严格的要 求，但认证过程中需要对其夹杂物进行检验并上交 船级社总部，检验结果也作为认证是否合格的参考 依据． 为了满足工业化生产的需要，在冶炼过程中 采取了以下工艺技术和措施对钢中夹杂物的数量进 行控制． ① 优化转炉操作工艺，控制合适的转炉终点碳 含量，降低转炉终点钢水氧活度; 出钢过程中采用 AlFe 脱氧，并向钢包中加入合成渣，采用渣洗操作， 促进脱氧产物形核长大和去除． ② LF 炉采用白渣精炼，保证 LF 炉有效精炼时 间，控制精炼渣的性能，提高精炼渣吸附夹杂物的能 力，控制钢包底吹氩气的流量促进脱氧产物充分上 浮进入钢渣 . ③ 部分钢水前期钢质洁净度控制不理想时，可 采用 RH 真空处理弥补． RH 真空处理过程中控制 提升氩气流量、最高真空度、深真空处理时间，进一 步降低钢中夹杂物; 真空结束进行软吹和镇静，控制 ·112·

增刊1 徐永林等：首钢TMCP工艺E/F级高强船板冶炼工艺 ·113 软吹流量和时间，保证镇静时间，促进细小夹杂物的2.3连铸坯质量控制工艺 上浮、去除 E/P级船板钢连铸坯检验合格率97.63%，内 ④连铸过程保证大包自开率，采取全保护浇 部质量较好，主要采取以下措施对连铸坯的内部质 注，防止钢水二次氧化：优化中包内的钢液流动，增 量进行控制： 加钢水在中间包内的停留时间，进一步减少钢中夹 (1)通过对连铸机的精细维护和严格管理，保 杂物. 证生产该系列船板时铸机良好的生产状态： (2)夹杂物形态的控制. (2)优化铸机的拉速，确定二冷区喷水量与铸 冶炼过程中采用AFe对钢水进行脱氧，用Al 坯表面换热系数的关系，对二冷制度进行优化； 脱氧的钢中存在氧化物夹杂物，熔点很高，在钢液中 (3)连铸过程中采用末端强冷和轻压下技术， 呈固态，在连铸过程中很容易在中包水口处聚集，引 补偿连铸坯心部凝固所造成的体积收缩，避免心部 起堵塞.钢中的A山，03夹杂为脆性夹杂，在轧制过程 因凝固收缩而产生负压，有效地减轻连铸板坯中心 中会被轧碎，沿轧制方向方向连续分布，造成严重的 偏析和中心疏松； 缺陷.如何控制铝脱氧产物，使之在钢液中呈液态， (4)中间包过热度等方面进行优化和控制，中 大量上浮，不仅可以改善水口堵塞，保证连铸顺利进 包过热度控制在20±5℃以内. 行，而且还可以改善钢的纯净度. 采用Ca处理工艺，在精炼处理末期，向钢水中 3E/F级高强船板实物质量 喂入Ca-Si线，控制钢中的Ca含量，对夹杂物进行3.1钢坯质量 变性处理，不仅能把蔟状的A山，O,夹杂变成球状、低 首钢生产的E36、E40级船板钢对钢坯的内部 熔点的钙铝酸盐夹杂，也能使玻璃质的硅酸盐夹杂 质量要求严格，通过对连铸机的精细维护和严格管 球化，还能消除或减少条状硫化锰夹杂，变成球状硫 理，连铸过程中采用末端强冷和轻压下技术，并对拉 化钙或钙锰硫化物复合夹杂9，改善钢水的可浇性 速、二冷制度和中间包过热度等方面进行优化和控 和对钢材性能的影响.当钢水中A山质量分数平均 制，使首钢生产的E/F级高强船板铸坯内部质量得 为0.040%，经Ca处理后，钢中的Ca含量控制在 到了保障.图1和图2分别为首钢E36和E40级高 2.0×10-5~3.5×10-5,形成低熔点12Ca07Al203 强船板的典型低倍照片，铸坯尺寸为250mm×2000 (熔点1455℃)，可避免水口结瘤和侵蚀塞棒，大大 mm.铸坯中心偏析C类1.0级、Al203夹杂0.5级， 改善钢水的可浇性性能，并使钢中脱氧产物脆性夹 其他中间裂纹、角裂纹和三角区裂纹等均为0级. 杂物Al203减少，形成Ca0-Al,0,CaS-Mg0复合夹 首钢生产的E/F级船板低倍检验结果表明，良好的 杂物. 铸坯内部质量为生产合格的E/F级船板钢创造了 良好的条件 o四 图136级船板典型低倍照片 Fig.1 Typical low magnitude photo of E36 grade ship plate 10 cm 图2E40级船板典型低倍照片 Fig.2 Typical low magnitude photo of E40 grade ship plate

