Research andDevelopment Strategy on Heavy Plate Steels and Recent Results at Dillinger

迪林根重型厚板研發(fā)

最近，一臺新的連鑄機投入使用，連鑄板坯厚達(dá)600mm。石油和天然氣公司提出鋼板工作地條件惡劣，易造成設(shè)備服役期間失效，針對這一問題，一種基于渦流檢測技術(shù)的無損檢測方法被開發(fā)出來，已經(jīng)成為鋼板生產(chǎn)過程中不可缺少一個工藝設(shè)備，它可以100%檢測覆蓋鋼板面，可靠地檢測出鋼板所有硬度增加的區(qū)域，這種在線檢測系統(tǒng)最近開始運行，其核心部件為持續(xù)的開發(fā)高質(zhì)量的鋼板提供了有力的支持。這種開發(fā)是市場提出高要求而驅(qū)動的，這些要求反映出鋼板需要更大的厚度，更大寬度，高的低溫韌性，高的強度和更好的抗酸環(huán)境服役性能。這篇文章使用圖表來解釋和說明厚板技術(shù)的進展。

鋼材的微觀組織結(jié)構(gòu)設(shè)計是迪林格厚板研究的中心環(huán)節(jié)，是鋼板的性能基礎(chǔ)，特別是結(jié)合完整的微觀組織結(jié)構(gòu)建模和仿真，以滿足更短和更有效的開發(fā)周期需求，越來越多的復(fù)雜模型被用于材料開發(fā)和工藝優(yōu)化。鋼板的冶煉和軋制以及測試過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)地收集和評估，同時建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來優(yōu)化材料設(shè)計和制造，降低生產(chǎn)成本，保證及時交付的可靠性。本文描述了迪林格的工藝生產(chǎn)方法。

持續(xù)進步的一個核心環(huán)節(jié)是工廠對先進技術(shù)的戰(zhàn)略性投資。本文將講述新投資建設(shè)的連鑄機，該鑄機可以澆鑄厚達(dá)600mm的板坯，還將概述對一種新投入的無損檢測(NDT)設(shè)備，該設(shè)備開發(fā)用于100%的鋼板表面檢測，將這個檢測設(shè)備作為鋼板生產(chǎn)過程的一個重要的工藝組成部分，它可以可靠地檢測任何區(qū)域和所有區(qū)域硬度增加的區(qū)域(所謂的硬點)。

市場持續(xù)提出高要求性能的鋼板驅(qū)動鋼廠開發(fā)的動力，迪林根這些核心技術(shù)為這種需求不斷研發(fā)奠定基礎(chǔ)。市場要求反映在更大厚度，更寬鋼板，更高的低溫韌性，更高的強度和/或更好的抗酸環(huán)境性能。這里將用最近的研發(fā)來解釋和說明技術(shù)的進展。 

研究戰(zhàn)略

圖1  狄林根研究和發(fā)展的三角核心環(huán)節(jié)（左上：鋼種設(shè)計，軋制和冷卻等；基于模型預(yù)報到右上：鋼板的強度，韌性等；通過各種試驗檢測下圖：微觀組織結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸，各種相等。）

基于數(shù)據(jù)整合預(yù)測模型的利用

同時，將基于數(shù)據(jù)庫的綜合預(yù)測模型可靠地用于改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高質(zhì)量保證、降低生產(chǎn)成本和保證交貨期的可靠性。

鋼板工藝設(shè)計需要達(dá)到要求的性能，包括所有相關(guān)的生產(chǎn)參數(shù)，例如，在熱機控制(TMCP)軋制過程中的化學(xué)成分和溫度設(shè)計，對于每個工藝參數(shù)，確定帶有誤差范圍的目標(biāo)值。性能的測試通常要做很多適應(yīng)性智能的工作，“很多”可以是一爐鋼，就是這一爐鋼也是要包括幾塊鋼板，一般來說，如果生產(chǎn)中某一參數(shù)超出了其允許范圍，比如精軋溫度過低，則需要對對相應(yīng)的鋼板進行額外檢測。

