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内蒙古科技大学
课程论文
题 目：高强度宽厚板用途及开发
学生姓名：谢庆云学 号：
专 业：材料成型及控制工程
班 级：
指导教师：曹建刚
1261105225 2012-成型2班 教授
高强度宽厚板的用途及开发
谢庆云
（内蒙古科技大学 材料类与冶金学院，内蒙古 包头014010）
摘要：本文介绍了高强度中厚板的种类、用途、市场现状与发展，详细阐述了中国近几年船舶及海洋工程用钢板、高强度机械用钢、车辆用钢、水电站压力管用钢及其他用途高强度宽厚板，尤其针对几种不同用途的高强度钢的开发进行详细分析，并对高强度宽厚板的前景进行展望。关键字:高强度；用途；开发；研究方向
Application and development of high strength and wide plate
XIE Qing-yun(School of materials and metallurgy, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou, Inner Mongolia,014010)
Abstract:This paper introduces the types, application, market status and development of high strength plate, and expounds in detail the steel plate for ship and offshore engineering,high strength mechanical steel, vehicle steel,hydropower station preure pipe steel and other uses high strength heavy plate in China in recent years,the development of several high strength steel is analyzed in detail,and the prospect of high strength and wide plate is prospected.Key words:high strength；uses;development;research direction
人们通常把厚度4mm以上，宽度3000mm以上的钢板称为宽厚板。宽厚板用途广泛、品种繁多。概括有钢结构用板、造船板、桥梁板、压容板、锅炉板、管线用板、装甲板、建筑用耐侯板、原子能用板等。σｓ大于250MPa的钢板称作高强度钢板。[1]高强度宽厚板现状
1.1 高强度钢材的生产现状
目前，国外高强钢的牌号比较强齐全，力学性能等也基本可以满足各种使用要求。国外该类钢的生产和应用已趋于稳定。发达国家的一些钢铁公司已经有了自己的系列产品和标准。例如：瑞典奥克隆德的 HARDOX系列、德国蒂森克虏伯的 XAR 系列、日本的JFE的EVERHARD 系列等。这些厂家生产高强钢的时间 较久，且提供的产品已经得到了成功的应用。近几年，国内的高层钢结构建筑，大跨度空间结构的发展，像国家体育场就使用了Q460E，水立方工程使用了Q420，CCTV 新址使用了Q460，均是经专门论证而使用的。我国新的钢材规范低合金高强度结构钢 GB/T1591-2008，代替 GB/T1591-1994，也给出了Q500，Q550，Q620，Q690 级性能钢材，取消了Q235 强度 级别钢材。目前，国内主要的厂家的高钢产品基本处于同一质量水平。武钢产品主要以360级别为主，成品性能较好；舞钢成品板幅大，热处理手段齐全能够生产较厚的高强钢板；太钢高强钢板板形控 制好，平直度到达进口钢水平。虽然，国内已取得可喜的发展，但我国高钢整体尚未形成通用化、系列化的标准。[2] 1.2 宽厚板轧机的现状