增刊 1 徐永林等: 首钢 TMCP 工艺 E/F 级高强船板冶炼工艺 软吹流量和时间，保证镇静时间，促进细小夹杂物的 上浮、去除． ④ 连铸过程保证大包自开率，采取全保护浇 注，防止钢水二次氧化; 优化中包内的钢液流动，增 加钢水在中间包内的停留时间，进一步减少钢中夹 杂物． ( 2) 夹杂物形态的控制． 冶炼过程中采用 AlFe 对钢水进行脱氧，用 Al 脱氧的钢中存在氧化物夹杂物，熔点很高，在钢液中 呈固态，在连铸过程中很容易在中包水口处聚集，引 起堵塞． 钢中的 Al2O3夹杂为脆性夹杂，在轧制过程 中会被轧碎，沿轧制方向方向连续分布，造成严重的 缺陷． 如何控制铝脱氧产物，使之在钢液中呈液态， 大量上浮，不仅可以改善水口堵塞，保证连铸顺利进 行，而且还可以改善钢的纯净度． 采用 Ca 处理工艺，在精炼处理末期，向钢水中 喂入 Ca--Si 线，控制钢中的 Ca 含量，对夹杂物进行 变性处理，不仅能把蔟状的 Al2O3夹杂变成球状、低 熔点的钙铝酸盐夹杂，也能使玻璃质的硅酸盐夹杂 球化，还能消除或减少条状硫化锰夹杂，变成球状硫 化钙或钙锰硫化物复合夹杂［9］，改善钢水的可浇性 和对钢材性能的影响． 当钢水中 Al 质量分数平均 为 0. 040% ，经 Ca 处理后，钢中的 Ca 含量控制在 2. 0 × 10 － 5 ～ 3. 5 × 10 － 5 ，形成低熔点 12CaO·7Al2O3 ( 熔点 1 455 ℃ ) ，可避免水口结瘤和侵蚀塞棒，大大 改善钢水的可浇性性能，并使钢中脱氧产物脆性夹 杂物 Al2O3减少，形成 CaO--Al2O3--CaS--MgO 复合夹 杂物． 2. 3 连铸坯质量控制工艺 E /F 级船板钢连铸坯检验合格率 97. 63% ，内 部质量较好，主要采取以下措施对连铸坯的内部质 量进行控制: ( 1) 通过对连铸机的精细维护和严格管理，保 证生产该系列船板时铸机良好的生产状态; ( 2) 优化铸机的拉速，确定二冷区喷水量与铸 坯表面换热系数的关系，对二冷制度进行优化; ( 3) 连铸过程中采用末端强冷和轻压下技术， 补偿连铸坯心部凝固所造成的体积收缩，避免心部 因凝固收缩而产生负压，有效地减轻连铸板坯中心 偏析和中心疏松; ( 4) 中间包过热度等方面进行优化和控制，中 包过热度控制在 20 ± 5 ℃以内． 3 E/F 级高强船板实物质量 3. 1 钢坯质量 首钢生产的 E36、E40 级船板钢对钢坯的内部 质量要求严格，通过对连铸机的精细维护和严格管 理，连铸过程中采用末端强冷和轻压下技术，并对拉 速、二冷制度和中间包过热度等方面进行优化和控 制，使首钢生产的 E /F 级高强船板铸坯内部质量得 到了保障． 图 1 和图 2 分别为首钢 E36 和 E40 级高 强船板的典型低倍照片，铸坯尺寸为 250 mm × 2 000 mm． 铸坯中心偏析 C 类 1. 0 级、Al2O3夹杂 0. 5 级， 其他中间裂纹、角裂纹和三角区裂纹等均为 0 级． 首钢生产的 E /F 级船板低倍检验结果表明，良好的 铸坯内部质量为生产合格的 E /F 级船板钢创造了 良好的条件． 图 1 E36 级船板典型低倍照片 Fig． 1 Typical low magnitude photo of E36 grade ship plate 图 2 E40 级船板典型低倍照片 Fig． 2 Typical low magnitude photo of E40 grade ship plate ·113·

◆114 北京科技大学学报 第33卷 从表5可以看到，通过严格的过程控制，在采用 3.2钢板气体含量及夹杂物 低碳的成分设计下钢板总氧含量很低.首钢生产的 首钢生产的E36、E40级船板钢气体含量如 E36/40、F36/40级船板金相夹杂物检验结果如 表5. 表6. 表5E36和E40级船板钢气体质量分数 从表6可以看出，C类夹杂物均为0级，A类没 Table 5 Mass fraction of gas in E36 and E40 grade ship plate 有出现粗系夹杂物，D粗系夹杂物最高为1.0级，钢 钢种 [0]/10-6 [N]/10-6 中夹杂物以氧化物夹杂为主.总体来讲，钢中非金 E36/40 7~30 30-70 属夹杂物级别较低，控制良好 表6典型的钢板夹杂物检验 Table 6 Typical inclusion analysis of steel plate A类 B类 C类 D类 厚度1 钢种 (硫化物类) (氧化铝类) (硅酸盐类) (球状氧化物类) DS类 mm 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 E36 25 0.5级 0级 0级 0.5级 0级 0级 1级 0.5级 0.5级 E40 40 0级 0级 0级 0.5级 0级 0级 1级 1.0级 0.5级 F36 40 0级 0级 0级 0.5级 0级 0级 0.5级 0.5级 0级 F40 0级 0级 0级 0级 0级 0级 0级 0级 0级 3.3钢板拉伸及Z向性能 度位置取样坯，按船级社规范以及产品国家标准 为检测试制钢板的拉伸性能以及不同位置性 加工拉伸试样及Z向拉伸试样.具体性能情况见 能的均匀性，在钢板头部、尾部的不同宽度以及厚 表7. 