编者按：“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”由钢铁共性技术协同创新中心副主任王国栋院士担任主编，业内多位院士担任顾问，联合钢铁行业各领域的权威专家、学者共同撰写，凝炼出涵盖整个钢铁制造全流程（选矿-冶炼-热轧-冷轧-产品-服务）的关键共性技术，包含国际原创性工艺思想和生产装备技术，可供钢铁企业及广大科技工作者了解新技术、应用新技术，帮助企业开阔视野、正确决策，促进钢铁行业高质量绿色发展。
海洋平台用高强韧中锰钢研究与生产技术开发
1研究背景
★
★
★
目前高强度海洋平台结构用钢的成分体系多采用高含量的Cr、Ni、Mo元素添加，存在成本高的问题，而且厚规格的产品淬透性不足，厚度方向组织不均匀、韧性较低及屈强比难以控制等问题。因此，开发新型的高品质特殊钢来解决这一问题显得尤为重要。东北大学提出采用新的低碳中锰合金化及相关工艺控制的技术思路，成功获得国家十二五“”计划支持，即“海洋平台用高锰高强韧中厚板及钛/钢复合板研究与生产技术开发”（课题编号：AA03A）。课题由东北大学牵头，钢铁研究总院、鞍钢股份有限公司、南京钢铁股份有限公司、西安天力金属复合材料有限公司、中国船级社等单位参加。
2海洋平台用中锰高强韧中厚板研究进展
★
★
★
本课题提出采用低碳中锰的成分设计，降低钢中Ni、Cr等合金元素的含量，极大地降低成本。Mn和Ni均为奥氏体稳定化元素，可以调整钢板组织中残余奥氏体的含量，从而改善钢板的低温韧性。中锰钢（Mn含量3.0%-6.0%）本身的优异综合性能可满足各类工程结构钢的低温韧性、屈强比高等要求，能够满足复杂环境对超高强钢安全性能和建造成本需求。中锰合金化能够有效调控高强钢的组织结构，具有明显降低钢材屈强比的优势。通过合理的成分设计以及组织性能控制，实现钢中残余奥氏体含量、大小、分布的精确控制，从而有效提高钢材的止裂性能。Mn的价格仅为Ni的1/5-1/20，因此，开发以锰代镍的中锰合金化海洋工程用钢，对于进一步提高海洋工程结构用钢强度级别、降低生产成本、减轻海洋工程结构重量、改善海洋工程结构的安全性和服役年限等具有重要意义。课题在中锰钢板材整个制备流程中涉及的理论和技术等方面取得了大量研究成果和多项技术突破。
2.1中锰钢均质化冶炼及高质量连铸坯制备技术
针对中锰钢冶炼中Mn合金量大、难熔以及与精炼渣反应引发熔渣组元骤变化渣困难的难题，提出了适用海洋平台用中锰钢合金预加热与高温出钢协同合金化技术和精炼渣设计成分原则。针对中锰钢真空精炼过程中锰气化损失和精炼过程耐火材料反应脱落的难题，研究确定了防止中锰钢真空气化的精炼真空度参数与耐火材料选用原则。系统探明了中锰钢精炼过程钢-渣界面反应行为规律，获得了精炼全流程夹杂物演变机制，形成了转炉-LF-VD（RH）冶炼全流程中中锰钢夹杂物控制工艺。
针对中锰钢液锰强还原性易使保护渣变性引发铸坯表面质量缺陷与漏钢事故现状，揭示了结晶器熔池钢-渣反应及保护渣流动、凝固与结晶等行为规律，研究获得了中锰钢连铸过程渣道内保护渣弯月面流入及渣膜形成行为规律，并基于限制结晶器熔池钢-渣界面反应性思路，形成了中锰海洋用钢相配套结晶器保护渣系设计原则。
针对中锰钢强凝固收缩特性，开发形成了高效补偿坯壳沿宽面方向凝固收缩的曲面结晶器技术，解决了传统结晶器生产中锰钢过程易产生局部“热点”并引发表面裂纹的难题，提出并形成了中锰海洋平台用钢曲面结晶器技术。
针对中心偏析严重的难题，提出了基于铸坯横向收缩加权平均的新型基础辊缝与二冷电磁搅拌协同控制方法，有效解决中锰海洋平台用钢铸坯连铸过程Mn合金高偏析的难题（图1）。
2.2中锰钢中厚板短流程轧制及热处理技术
建立了中锰钢低碳中锰合金化成分体系，替代传统Ni-Mo-Cr-Cu合金成分设计路线，具有低成本；低碳含量使得高强钢处于易焊接区，避免孪晶马氏体硬脆相形成，提高抗裂性；中锰合金化显著降低了马氏体转变临界冷却速率，提高淬透性，增强厚板厚度方向组织及性能均匀性，表现出高淬透性优势；锰降低了两相区温度并提高逆转变奥氏体稳定性，回火过程形成逆转变奥氏体，显著阻碍解理裂纹扩展，实现了高强韧性。