我国目前建设投产的用于宽厚板生产的宽厚板坯连铸机都不同程度地具有前沿技术特征、很高的装备水平、配置了高水平的工艺模型和控制软件，完全具有生产高品质的无缺陷连铸坯的条件。但是生产的连铸坯规格厚度大多≤300mm，轧制厚度>80mm的高物理性能和等级的宽厚板材，工艺条件受到限制。宝钢和舞钢具有电炉冶炼和模铸生产宽厚板的条件，采用传统模铸工艺生产的扁锭，仍然具有高纯净钢和组织生产单件小批量、特殊用途钢材的灵活性。宝钢5m轧机二期工程粗轧机投产后，能采用1000mm厚的钢锭，轧制400mm的特厚钢板。舞阳钢厂经过多轮次试验，以连铸坯替代模铸扁锭轧制厚度130-150mm的钢板，成材率比模铸提高15%，达到88%以上；用连铸坯轧制可大大降低加热能耗和费用，以300mm厚连铸坯为例，其轧制前加热时间是4-5小时；而模铸生产对应的扁锭加热时间需要10多小时。[3]高强度宽厚板的用途
高强度宽厚板多用于大型海洋工程和造船业、大型桥梁、大口径石油、天燃气输送管线、大型压力容器和储罐、重型建筑结构(特别是高层、防火、耐侯、大跨度和非对称的空间结构用途)、大型水利电力、核能和机械工程。高强度宽厚板不仅要求具有高的强度等级，要求高纯净度,高的韧性和抗疲劳特性;还要求具有良好的焊接和加工性能及其它特殊性能。这些用途的宽厚板往往还单独或综合要求具有良好的低温冲击性能，抗焊接热影响和裂纹敏感特性,或者试件断面
收缩率达到25%或35%以上的抗层状撕裂的性能。[4] 2.1 船舶及海洋工程用钢板
船用钢材主要是钢板、型材（包括角钢、Ｈ型 钢、Ｔ型钢、工字钢、球扁钢），以及船用钢管等。从品种规格来看，中国造船板品种、规格已基本能够满足市场要求。国内5000mm级宽厚板轧机已有6套，包括鞍钢鲅鱼圈、宝钢、沙钢、湘钢、五矿营钢等，均配备了完善的精整和热处理系统。船舶行业的发展对钢铁行业提出了“大、高、新”的要求，即大规格、高强度、新技术，需要在品种和规格、低温用钢、集装箱止裂板、油舱用耐腐蚀钢、海洋工程装备用钢、船用配套设备用钢、高效焊接技术等方面取得更大的突破。[5] 2.2 机械用高强钢板高强钢
机械行业是钢材消费大户，钢材消费量仅次于建筑行业，且机械行业用钢具有品种多、规格范围大的特点。目前，高强度工程机械用钢是国内钢铁企业研发进度最快的品种之一，传统的中厚板生产企业已具备了很高的生产技术水平和批量供应能力。宝钢成功研制出1000Mpa 级易焊接超高强厚板和1200Mpa级调质超高强厚板，引领了国内工程机械板的发展方向，达到了国际先进水平。80kg级工程机械用钢主要应用于大型电铲、钻机、推土机的铲斗、起重机吊臂和转台、煤机结构件等。70kg级工程机械用钢主要应用于工程机械、煤矿液压支架、军用舟桥、起重机吊臂等。60kg级工程机械用钢的生产企业相对较多,主要用于工程结构、煤机制造行业，如大型推土机底板、汽车起重机的液压支架、挖掘机底板、液压支架等。以煤炭机械为例，随着煤炭机械向大功率、高性能趋势发展，要求宽厚板的强度，耐磨性必须不断提高。[6]
2.3 车辆用钢
目前，许多汽车制造商为了应对世界范围所提出的节能减排要求，必须大量采用轻量化材料。高强度钢的大量应用不仅起到了节能减排的作用，同时还能提高汽车的安全性能，保持汽车的生产成本和提高其回收利用率。随着汽车碰撞安全性能的不断提升以及轻量化进程的推进，高强度钢已逐渐成为了许多新车型车身的主用材。车辆用钢,基本上分为三种类型,其一是车身结构的主体部分用材,如车身的纵 横梁、保险杠、发动机支架和转向齿轮箱支架等,需用板材虽有一定的厚 4
度要求, 但不需太宽的钢板来制造;其二为火车车箱外板,轿车的底盘、外壳、车门、挡泥板等,属于热轧或冷轧薄板范畴;另一类可以纳入宽厚板领域, 如大型挖掘机、大型装载机及大型电动轮翻斗车用材。154吨电动轮翻斗车的车箱底板,宽达64oomm,就需要宽度在300omm以上的钢板拼焊。[7] 2.4 水电站压力管用钢