表7试制E级钢板的拉伸性能及Z向断面收缩率 Table 7 Tensile properties and elongation in the Z direction of the trial-processed E grade plate 厚度1 取样位置 断面收缩率业/% R/MPa R/MPa A/% 长度 宽度 厚度 1 2 3 1/4 455 550 27.0 1/4 1/2 435 540 27.0 74.0 74.0 77.5 1/4 460 560 31.5 1/2 1/2 435 535 29.5 340 114 440 520 31.5 1/4 1/2 415 510 28.5 尾 68.0 65.0 62.0 1/4 435 530 29.0 1/2 1/2 420 520 32.5 由表7可以看出，试制钢板拉伸性能完全符合 定变形和时效处理后的冲击韧性，也是船板认证过 船级社规范对E36级高强船板钢的要求并有较大 程中需要检测的重要性能指标.材料的应变时效冲 富余：Z向断面收缩率为60%以上，完全达到Z35 击性能通常较常规冲击性能差，尤其在低温下表现 要求并有较大富余 更为明显.这主要是因为在经过预变形的材料中， 3.4钢板冲击性能 游离态的C和N等间隙原子在时效处理的过程中具 为检验试制钢板不同位置冲击性能的均匀性， 备了一定的扩散能力，随着温度的升高和保温时间的 同样在钢板头部、尾部的宽度1/4位置取样坯按船 延长，C和N等间隙原子就会向预应变材料中的位 级社规范以及产品国家标准加工了常规冲击试样及 错、变形带等缺陷处偏聚0，形成“气团”，在加载过 应变时效冲击试样.应变时效冲击样坯先进行5% 程中，位错受到“气团”的钉扎，导致材料强度升高、塑 的预应变，再进行250℃、保温1h的时效处理，然后 性和韧性下降.常规冲击和应变时效冲击温度为 加工冲击试样.应变时效冲击性能表征材料经过一 -20、-40、-60和-80℃，冲击性能详见表8

北 京 科 技 大 学 学 报 第 33 卷 3. 2 钢板气体含量及夹杂物 首钢生产的 E36、E40 级船板钢气体含量如 表 5． 表 5 E36 和 E40 级船板钢气体质量分数 Table 5 Mass fraction of gas in E36 and E40 grade ship plate 钢种 ［O］/10 － 6 ［N］/10 － 6 E36 /40 7 ～ 30 30 ～ 70 从表 5 可以看到，通过严格的过程控制，在采用 低碳的成分设计下钢板总氧含量很低． 首钢生产的 E36 /40、F36 /40 级 船 板 金 相 夹 杂 物 检 验 结 果 如 表 6． 从表 6 可以看出，C 类夹杂物均为 0 级，A 类没 有出现粗系夹杂物，D 粗系夹杂物最高为 1. 0 级，钢 中夹杂物以氧化物夹杂为主． 总体来讲，钢中非金 属夹杂物级别较低，控制良好． 表 6 典型的钢板夹杂物检验 Table 6 Typical inclusion analysis of steel plate 钢种 厚度/ mm A 类 ( 硫化物类) B 类 ( 氧化铝类) C 类 ( 硅酸盐类) D 类 ( 球状氧化物类) 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 细系 粗系 DS 类 E36 25 0. 5 级 0 级 0 级 0. 5 级 0 级 0 级 1 级 0. 5 级 0. 5 级 E40 40 0 级 0 级 0 级 0. 5 级 0 级 0 级 1 级 1. 0 级 0. 5 级 F36 40 0 级 0 级 0 级 0. 5 级 0 级 0 级 0. 5 级 0. 5 级 0 级 F40 25 0 级 0 级 0 级 0 级 0 级 0 级 0 级 0 级 0 级 3. 3 钢板拉伸及 Z 向性能 为检测试制钢板的拉伸性能以及不同位置性 能的均匀性，在钢板头部、尾部的不同宽度以及厚 度位置取样坯，按船级社规范以及产品国家标准 加工拉伸试样及 Z 向拉伸试样． 具体性能情况见 表 7． 表 7 试制 E 级钢板的拉伸性能及 Z 向断面收缩率 Table 7 Tensile properties and elongation in the Z direction of the trial-processed E grade plate 厚度/ mm 取样位置 长度 宽度 厚度 Rel /MPa Rm /MPa A /% 断面收缩率 Ψz /% 1 2 3 1 /4 1 /4 455 550 27. 0 头 1 /2 435 540 27. 0 74. 0 74. 0 77. 5 1 /2 1 /4 460 560 31. 5 340 1 /2 435 535 29. 5 1 /4 1 /4 440 520 31. 