通過分析冶煉和軋制鋼板過程中和檢測中獲得的大量數(shù)據(jù)，訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)報機械性能，因此，可以使用這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計和定義鋼板生產(chǎn)。在某種程度上，可以使用模型來推斷設(shè)計新的鋼種，而不是根據(jù)以前的生產(chǎn)經(jīng)驗。每一塊鋼板生產(chǎn)后，就可以計算預(yù)報其性能是否存在不合的風(fēng)險，是否需要對其進行相應(yīng)必要的檢測試驗。由于各工序?qū)π阅芏加杏绊懽饔?，盡管一個或者幾個工序超出公差范圍，但是其它工序可以進行補償，仍然可以得到所需的機械性能（見圖2），另一方面，盡管所有工序都在工藝誤差范圍內(nèi)，但是負(fù)面效應(yīng)的疊加，仍有可能性能不能滿足要求。目前的研發(fā)集中于通過迭代過程來確定每一步的工藝公差，以補償可能出現(xiàn)的偏差或者補償沒有達(dá)到優(yōu)化的工藝參數(shù)，最終達(dá)到鋼板的性能要求。

圖2  生產(chǎn)制造過程中通過其它工序修正補償或多種因素積累來達(dá)到所需的機械性能（圖形上部主要工序為：冶煉連鑄，板坯加熱，軋制，冷卻，熱處理）

微觀組織設(shè)計

鋼板的微觀組織結(jié)構(gòu)是決定最終力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，在制造設(shè)計中起著關(guān)鍵性的作用。鑒于顯微技術(shù)的發(fā)展(如場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡(FEG-SEM)、電子背散射衍射(EBSD)或原子探針斷層掃描(APT))，對生產(chǎn)鋼種組織的表征已經(jīng)達(dá)到了其性能設(shè)計極限。以完整的材料模型和模擬仿真為基礎(chǔ)，基于微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，為更加有效、更加系統(tǒng)更短開發(fā)周期研發(fā)提供了有力的保證。此外，新的概念和處理方式對產(chǎn)品擴展其性能極限，實現(xiàn)性能明顯改進是可行的方法。

活動的關(guān)鍵領(lǐng)域包括對生產(chǎn)過程中微觀組織演變進行建模(圖3)，在材料應(yīng)用過程中建立微觀組織與性能和行為之間的關(guān)聯(lián)，其成功與否關(guān)鍵取決于微觀組織結(jié)構(gòu)表征的質(zhì)量，建模常常由物理模擬的結(jié)果和特征值支持，此外，對結(jié)果進行實驗和工業(yè)驗證是必不可少的。

圖3  鋼板軋制過程中微觀組織和沉淀析出演化及微觀組織結(jié)構(gòu)機理(簡圖示意)

（左側(cè)箭頭：組織結(jié)構(gòu)的演變，加熱爐內(nèi)晶粒粗化，軋制過程中再結(jié)晶和晶粒扁平化，水冷過程中發(fā)生相變，最后是鋼板的熱處理；右上表達(dá)的是析出物的演變過程，加熱爐中合金回溶，軋制過程中形核和形變誘導(dǎo)析出，過程中形核，熱處理過程中回溶，形核和晶粒粗化）

持續(xù)超前技術(shù)投入

迪林根鋼廠不斷前進的一個核心因素是鋼廠戰(zhàn)略性投資(圖4)。最近,一個新的連鑄機(CC)投入運行，能夠澆鑄厚達(dá)600mm板坯，并且安裝了一套在線渦流(EC)檢查設(shè)備，用來在線檢測鑄坯的硬點區(qū)域。[2~5]

圖4  迪林根鋼廠持續(xù)技術(shù)投入(示例)

（1960年建設(shè)世界上第一臺板坯連鑄機，80年代安裝了最大功率的鋼板軋機和安裝了MULPIC冷卻裝置；90年代第一次連鑄出400mm厚度板坯和采用軟壓下技術(shù)；從2010開始，在世界上首次生產(chǎn)450mm，500mm和600mm厚的連鑄板坯，并且第一次安裝使用了渦流在線檢測鑄坯硬點區(qū)域技術(shù)裝備）