高压水管是水电站装备极为重要的组成部分，近年由于各国修建的水电站水头不断提高，管径越来越大，高压水管选材就趋向高强度、大壁厚的钢板。水头高和管径的乘积是选材的一个重要依据。钢材的强度级别取决于钢管在具体电站设 计中受力大小，结构形式、以及水质、气候、地形等条件，同时又制约于钢管的造价、质量要求和施工进度。不论是普通水电站还是抽水蓄能电站，基本趋势是 提高高压水管用钢材的强度级别而减少壁厚。
2.5 其它用途的宽厚钢板
在国民经济和国防建设的其他领域需用厚度或宽度较大的中厚钢板情况,在国外一般15—20%。2.5.1 桥梁用钢板
栓焊结构的铁路桥和悬拉式公路桥的钢制纵梁,最大跨度已超过20Om。到目前为止世界上大型桥梁拼板厚度在10一50m,最大板宽在30mm左右。2.5.2 建筑用钢板
不论是工业建筑还是民用设施的梁、柱、衔架等,虽可用钢板拼焊,承受静载或动载,除了大型箱式结构或如水坝闸门、港口码头外,极少采用宽且厚的钢板作为结 构材料。2.5.3 装甲钢板
在国防建设方面,各军兵种的装甲钢板是特殊的一类钢材,为了提高坦克、装甲运输车、炮台以及舰船的防护能力,要求生产各类高抗弹性能的装甲用板材,由常规热轧钢板到形变热处理的产品,以均质装甲钢板至复合装甲钢板,厚度由6.0-l00mm,产业的提升就要求基础产品用材的质量升级。如低合金类大于60mm的厚板、高层建筑用z向钢、舰艇用钢、桥梁钢等，这些产品（或使用领域）对热处理中厚板都有要求。高层建筑用热处理z向中厚板钢主要使用在超高层的高
层建筑中，高建钢要强度高、韧性好，同时具有较好的抗层状撕裂性能，目前全世界各地的高层建筑层出不穷，故抗层状撕裂的高建钢的使用量前景较大。目前，中国桥梁用钢发展趋势，一是强度级别由370MPa逐步提高到420Mpa;二是对钢板耐候性的要求越来越高；三是为减少焊缝和节点，对于超宽超厚的高强度桥梁板需求日益增加。[8] 3 常用高强度钢及性能
3.1 常用高强度钢的分类
国家已公布的汽车用高强度钢大致可分2类:传统高强度钢(CHSS)和先进高强度钢(AHSS)，如CHSS通常是采用固溶强化、析出强化和细化晶粒强化等手段进行强化所得到的钢种，主要包括烘烤硬化钢板(BH)、高强度无间隙原子(HSIF)、低合金高强度钢(HSLA)、各向同性钢板(IS)和碳锰钢(C Mn)。AHSS则是指通过相变进行强化所得到的钢种，其组织中存在2种情况:一种是包含有马氏体、贝氏体和残余奥氏体三相的组织;另一种是包含有马氏体和残余奥氏体的组织，通常包括双相钢(DP)、孪晶诱发塑性钢(TRIP)、复相钢(CP)和马氏体级钢(Mart)等。目前一般所说的高强度钢主要是指先进高强度钢。
3.2 常用高强度钢强化机制与性能
3.2.1 双相钢(DP钢)。
DP钢的微观组织为铁素体(F)和马氏体(M)。M弥散分布在F基体上，形成具有良好成形性和高强度的DP钢。其微观组织主要是通过亚温淬火等方法得到。DP钢的强度由M的含量决定，M数量越多，DP钢的强度越高。DP钢的优点是:屈强比低，具有室温延迟时效性，加工硬化率和伸长率都较高。这是由于奥氏体(A)在转变成M时体积膨胀，产生了存在于F中的高密度非钉扎的位错所致。另外，双相钢的烘烤硬化性能较高，碰撞时能吸收很高的能量，其安全性比普通碳钢高50%。DP钢常用于制备形状复杂的高强度结构件。DP钢是目前所用高强度钢板中最常用的，通常用于车身上的各种防撞梁、加强板、连接板等。3.2.2 烘烤硬化钢(BH钢)。
BH钢的强化机制是残留于钢中的间隙固溶原子碳和氮产生的高温应变时效，即溶解在F中的碳、氮原子聚集在应变产生的位错处，并被限制其运动。BH 6
钢的屈服强度低、屈强比低、延展性较好和抗凹性好。主要用于发动机盖板、门外板、行李箱外板、顶盖板。3.2.3 马氏体钢(M钢)钢的显微组织绝大部分为马氏体组织，M钢的抗拉强度较高，在1000MPa以上。M钢通常需进行回火处理以改变其塑性，使其在如此高的强度下，仍具有足够的成形性能。[9]高强度宽厚板的开发
