一、研究背景及問題
隨著裝備不斷向著大型化和高端化方向發(fā)展，越來越多超寬幅高強(qiáng)韌易焊接鋼板得到應(yīng)用。增加鋼板寬度并提升鋼板的焊接性能，可以減少焊縫及焊接導(dǎo)致的失效，提升結(jié)構(gòu)整體性能與制造效率。同時，薄規(guī)格高強(qiáng)韌鋼板的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)裝備的升級和減重。因此，亟需開發(fā)和應(yīng)用兼具超寬幅、高強(qiáng)度、易焊接三大特性為一體的鋼板。
長期以來，1000MPa級4000mm以上寬幅，且厚度10mm以下的鋼板工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)一直是困擾行業(yè)的世界性難題。其研發(fā)和生產(chǎn)面臨三大挑戰(zhàn)：
1、在極大幅寬的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)板形與厚度的高度均勻控制。軋制生產(chǎn)時，變形抗力大、厚度精度受油膜補(bǔ)償和軋制擾動影響大，厚度精度控制難度大。同時，寬薄板軋制過程溫降快、彎輥反應(yīng)慢，矯直難度大。通常中厚板軋機(jī)生產(chǎn)寬薄板的厚度波動≥±0.3mm，板形容易出現(xiàn)大鐮刀彎、瓢曲及波浪缺陷，無法滿足低溫儲罐、工程裝備、礦用車輛及采石鋸片等行業(yè)對超寬幅鋼板厚度公差和平直度的嚴(yán)苛要求。
2、在提升強(qiáng)度的同時，保持鋼材良好的韌性和延展性。盡管現(xiàn)代冶金技術(shù)通過合金化設(shè)計(jì)可以達(dá)到所需的強(qiáng)度要求，但強(qiáng)度的提高通常伴隨著材料脆性和裂紋敏感性的顯著增加，直接影響鋼材在復(fù)雜工作環(huán)境中的表現(xiàn)。目前，強(qiáng)度與韌塑性同時提升的機(jī)制有待明確，強(qiáng)度達(dá)到1000MPa以上時微觀缺陷的敏感性指數(shù)級放大，多相多尺度組織協(xié)同控制極為復(fù)雜，綜合力學(xué)性能難以達(dá)到理想狀態(tài)，嚴(yán)重限制了其在高性能裝備中的廣泛應(yīng)用。因此，亟需突破這一瓶頸以滿足現(xiàn)代裝備對高強(qiáng)鋼板提出的更高要求。
3、超高強(qiáng)度條件下實(shí)現(xiàn)焊接性和疲勞性能的提升。高強(qiáng)鋼的焊接質(zhì)量直接影響其在現(xiàn)代大型裝備中的應(yīng)用，其主要問題在于焊接過程中熱影響區(qū)晶粒粗化導(dǎo)致的脆化現(xiàn)象仍難以避免，這種局部脆化顯著增加了裂紋產(chǎn)生的風(fēng)險，尤其在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件焊接時表現(xiàn)尤為突出，甚至可能影響整個結(jié)構(gòu)的可靠性。同時，高強(qiáng)鋼的焊接線能量小，焊接效率低，成本高。
抗疲勞性能是現(xiàn)代大型裝備能否長期可靠運(yùn)行的核心要求，直接關(guān)系到其使用壽命和經(jīng)濟(jì)性?？蛊诟邚?qiáng)鋼的應(yīng)用可顯著提升現(xiàn)代裝備的可靠性，然而，現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)尚無法徹底消除材料內(nèi)部的微小缺陷，這些缺陷在高載荷、高振動的環(huán)境中極易成為疲勞裂紋的起點(diǎn)，因此，實(shí)現(xiàn)對抗疲勞高強(qiáng)鋼制造難題的突破，已成為推動現(xiàn)代裝備高效能化和長壽命化發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)。
二、解決問題思路與技術(shù)方案
