隨著海洋經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海洋牧場(chǎng)作為一種新型的海洋資源開(kāi)發(fā)利用模式，正在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和推廣。隨著海洋漁業(yè)逐漸向深遠(yuǎn)海發(fā)展，需要提高鋼材的強(qiáng)度，以滿足海洋牧場(chǎng)裝備向大型化、輕量化方向發(fā)展的需求[1]。

目前，國(guó)內(nèi)海洋牧場(chǎng)用鋼主要用于普通船板和高強(qiáng)船板，其強(qiáng)度和焊接性能難以滿足深遠(yuǎn)海海洋牧場(chǎng)建設(shè)的需求。國(guó)外海洋牧場(chǎng)用鋼多為調(diào)質(zhì)態(tài)高強(qiáng)鋼，雖然其強(qiáng)度和耐腐蝕性較高，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜、成本高。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在高強(qiáng)海洋用鋼的開(kāi)發(fā)方面取得了一系列進(jìn)展。日本學(xué)者開(kāi)發(fā)了具有優(yōu)異耐腐蝕性能的Mariloy G系列高強(qiáng)鋼，廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)建設(shè)中。國(guó)內(nèi)研究人員也相繼開(kāi)發(fā)出多種海洋工程用高強(qiáng)鋼，但該鋼在海洋牧場(chǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用研究相對(duì)較少。筆者開(kāi)發(fā)了一種適用于海洋牧場(chǎng)建設(shè)的高強(qiáng)鋼，并系統(tǒng)研究了其組織性能及焊接性能，為其在海洋牧場(chǎng)建設(shè)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。近期某研究機(jī)構(gòu)測(cè)算，在不改變?cè)己Ｑ竽翀?chǎng)結(jié)構(gòu)的前提下，強(qiáng)度為420 MPa鋼材的用鋼量比強(qiáng)度為355 MPa鋼材減少了12.5%左右。

1. 試驗(yàn)材料及方法

1.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

該鋼種的設(shè)計(jì)思路為采用低碳設(shè)計(jì)，主要目的是降低冷裂紋的敏感性，提升其焊接性能。需要嚴(yán)格控制該鋼中P、S元素的含量，保證鋼材的潔凈度及韌性。在后續(xù)軋制及冷卻工藝中添加Nb、Ti微合金元素，可以達(dá)到細(xì)晶強(qiáng)化[2]、析出強(qiáng)化[3]的目的。420 MPa級(jí)海洋牧場(chǎng)用鋼的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 工藝設(shè)計(jì)

針對(duì)該鋼種的主要生產(chǎn)路徑為：KR預(yù)處理脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉→LF（鋼包精煉爐）+RH（耐火加熱）真空處理→動(dòng)態(tài)輕壓下連鑄→板坯二切→板坯加熱→控軋控冷→緩冷→無(wú)損檢測(cè)→剪切→取樣性能檢驗(yàn)→表面質(zhì)量和外觀尺寸標(biāo)識(shí)→出廠。重點(diǎn)關(guān)注工序主要為煉鋼P(yáng)、S元素控制及鋼種冶煉過(guò)程中夾雜物的控制、加熱溫度、控軋控冷，以及最終的表面處理。