4.1 高强度船体及海洋工程用钢EH36-Z35的开发
4.1.1 技术要求及成分设计
EH36-235船板是制造船舶及海洋平台的重要原料，对钢板的强度、韧性、抗层状撕裂及焊接性能等要求很高，首秦公司在开发5-100mmEH36-235船板的过程 中采用过四种成分方案，如表3所示。最终经过优化，并从成本角度考虑，采用分厚度规格成分设计原则，采取其中两种作为大量生产时的工艺内控成分 4.1.2 工艺流程
生产工艺路线为：铁水预脱硫——转炉冶炼——LF精炼——RH精炼——连铸——铸坯清理——加热——轧制——ACC快速冷却——探伤——正火——取样、检验——入库、发运。4.1.3 力学性能
对所生产的EH36-235进行力学性能检测，力学性能控制稳定，符合企标要求，力学性能范围如表所示。[10]
表1 EH36-235船板的力学性能
Table 1 mechanical properties of EH36-235 ship plate
板号 规格 Rch/MPa Rm/MPa A/%-60℃冲击Akv/J-40℃时效冲击/J Z/% C287031Q 50 395 545 34 152 178 168 102 139 124 67.0 60.5 64.0 C287031C 50 395 540 28.5 151 97 151 111 119 106 67.0 60.5 64.0 C286981Q 100 375 535 35 170 163 143 176 133 64 49.0 39.0 54.5 C286981C 100 365 540 30.5 20 47 31 28 41 20 49.0 39.0 54.5
4.2 高强度工程机械用钢Q690E钢的开发
4.2.1 技术要求与成分设计
高强钢板要求具有足够高的强度、低的韧脆转变温度和一定的延伸率。开发Q690E钢过程中采用了低碳及Mo—Ni—Cu—B微合金化的成分设计方案，采用 Nb、V、Ti复合微合金化设计，细化晶粒，提高钢的强度和韧性。Cr、Mo、B提高钢的淬透性，尤其是加人适量的B；Ni用来提高钢的韧性；尽量降低P、S有害元素的含量；并采用ca对夹杂物进行球化变性处理。4.2.2 生产工艺
生产工艺路线为：铁水预处理——转炉顶底复吹——LF炉——RH真空处理——连铸——钢坯检验——钢坯加热——高压水除鳞——粗轧——精轧——ACC水冷——矫直——冷床冷却——精整——抛丸——回火处理——性能检验——成品人库。4.2.3 力学性能
1)热轧钢板的力学性能
成品厚度20mm的Q690E钢热轧后力学性能如表2所示。
表2 热轧后钢板的力学性能
Table 2 mechanical properties of hot rolled plate 规格/mm 样品编号 Rp0.2/MPa Rm/MPa A/%-40℃AKV/J 20 TD192571000 820 955 11.5 106 127 107 20 WD192571000 755 810 13.5 139 129 145 20 TD192581000 785 950 12.5 186 155 147 20 WD192581000 795 835 14.5 146 121 136 20 TD192591000 810 940 12.5 106 108 111 20 WD192591000 870 915 13.5 116 134 129 从表2中可以看出试生产的高强钢Q690E在热轧后屈服强度均满足国标要求，但是抗拉强度有波动，个别批次钢板富余量不大，有的超出了国标的要求，延伸率不能满足国标的要求，-4O℃冲击韧性良好。2)回火后的力学性能
对轧后钢板进行 680℃加热、保温30min高温回火处理后，钢板力学性能如