項(xiàng)目以湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司為牽頭單位，聯(lián)合東北大學(xué)、中南大學(xué)、三一汽車起重機(jī)械有限公司等單位，在多項(xiàng)國家和省部級項(xiàng)目支持下開展產(chǎn)學(xué)研合作和協(xié)同創(chuàng)新，形成3項(xiàng)創(chuàng)新點(diǎn)，突破8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了超寬幅高強(qiáng)韌易焊接鋼板的成功研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖1項(xiàng)目研究思路
三、主要科技創(chuàng)新
項(xiàng)目聚焦超寬幅、易焊接、抗疲勞高強(qiáng)鋼板的關(guān)鍵技術(shù)難題，旨在滿足重大工程建設(shè)和高端裝備制造業(yè)對高性能材料的迫切需求。項(xiàng)目依托湘鋼先進(jìn)的研發(fā)平臺和生產(chǎn)裝備技術(shù)，進(jìn)行了全流程創(chuàng)新研究。實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度、韌性、塑性、焊接性和疲勞性能的綜合提升。
1、突破超寬超薄高強(qiáng)鋼板高精度厚度和板形控制技術(shù)。
（1）針對固定式油膜補(bǔ)償無視軋制速度和軋制力動態(tài)耦合效應(yīng)的問題，創(chuàng)新提出“獨(dú)立油膜補(bǔ)償控制技術(shù)”，建立了基于軋制力和油膜補(bǔ)償?shù)挠?jì)算模型，實(shí)現(xiàn)厚度動態(tài)補(bǔ)償。
圖2潤滑理論描述粘性液膜壓力分布
圖3油膜厚度與軋制力、軋制速度關(guān)系計(jì)算曲線
（2）針對人工干預(yù)式厚度補(bǔ)償機(jī)制無法動態(tài)響應(yīng)軋制擾動的難題，建立了“道次間測厚儀反饋?zhàn)詣恿泓c(diǎn)補(bǔ)償功能”，實(shí)現(xiàn)了測厚儀與軋機(jī)系統(tǒng)實(shí)時聯(lián)動控制，5~20mm薄寬鋼板厚度波動控制在±0.1mm以內(nèi)，突破了中厚板軋機(jī)生產(chǎn)厚度波動≥±0.3mm控制水平。
圖4優(yōu)化后厚度波動情況（≤±0.1mm）
（3）針對超寬薄板軋制，輥形曲線失配和彎輥響應(yīng)慢的難題，優(yōu)化輥形曲線和提高振幅，提升彎輥響應(yīng)速度減少溫降，并結(jié)合軋制熱凸度與道次間分段冷卻控制，形成湘鋼獨(dú)有的板形控制方法，實(shí)現(xiàn)最寬4850mm、最薄5mm極限規(guī)格的優(yōu)異板形控制。
圖5薄寬板彎竄輥控制示意圖
圖6正負(fù)竄輥對輥縫凸度的影響示意圖
2、建立基于奧氏體狀態(tài)與析出行為精準(zhǔn)調(diào)控的超高強(qiáng)鋼強(qiáng)韌化方法。
針對中碳微合金超高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高、韌塑性難以提升的問題，提出鑄坯適度控溫加熱抑制原始奧氏體粗化、提高精軋壓下率壓扁細(xì)化奧氏體、精確控制馬氏體相變等系列關(guān)鍵工藝，實(shí)現(xiàn)組織晶粒尺寸細(xì)化至10μm以下。
圖7新型工藝奧氏體晶粒尺寸
通過道次壓下分配及變形儲能控制，精準(zhǔn)調(diào)控奧氏體狀態(tài)及均勻性，協(xié)同相變過程中ε碳化物等多相復(fù)合析出調(diào)控，在全球率先實(shí)現(xiàn)Q1500高強(qiáng)鋼板工業(yè)化生產(chǎn)，鋼板屈服強(qiáng)度≥1500MPa，-60℃低溫沖擊功≥50J，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際最高水平。
圖8奧氏體化工藝對后續(xù)相變時序影響
3、突破超高強(qiáng)鋼的焊接和疲勞控制技術(shù)瓶頸。