5 尾 1 /2 415 510 28. 5 68. 0 65. 0 62. 0 1 /2 1 /4 435 530 29. 0 1 /2 420 520 32. 5 由表 7 可以看出，试制钢板拉伸性能完全符合 船级社规范对 E36 级高强船板钢的要求并有较大 富余; Z 向断面收缩率为 60% 以上，完全达到 Z35 要求并有较大富余． 3. 4 钢板冲击性能 为检验试制钢板不同位置冲击性能的均匀性， 同样在钢板头部、尾部的宽度 1 /4 位置取样坯按船 级社规范以及产品国家标准加工了常规冲击试样及 应变时效冲击试样． 应变时效冲击样坯先进行 5% 的预应变，再进行 250 ℃、保温 1 h 的时效处理，然后 加工冲击试样． 应变时效冲击性能表征材料经过一 定变形和时效处理后的冲击韧性，也是船板认证过 程中需要检测的重要性能指标． 材料的应变时效冲 击性能通常较常规冲击性能差，尤其在低温下表现 更为明显． 这主要是因为在经过预变形的材料中， 游离态的 C 和 N 等间隙原子在时效处理的过程中具 备了一定的扩散能力，随着温度的升高和保温时间的 延长，C 和 N 等间隙原子就会向预应变材料中的位 错、变形带等缺陷处偏聚［10］，形成“气团”，在加载过 程中，位错受到“气团”的钉扎，导致材料强度升高、塑 性和韧性下降． 常规冲击和应变时效冲击温度为 －20、－40、－60 和 －80 ℃，冲击性能详见表 8． ·114·

增刊1 徐永林等：首钢TMCP工艺E/F级高强船板冶炼工艺 ·115 表8试制钢板的冲击性 Table8 Impact property of the experimental plate 纵向常规冲击吸收功，A小 纵向时效冲击吸收功，A,」 取样位置 温度/℃ 1 2 3 平均 1 3 平均 -20 343 355 338 345 332 301 328 320 -40 328 334 334 332 286 289 285 287 头部 -60 327 330 333 330 287 308 207 267 -80 300 326 33 220 297 28 192 172 -20 337 349 334 340 311 323 312 315 -40 345 355 348 349 310 293 316 306 尾部 -60 321 308 335 321 302 48 296 215 -80 314 316 280 303 20 176 31 76 由表8可以看出，试验钢板的常规冲击吸收功 high strength hull structural steel in Shougang.Shougang Sci Tech- 到-80℃都完全满足船级社规范及相关产品国家 nol,2007(1):10 (麻庆申，徐莉，姜中行.等。首钢高强船板的研制开发.首钢 标准要求并有较大富余，常规冲击性能稳定达到F 科技，2007(1)：10) 级要求：应变时效冲击吸收功到-60℃都完全满足 [3] Wen Y H.Tang D,Wu H B,et al.Low-temperature toughness 船级社规范及国家标准要求并有较大富余，-80℃ characteristics of F40 hull structure steel.J Univ Sci Technol Bei- 的平均值也能满足要求，但单值开始出现波动，应变 jing,2008,30(7):724 时效冲击性能稳定达到F级要求.表8的试验数据 (温永红，唐获，武会宾，等.F40级船板低温韧性机理.北京 还表明，试验钢板的头部、中部和尾部的常规冲击性 科技大学学报，2008,30(7)：724) [4] Gong H G.Development of E36-735 Hull Plate in Xinyu Iron and 能和应变时效冲击性能较为均匀，冲击吸收功差别 Steel Co.Lid.Wide Heary Plate.2007.13(3):20 不大. (龚红根.新钢36-Z35船板的开发.宽厚板，2007,13(3)：20) 4结论 [5]Tian M.Gao M.Development of NVD(E)420 high strength hull plate.Wide Heary Plate,2010.16(4),13 (1)通过采用低碳、Nb、V、Ti微合金化及成分 (田苗，高明.高强度船板NVD(E)420钢板的研制开发，宽厚 板，2010.16(4)：13) 优化、洁净度控制、TMCP控轧控冷等关键技术，以 [6]Liu X Y.Wang Y F.Li Z J.et al.The development of high 铁水预处理一转炉冶炼一LF炉精炼（一RH真空设 strength hull plate F36 in use of TMCP low carbon process. 