1.3 煉鋼工序

（1）在來(lái)料鐵水中加入石灰石等脫硫劑，進(jìn)行KR攪拌，去除鐵水中的S元素及夾雜物，保證進(jìn)轉(zhuǎn)爐的S元素含量。

（2）轉(zhuǎn)爐工序采用頂?shù)讖?fù)吹模式去除鋼液中的有害雜質(zhì)元素P及氣體元素，保證鋼液溫度和停吹氧含量。

（3）爐外精煉采用LF+RH真空處理，保證最終鋼水中S元素及氣體元素的去除。

（4）連鑄工序需要具有一定的鎮(zhèn)靜時(shí)間，以保證鋼水中夾雜物充分上浮；配合輕壓和合適均勻的澆鑄速度，可以保證鋼坯的純凈度。

1.4 加熱及軋制工序

（1）加熱工藝，為保證該成分中加入的Nb、Ti等微量合金元素充分發(fā)揮作用，確保Nb元素充分固溶，將該鋼種的加熱溫度控制為1 120~1 180 ℃。

（2）軋制工藝采用兩個(gè)階段軋制，對(duì)于粗軋階段，一般在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)域進(jìn)行軋制，待溫度降低至部分再結(jié)晶區(qū)域，停止軋制進(jìn)行待溫，直到鋼板溫度達(dá)到完全未再結(jié)晶區(qū)，進(jìn)一步進(jìn)行精軋階段的軋制。粗軋階段溫度一般控制為1 050~1 130 ℃，原始奧氏體將變形并滲透到鋼的心部，精軋開(kāi)軋溫度控制為850~950 ℃，避免出現(xiàn)混晶，在保證鋼板入水前組織全部奧氏體化的基礎(chǔ)上，盡可能將終軋溫度降低，從而達(dá)到細(xì)晶效果。

（3）加速冷卻的主要目的是獲得以貝氏體為主的多相組織，并兼顧材料的強(qiáng)度與韌性，根據(jù)該鋼種厚度的不同，將開(kāi)冷溫度控制為780~830 ℃，冷卻速率控制為14~25 ℃/s，終冷溫度控制為450~600 ℃。

2. 性能測(cè)試與結(jié)果分析

采用上述工藝生產(chǎn)厚度為75 mm 的420 MPa級(jí)高強(qiáng)海洋牧場(chǎng)用鋼，對(duì)該鋼進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、晶粒度測(cè)試、止裂性能和焊接性能試驗(yàn)。該鋼材的屈服強(qiáng)度為440~500 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于540 MPa，延伸率不小于20%，-60 ℃沖擊吸收能量不小于180 J，止裂性能及焊接性能優(yōu)良。

2.1 拉伸試驗(yàn)

按照中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》（2024）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。由表2可知：鋼板的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、斷面收縮率均符合該標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 沖擊性能測(cè)試

按照中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》（2024）進(jìn)行沖擊性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：在-60~0 ℃條件下，鋼板的沖擊吸收能量均滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求（-40 ℃條件下沖擊吸收能量不小于42 J），且纖維率不小于85%。

2.3 金相檢驗(yàn)

用光學(xué)顯微鏡觀察厚度為75 mm的高強(qiáng)海洋牧場(chǎng)用鋼的顯微組織，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：該鋼的組織為貝氏體加少量鐵素體，晶粒度級(jí)別為11~12 級(jí)，晶粒組織細(xì)小均勻。

圖 175 mm厚高強(qiáng)海洋牧場(chǎng)用鋼的顯微組織形貌

2.4 止裂性能

根據(jù)BS ISO 12135：2021(E) 《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌性測(cè)定的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》，在溫度為-10 ℃條件下對(duì)試制420 MPa級(jí)海洋牧場(chǎng)用鋼進(jìn)行CTOD（裂紋尖端張開(kāi)位移）試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示（其中a0為初始裂紋長(zhǎng)度，vp為缺口張開(kāi)位移塑性分量，Fm為最大力，δm為CTOD 特征值）。由表4可知：鋼板在溫度為-10 ℃時(shí)的δm不小于1.984 mm，且試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進(jìn)”現(xiàn)象，說(shuō)明試制鋼板的止裂性能優(yōu)異[4]。

2.5 焊接性能

75 mm 厚420 MPa級(jí)海洋牧場(chǎng)用鋼采用埋弧焊的方式焊接，坡口尺寸如圖2所示，焊接工藝參數(shù)如表5所示。

圖 2焊接試板坡口尺寸示意

對(duì)焊接接頭進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及夏比（V型缺口）沖擊試驗(yàn)，該板焊接性能良好[5]，滿足中國(guó)船級(jí)社《材料與焊接規(guī)范》（2024）的要求。焊接后鋼板的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。彎曲試驗(yàn)結(jié)果顯示鋼板的正面和側(cè)面均無(wú)裂紋。焊接后鋼板的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

3. 結(jié)語(yǔ)

在較低碳、磷、硫元素含量的鋼中添加了適量的Nb、Ti微合金元素，并配合合適的控軋控冷工藝，成功開(kāi)發(fā)了厚度為75 mm的420 MPa級(jí)高強(qiáng)海洋牧場(chǎng)用鋼。試驗(yàn)鋼材的屈服強(qiáng)度達(dá)到440~500 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于540 MPa，延伸率不小于20%，-60 ℃條件下的沖擊吸收能量不小于180 J，同時(shí)，該鋼還具有優(yōu)異的止裂性能和焊接性能。

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