新的板坯連鑄機

在2015年，新型6號連鑄機(CC6)投產(chǎn)，采用立式連鑄的布置(圖5)，其鑄坯在連鑄機的垂直部分完全凝固。立式連鑄機的特點是鑄坯不需要彎曲矯直，垂直方向上直接切割成倍尺的板坯。切割完成后，鑄坯放倒成水平狀態(tài)，由行車將其運送至輥道。鑄坯標(biāo)稱寬度2,200mm，2015年調(diào)試期間，生產(chǎn)的板坯厚度范圍在300 – 500mm之間。2017年，該鑄機提升檔次，生產(chǎn)的板坯最大厚度達(dá)到600mm。

圖5  新6號立式板坯連鑄機(CC6)立面布置

硬點檢測裝置

石油和天然氣公司對使用TMCP鋼板制作的鋼管在酸性環(huán)境條件下服役給與高度關(guān)注，因為硬點對管路連續(xù)完整性構(gòu)成了重大影響。在冶煉連鑄和軋制過程中，出現(xiàn)硬點的可能原因各不相同，硬點出現(xiàn)呈現(xiàn)偶然性。因此，大多數(shù)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)硬度測試很難甚至不可能檢測到硬點，標(biāo)準(zhǔn)表面硬度測試如果要可靠地工作，必須將材料劃分非常精細(xì)的網(wǎng)格進行數(shù)以千計的硬度測量，這種硬點區(qū)域的大規(guī)模硬度測試方法不適用大工業(yè)鋼板的生產(chǎn)過程。為了解決這一問題，一種基于渦流技術(shù)的無損檢測裝置逐漸發(fā)展起來。[4,5] 最終在線安裝了這種檢測設(shè)備，可以進行100%的鋼板表面檢測，業(yè)已成為鋼板生產(chǎn)過程中不可必要的工藝組成部分，可以可靠地檢測到任何硬點區(qū)域，對所有表面出現(xiàn)的硬點區(qū)間進行掃描檢測。

圖6上部顯示渦流系統(tǒng)的原理和原理圖，在圖的下部和邊部顯示便于操作8個探頭和3個指示燈，這是工業(yè)上使用的手動測試設(shè)備。渦流檢測是利用交變磁場對導(dǎo)電材料進行檢測，這種磁場在材料中產(chǎn)生渦流，并受材料變形的影響，由于渦流本身也產(chǎn)生磁場，因此在測量產(chǎn)生的磁場時可以檢測到缺陷。局部硬點，如馬氏體或貝氏體微觀結(jié)構(gòu)，其位錯密度較高，磁導(dǎo)率較低，影響渦流流場中導(dǎo)電電子的散射中心。[5] 因此，該方法為檢測局部硬度差異提供了一種間接但準(zhǔn)確的可行方案。

圖6  渦流傳感器和檢測小車(手動系統(tǒng))

（磁軛線圈提供流動的磁場，勵磁線圈產(chǎn)生磁場，在鋼板內(nèi)產(chǎn)生流動的磁場）

圖7描述了渦流傳感器的調(diào)節(jié)過程，傳感器在安裝前先在實驗室的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊進行上校驗，使用的標(biāo)準(zhǔn)硬度塊的硬度為200 HV和250 HV兩種。根據(jù)硬度標(biāo)準(zhǔn)，對測量信號的放大調(diào)整(例如，硬度為200 HV時顯示全屏高度，硬度為250 HV時的屏幕高度為50%)。

圖7  2 .渦流傳感器的調(diào)節(jié)