本课题开发了中锰钢中厚板连铸坯热装热送、低温加热技术，避免了连铸坯冷却、再加热过程中相变应力形成的铸坯表面裂纹，降低了生产能耗，缩短制备流程，省去保温坑缓冷环节，大幅提高了生产效率；低温加热技术有效控制了奥氏体晶粒尺寸，增强了晶界结合力，避免了控轧控冷过程裂纹形成。
利用精轧变形结合轧后直接淬火冷却促进相变，从而细化淬火马氏体板条以及两相区短时回火，防止组织粗化并提高生产效率，获得了一定比例逆转变奥氏体原理，开发了中锰钢轧后直接淬火+两相区回火短流程、绿色化制备技术，突破了传统QF级海洋平台用中厚板需多阶段淬火+长时间回火的难题。基于轧后直接淬火+两相区回火工艺，中厚板和特厚板全厚度方向获得了亚微米尺度的回火马氏体+逆转变奥氏体复合层状组织，解决了传统工艺特厚板心部组织不均匀、晶粒粗大的技术难题（图2）。
提出了利用中锰钢微观组织中稳定性较高的逆转变奥氏体对提高钢板强韧性及降低屈强比的作用，开发出高强韧钢的低屈强比控制技术，解决了传统高强钢屈强比过高且难以控制的技术难题。
开展中锰高强韧中厚板的工业化稳定生产以及使用性能评价工作，在鞍钢和南钢实现了厚度规格30-mm中锰钢板工业化的小批量生产，组织为亚微米尺度的回火马氏体及逆转变奥氏体。中厚板性能达到MPa级海洋平台用钢船级社标准，屈服强度≥MPa、屈强比≤0.88，-60℃冲击韧性超过J、Z向性能达到Z35，冷弯性能优异（图3）。
2.3使用性能评价与标准
完成了焊缝强度与母材匹配的配套焊接材料及相关焊接工艺技术，所研制的中锰钢配套焊接材料化学成分与母材匹配合理，焊接接头具有良好的力学性能，满足技术要求。中锰钢回火后氢脆敏感性降低，逆转变奥氏体为良好的氢陷阱，可提高抗氢脆性能。Mn含量的提高使耐蚀性降低，通过微Cr合金化可增强中锰钢的耐蚀性能。随着Cr含量提高，含Cr化合物对富Mn化合物起到包裹隔离作用，Cr元素和Cu元素发挥协同作用，Cr和Cu的氧化物隔离或包裹富Mn化合物，减缓腐蚀速率。
制订了国家标准GB/T—《海洋平台结构用中锰钢钢板》。中国船级社编写的《MPa级中锰高强韧钢检验指南》于年2月26日实施，为解决我国大型海洋工程结构设施建设的关键原材料问题提供了成套的解决方案，满足了我国海洋工程结构设施的关键高强韧钢材需求。
项目研究成果实现了多项基础理论突破，填补了多项中锰钢中厚板的制备技术空白，产品力学性能、使用性能、技术水平达国际领先水平。
3结语
★
★
★
上述有关中锰钢板材组织性能控制理论和产品开发方面研究成果汇总成了《低碳中锰钢板材组织控制理论及性能》一书，全书分为12章，第1章简要介绍锰元素在钢中的作用、中锰钢的物理冶金学及板材生产的工艺流程；第2章介绍中锰钢加热过程的氧化行为和奥氏体晶粒长大行为；第3章介绍中锰钢奥氏体再结晶行为及热加工图；第4章介绍中锰钢板材的轧制和热处理工艺；第5章介绍含钛中锰钢的强韧化机制；第6章介绍逆转变奥氏体稳定性及其对中锰钢组织性能的影响；第7章介绍中锰钢的焊接性能及焊接工艺；第8章介绍中锰钢的疲劳性能；第9章介绍中锰钢的断裂韧性；第10章介绍中锰钢海洋飞溅区腐蚀行为及其机理；第11章介绍中锰钢海洋大气区腐蚀行为及其机理；第12章介绍中锰钢板材国家标准和行业指南的相关内容。
（本文摘编自“钢铁工业协同创新关键共性技术丛书”之《低碳中锰钢板材组织控制理论及性能》（杜林秀，高秀华，吴红艳，齐祥羽著.—北京：冶金工业出版社，.5））
购买链接：
钢铁工业协同创新关键共性技术丛书
▲《世界金属导报》21期B04
内容来源：世界金属导报往期推荐
1.开讲啦！如何形成具有我国特色的高效、低耗、低成本洁净钢生产工艺流程？听专家怎么说……
2.开讲啦!微合金钢板坯表面裂纹如何控制？听专家怎么说……
3.开讲啦！连铸坯在哪儿压？压多少？听专家怎么说……
4.开讲啦！高端特殊钢如何实现高洁净度、高均质化控制？听专家怎么说……
5.开讲啦！中厚板热处理炉如何实现均匀加热、全自动生产？极限规格钢板如何实现高强度高均匀性淬火？听专家怎么说……
6.开讲啦！如何实现低碳炼铁？听专家怎么说……
7.开讲啦！以超快冷为核心的新一代TMCP技术和装备，如何实现低成本高性能中厚钢板生产，听专家怎么说……
8.开讲啦！MPa级以上超高强韧结构钢板如何实现精细组织调控和低内应力控制？如何突破应用技术难题？听专家怎么说……
*如果你喜欢这篇文章，欢迎分享到朋友圈*
官方网站：