針對超高強(qiáng)鋼合金體系設(shè)計(jì)與焊接裂紋敏感性失配的問題，采用低焊接裂紋敏感系數(shù)合金設(shè)計(jì)協(xié)同Mg處理技術(shù)，改善超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)韌性和本質(zhì)焊接性，成功實(shí)現(xiàn)1100MPa級超高強(qiáng)鋼的免預(yù)熱焊接，焊接線能量由9KJ/cm提高至17KJ/cm，焊接效率提升88%。
表1低Pcm鋼板焊接裂紋檢測結(jié)果
針對寬薄高強(qiáng)鋼疲勞性能對夾雜物水平極度敏感的問題，打破傳統(tǒng)含B高強(qiáng)鋼Ti微合金化設(shè)計(jì)思路，創(chuàng)新采用“無Ti高Al”成分體系規(guī)避TiN大尺寸夾雜物對疲勞性能的致命影響，同時確保B元素充分固溶。針對高Al鋼中大尺寸Al2O3夾雜和AlN導(dǎo)致鑄坯裂紋雙重難題，創(chuàng)新氧槍設(shè)計(jì)及動態(tài)成分調(diào)控工藝，開發(fā)超低氮低氧精準(zhǔn)冶煉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)條件下超高強(qiáng)鋼30ppm以下的超低氮低氧控制，協(xié)同稀土處理變性夾雜物，解決了超高強(qiáng)度鋼板疲勞極限提升的難題。
四、推廣應(yīng)用情況
項(xiàng)目產(chǎn)品已應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程裝備、船舶海工和能源裝備等領(lǐng)域。其中10-12mm規(guī)格4620-4850mm超寬高強(qiáng)度薄板應(yīng)用于全球最大采石鋸片制造，全板不平度≤2mm/m。4000mm以上寬薄鋼板還被應(yīng)用于150-450噸超大型電動輪礦車車廂制造，替代了傳統(tǒng)兩張窄鋼板拼焊的工藝，提升了裝備的使用壽命，同時減少了焊接成本。
圖9全球最大采石鋸片
圖10全球最大的輪式起重機(jī)
湘鋼獨(dú)家生產(chǎn)的4500mm-4600mm超寬XG1100E鋼板應(yīng)用于大國重器——全球最大的輪式起重機(jī)徐工XCA4000和三一SAC40000T的主吊臂，滿足了國家清潔能源工程的急需。截止目前，國內(nèi)千噸級以上超大型輪式起重機(jī)用4000mm寬以上超高強(qiáng)寬薄鋼板，全部由湘鋼獨(dú)家供貨。項(xiàng)目成果獲行業(yè)多家龍頭企業(yè)的積極認(rèn)可，成為多家企業(yè)的優(yōu)秀供應(yīng)商。4000mm寬以上的薄規(guī)格高強(qiáng)韌鋼板市場占有率90%。行業(yè)專家評價本項(xiàng)目整體達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
圖11湘鋼超寬幅鋼板部分應(yīng)用裝備
項(xiàng)目成功攻克了超寬幅高強(qiáng)韌易焊接鋼板制備的核心技術(shù)壁壘，國際首創(chuàng)極限規(guī)格系列產(chǎn)品并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用。構(gòu)建了完整的自主知識產(chǎn)權(quán)體系，形成高水平學(xué)術(shù)成果。相關(guān)技術(shù)已成功應(yīng)用于礦山裝備、工程機(jī)械、高端船舶、能源工程及國防軍工等國家重大需求領(lǐng)域，創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)社會效益。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，標(biāo)志著我國在超高強(qiáng)度鋼板制備技術(shù)領(lǐng)域取得國際領(lǐng)先地位，對推動高端裝備國產(chǎn)化進(jìn)程具有重大戰(zhàn)略意義和深遠(yuǎn)行業(yè)示范效應(yīng)。
信息來源：湖南鋼鐵集團(tuán)湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司