备)一板坯浇铸一TMCP控制轧制、控制冷却的工艺 Shougang Sci Technol,2010(3):34 路线成功开发了首钢E36、E40、F36和F40级高强 (刘学一，王彦锋，李战军，等.低碳TMCP工艺F36高强度船 船板，生产工艺稳定可靠、合理可行 板钢的开发.首钢科技，2010(3)：34) (2)首钢TMCP工艺E/F级高强船板化学成分 [7]Zhao YT.Shang C J,Yang S W.et al.The met stable austenite transformation in Mo2Nb2Cu2B low carbon steel.Mater Sci Eng 控制稳定.气体含量低，氧平均质量分数在2×10-5 A,2006,433(6):169 以下，氮平均质量分数6×10-5以下；杂质含量少， [8]Ma Y T.Ye J J.Application of Nb in low temperature high 铸坯质量稳定、优良 strength hull structural steel EH36.Wide Heary Plate,2002.8 (3)首钢TMCP工艺E36/40、F36/40级高强船 (3),15 板性能稳定，尤其是-60℃低温冲击韧性优良，各 (马云亭，叶建军.Nb在低温高强度船体结构钢EHB6中的应 用.宽厚板，2002.8(3)：15) 规格平均值在250J以上. [9] Zhang C J,Cai KK.Yuan WX.Metallurgical effect of ladle fur- nace in production process of pipeline steel.Iron Steel Vanadium 参考文献 7 itanium,2006,27(2):48 [1]Niu LX.Analysis on demand of steels for shipbuilding purpose in (张彩军，蔡开科，袁伟霞.管线钢生产中LF精炼炉的冶金效 China.Wuhan Iron Steel Corp Technol,2006.44(5):48 果分析.钢铁钒钛，2006,27(2)：48) (牛琳霞.我国船舶用钢的需求分析.武钢技术，2006,44(5)： [10]Cui Z Q.Metal and Heat Treatment.Beijing:China Machine 48) Press,2001 [2]Ma Q S,Xu L,Jiang Z H.et al.The research and development of (崔忠圻.金属学与热处理.北京：机械工业出版社，2001)

增刊 1 徐永林等: 首钢 TMCP 工艺 E/F 级高强船板冶炼工艺 表 8 试制钢板的冲击性 Table 8 Impact property of the experimental plate 取样位置 温度/℃ 纵向常规冲击吸收功，Akv /J 纵向时效冲击吸收功，Akv /J 1 2 3 平均 1 2 3 平均 － 20 343 355 338 345 332 301 328 320 头部 － 40 328 334 334 332 286 289 285 287 － 60 327 330 333 330 287 308 207 267 － 80 300 326 33 220 297 28 192 172 － 20 337 349 334 340 311 323 312 315 尾部 － 40 345 355 348 349 310 293 316 306 － 60 321 308 335 321 302 48 296 215 － 80 314 316 280 303 20 176 31 76 由表 8 可以看出，试验钢板的常规冲击吸收功 到 － 80 ℃都完全满足船级社规范及相关产品国家 标准要求并有较大富余，常规冲击性能稳定达到 F 级要求; 应变时效冲击吸收功到 － 60 ℃ 都完全满足 船级社规范及国家标准要求并有较大富余，－ 80 ℃ 的平均值也能满足要求，但单值开始出现波动，应变 时效冲击性能稳定达到 F 级要求． 表 8 的试验数据 还表明，试验钢板的头部、中部和尾部的常规冲击性 能和应变时效冲击性能较为均匀，冲击吸收功差别 不大． 4 结论 ( 1) 通过采用低碳、Nb、V、Ti 微合金化及成分 优化、洁净度控制、TMCP 控轧控冷等关键技术，以 铁水预处理—转炉冶炼—LF 炉精炼( —RH 真空设 备) —板坯浇铸—TMCP 控制轧制、控制冷却的工艺 路线成功开发了首钢 E36、E40、F36 和 F40 级高强 船板，生产工艺稳定可靠、合理可行． ( 2) 首钢 TMCP 工艺 E /F 级高强船板化学成分 控制稳定． 