（頂部文章左邊：例如硬點區(qū)域信號低于閾值；右邊：沒有硬點區(qū)域信號高于閾值。中間：金相試樣的顯微硬度檢測）

研發(fā)進展

酸性環(huán)境服役管線鋼種

抗氫致裂紋(HIC)在含硫化氫H₂S環(huán)境中的性能對管線鋼來說是至關(guān)重要的，為了對應(yīng)市場持續(xù)發(fā)展提出的高要求，從冶煉到軋制必須實現(xiàn)整體的生產(chǎn)控制，系統(tǒng)性的考慮起到主導(dǎo)作用。圖8為已交付管線項目中板厚度和鋼管壁厚直徑比隨時代的變化情況，定義了鋼管成形過程中的冷變形量。Batelle落錘撕裂試驗（BDWTT），檢驗鋼板厚度對其的影響，如圖9所示。結(jié)果表明，在較高的板厚、較高的冷變形和較低的試驗溫度上均有明顯的變化，要想得到性能一致的鋼板技術(shù)要復(fù)雜得多，掌握這一挑戰(zhàn)的基本條件是進一步發(fā)展和改進高硫服役條件下鋼板的綜合整體生產(chǎn)理念，包括了從冶煉到連鑄再到鋼板軋制生產(chǎn)的全部生產(chǎn)要素，主要是鋼的清潔度和微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖8  在酸性環(huán)境下，在pH值為3的測試溶液下，交付管線項目(API 5L TM或同等鋼種)在鋼管成形過程中鋼板厚度和鋼管變形（壁厚/直徑）之間的關(guān)系

圖9  在酸性環(huán)境下，使用pH為3的測試溶液，對交付管線項目(API 5L TM或同等等級)進行落錘撕裂測試(BDWTT)，測試的鋼板厚度與測試溫度的關(guān)系

TMCP生產(chǎn)的鋼種擴展到150mm厚板

歐標(biāo)EN10025-4(熱軋結(jié)構(gòu)鋼產(chǎn)品，第4部分:TM軋制可焊接細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼的交貨技術(shù)條件)包括并定義了TMCP鋼板厚度不超過120mm的要求。圖10和圖11是經(jīng)特別批準(zhǔn)生產(chǎn)的鋼板訂單的結(jié)果，對于S355ML和S460ML鋼級，要求150mm厚度的鋼板性能要達(dá)到120mm厚度的鋼板性能，這些要求和生產(chǎn)結(jié)果是通過應(yīng)用領(lǐng)先的煉鋼技術(shù)(包括以前介紹超厚板坯的生產(chǎn)和應(yīng)用)和TMCP在大功率軋機上的利用以及具有的加速冷卻HeavyACC工藝來實現(xiàn)的。

圖10  根據(jù)EN 10025-4，在S355ML鋼種上不同厚度鋼板的Rp0.2, Rm和ChV(縱向方向，四分之一厚度方向)

圖11  根據(jù)EN10025-4, S460ML鋼種鋼板不同厚度的Rp0.2, Rm和ChV(縱向方向，四分之一厚度)

北極地區(qū)S420G1/2鋼板開發(fā)

雖然北極地區(qū)及其需求概況沒有統(tǒng)一的定義，但可以指出，北極地區(qū)的典型特征是氣候惡劣、季節(jié)性或永久性霜凍和冰凍，以及通常的環(huán)境溫度-30℃。供應(yīng)北極地區(qū)的材料應(yīng)按照最低預(yù)期使用溫度和相關(guān)要求考慮，裂紋尖端張開位移(CTOD)試驗的試驗溫度應(yīng)等于最為惡劣的服役溫度，而C_hV沖擊試驗(Charpy v -缺口沖擊)溫度應(yīng)是最為惡劣溫度再降低30℃。這就意味著，如果北極地區(qū)與最為惡劣溫度是-50℃，那么CTOD測試的測試溫度為-50℃，C_hV測試的測試溫度為-80℃(圖12)。

圖12  S420G1/2級常規(guī)和北極地區(qū)要求的比較(示例)[8]

最近為一個北極近海項目開發(fā)和生產(chǎn)S420G1/2級鋼板，其厚度在10到65mm之間，在這個項目中，在西伯利亞的諾維港建造了一個儲油塔，用于存放船上的燃料油。這座塔是由Bluewater Energy Services B.V.公司設(shè)計和建造的。在與Bluewater公司的密切合作下，設(shè)計開發(fā)了一種新的鋼結(jié)構(gòu)，為了達(dá)到強度和韌性的最佳平衡，提高了精軋后的冷卻速度，以細(xì)化組織結(jié)構(gòu)，增強鐵素體基體形狀的不規(guī)則性(圖13)。此外，在加速冷卻速率過程中，由第二相形成的小島幾乎完全消失。為了進一步提高韌性，采用低C含量與CuNiCrTi合金，得到約0.40%的低碳當(dāng)量(CEIIW)。圖14顯示了該平板的C_hV變化曲線。在-80℃時，達(dá)到了至少60焦耳的韌性指標(biāo)，顯然是滿足要求的。