气体含量低，氧平均质量分数在 2 × 10 － 5 以下，氮平均质量分数 6 × 10 － 5 以下; 杂质含量少， 铸坯质量稳定、优良． ( 3) 首钢 TMCP 工艺 E36 /40、F36 /40 级高强船 板性能稳定，尤其是 － 60 ℃ 低温冲击韧性优良，各 规格平均值在 250 J 以上． 参 考 文 献 ［1］ Niu L X． Analysis on demand of steels for shipbuilding purpose in China． Wuhan Iron Steel Corp Technol，2006，44( 5) : 48 ( 牛琳霞． 我国船舶用钢的需求分析． 武钢技术，2006，44( 5) : 48) ［2］ Ma Q S，Xu L，Jiang Z H，et al． The research and development of high strength hull structural steel in Shougang． Shougang Sci Tech￾nol，2007( 1) : 10 ( 麻庆申，徐莉，姜中行，等． 首钢高强船板的研制开发． 首钢 科技，2007( 1) : 10) ［3］ Wen Y H，Tang D，Wu H B，et al． Low-temperature toughness characteristics of F40 hull structure steel． J Univ Sci Technol Bei￾jing，2008，30( 7) : 724 ( 温永红，唐荻，武会宾，等． F40 级船板低温韧性机理． 北京 科技大学学报，2008，30( 7) : 724) ［4］ Gong H G． Development of E36-Z35 Hull Plate in Xinyu Iron and Steel Co． Ltd． Wide Heavy Plate，2007，13( 3) : 20 ( 龚红根． 新钢 E36--Z35 船板的开发． 宽厚板，2007，13( 3) : 20) ［5］ Tian M，Gao M． Development of NVD( E) 420 high strength hull plate． Wide Heavy Plate，2010，16( 4) ，13 ( 田苗，高明． 高强度船板 NVD( E) 420 钢板的研制开发，宽厚 板，2010，16( 4) : 13) ［6］ Liu X Y，Wang Y F，Li Z J，et al． The development of high strength hull plate F36 in use of TMCP low carbon process． Shougang Sci Technol，2010( 3) : 34 ( 刘学一，王彦锋，李战军，等． 低碳 TMCP 工艺 F36 高强度船 板钢的开发． 首钢科技，2010( 3) : 34) ［7］ Zhao Y T，Shang C J，Yang S W，et aL． The met stable austenite transformation in Mo2Nb2Cu2B low carbon steel． Mater Sci Eng A，2006，433( 6) : 169 ［8］ Ma Y T，Ye J J． Application of Nb in low temperature high strength hull structural steel EH36． Wide Heavy Plate，2002，8 ( 3) ，15 ( 马云亭，叶建军． Nb 在低温高强度船体结构钢 EH36 中的应 用． 宽厚板，2002，8( 3) : 15) ［9］ Zhang C J，Cai K K，Yuan W X． Metallurgical effect of ladle fur￾nace in production process of pipeline steel． Iron Steel Vanadium Titanium，2006，27( 2) : 48 ( 张彩军，蔡开科，袁伟霞． 管线钢生产中 LF 精炼炉的冶金效 果分析． 钢铁钒钛，2006，27( 2) : 48) ［10］ Cui Z Q． Metal and Heat Treatment． Beijing: China Machine Press，2001 ( 崔忠圻． 金属学与热处理． 北京: 机械工业出版社，2001) ·115·