圖13  不同冷卻設(shè)計的北極鋼板的微觀結(jié)構(gòu)(A、C)和電子背散射衍射掃描(B、D)顯示了不同冷卻設(shè)計的北極鋼板的晶體取向(反極圖彩色圖)(A、B較低，C、D較高冷卻速率和最終冷卻溫度)

圖14  S420G1/2鋼種低溫沖擊試驗的脆性轉(zhuǎn)變曲線，適用于北極地區(qū)不同位置和應(yīng)變時效條件下的鋼板厚度為65mm[8]

自升式鉆機用鋼板

自升式移動式鉆井平臺(圖15)使用于水深小于200米的海洋石油和天然氣鉆探開采，是最具成本效益的近海石油和天然氣開采方案。這種平臺也用于近海風(fēng)電塔的安裝。近海這種產(chǎn)業(yè)正在推動高強度鋼的應(yīng)用，要求減輕鋼結(jié)構(gòu)重量，增加探勘深度，增加有效載荷和上層甲板設(shè)備。表1給出了使用的不同鋼級和拉伸試驗的要求。要求鋼板即使在厚度中芯位置上，韌性在-60℃溫度條件下，最小值為69 焦耳。為了方便進一步加工，還要求高的平整度(整個長度和寬度≤3毫米)。對于升降機齒條鋼，提供厚達(dá)210mm鋼板，弦長達(dá)120mm(圖16)。生產(chǎn)工藝路線包括大變形軋制，為大厚度鋼板的鍛造軋制和淬火回火(Q&T)熱處理。為了便于焊接，開發(fā)了一種碳當(dāng)量低的特定化學(xué)成分鋼種。

圖15  自升式獨立鉆機，示例圖片由Condumex提供

圖16  （a）迪林根齒條切割；（b）210mm齒條，弦高120mm。[9]

表1  自升式鉆井平臺對鋼板力學(xué)性能的要求和等級

概述

本文將基于微觀組織結(jié)構(gòu)的設(shè)計作為迪林根厚板研究的核心內(nèi)容之一，特別是結(jié)合完整的微觀組織結(jié)構(gòu)建模和仿真，為滿足更短、更高效的開發(fā)周期提供了理論技術(shù)基礎(chǔ)。同時建立基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基于數(shù)據(jù)的力學(xué)性能預(yù)測模型，優(yōu)化材料成分和制作工藝，降低生產(chǎn)成本，保證交付可靠性。

持續(xù)進步的另一個核心因素是工廠對先進技術(shù)的戰(zhàn)略性投資。本文介紹了新投資建設(shè)的連鑄機，該立式鑄機可生產(chǎn)厚度達(dá)600mm的板坯。該公司還投資集成了一種新型無損檢測設(shè)備，可用于100%的鋼板表面檢測，成為鋼板生產(chǎn)過程的一個重要的工藝組成部分，能夠可靠地檢測任何地方和所有硬度增加的區(qū)域(所謂的硬點)。

這些核心技術(shù)為高性能要求鋼板持續(xù)發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)，反映在更大鋼板的厚度，鋼板更寬，具有更高的低溫韌性，更高的強度和/或更好的抗酸性環(huán)境能力，通過生產(chǎn)和使用，解釋和說明了這一研發(fā)過程。

參考文獻

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9. B. Münnich,M. Bott, V. Schwinn, W. Schütz and J-L. Cayla, “Challenge in Metal Forming andMaterial Technology in the Production of Thick Rack Sheet Metal,” (in German)30th Aachener Steel Colloquium, Aachen, Germany, 2015.

作者

Volker Schwinn：divisionmanager, Research and Development, Heavy Plates, Aktien-Gesellschaft derDillinger Hüttenwerke, Dillingen, Germany volker.schwinn@dillinger.biz

唐杰民11月初翻譯自美國《鋼鐵技術(shù)》2020年11月期刊，水平有限，翻譯不妥之處請各位看官盡管指正。