表3所示。其屈服强度不仅满足了国标690MPa的要求，有的已经到了790MPa级别，而抗拉强度也满足了国标的要求，且回火后的钢板具有很好的低温冲击韧性。钢板回火后，析出的细小碳化物起到形核阻止晶粒长大的作用，因此钢的组织更加细小，钢的强度也得到了提高。可见，采用TMCP工艺加回火工艺，强韧性匹配较好。[11]
表 3 试验钢板回火后力学性能
Table 3 Mechanical Properties of test steel after tempering 规格/mm 样品编号 Rcl/MPa Rm/MPa A/%-40℃AKV/JTD192571000 805 825 17.5 209 213 107 20 WD192571000 765 810 18.5 178 169 145 20 TD192581000 810 835 17.5 185 207 147 20 WD192581000 795 825 14.5 195 164 181 20 TD192591000 750 870 17.0 216 217 220 20 WD192591000 740 865 16.0 247 210 240 4.3 高强度汽车大梁钢 BT610L 开发
4.3.1 化学成分设计
化学成分设计的基础是要满足力学性能要求，BT610L选择铁素体+珠光体组织设计，采用低碳、低硫、低磷，添加微合金元素铌和钛，强韧化机制以细晶强化为主，附加析出强化和位错强化［5］，从而获得高强度、高韧性和稳定的冷成形性等优良的综合性能。4.3.2 生产工艺
生产工艺流程如下:铁水——铁水预处理——转炉顶底复吹冶炼——LF炉外精炼——板坯连铸——堆冷。
板坯加热——高压水除鳞——定宽压力机——E1R1粗轧机轧制——E2R2 粗轧机轧制——(保温罩)——飞剪切头尾——高压水除鳞——(F1—F7)精轧机轧制——密型层流冷却——卷取——托盘运输系统——取样、检验——称重——入库。
4.3.3 力学性能
对所生产的40炉BT610L进行力学性能检测，力学性能控制稳定，符合企标
要求，力学性能范围见表。[12] 表 4 BT610L 力学性能控制水平(横向)
Table 4 Mechanical Properties of BT610L(horizontal)Rel /MPa Rm /MPa A /% 180°冷弯，b≥35mm 550～606 611～669 21～29 合格
从表4中可得BT610L夹杂物控制良好，组织细小均匀，力学性能稳定，能够满足汽车生产厂家的使用。高强度宽厚板的前景展望
5.1 宽厚板轧机的发展要求
未来钢铁企业为了满足高质量宽厚钢板的需求，产品品质必需满足更加严格的标准；必然要应对日益激烈的竞争，应对来自质量、成本、效率、环保、品种和技术方面的压力和挑战；面对一般宽厚板轧制能力过剩，高端宽厚板产品技术和生产能力仍然短缺的现状；可以肯定炼钢-连铸-轧钢工艺流程和产品结构优化的技术改造，淘汰落后和新的工程建设将持续进行。整合设计研究、装备制造和使用平台，鼓励支持消化吸收和掌握引进技术，重视总结实践经验的二次创新和自主集成，推动装备国产化、工艺技术和核心竞争力的实现，我国宽厚板坯连铸与宽厚板生产的技术和装备应会取得持续的进步，接近或达到国际先进水平。[13] 5.2 高强度钢的研究方向
5.2.1 提高高强度钢的材料强度级别
据宝钢相关资料介绍，其拥有国内唯一一条超高强度钢板专用生产线，可以生产最高强度达冷轧1500MPa，热镀锌1000MPa的材料。目前为止，980MPa及以下强度零件的冲压成形工艺已相对成熟;1200MPa B柱零件的成形工艺目前正在研究中。
5.2.2 提高高强度钢的成形性
目前，以宝钢、首钢、武钢、鞍钢为代表的国内多家钢铁公司都在进行针对高强度钢的先进成形方法的研究。目前为止，比较有研究潜力的先进成形方法是液压成形与内高压成形。[14] 5.2.3提高高强度的抗层状撕裂性能
抗层状撕裂性能对高强度宽厚板也尤为重要，这样会不致形成表面损伤、微细裂纹等以至钢板金属连续性的破坏和应力腐蚀开裂发生的问题；能允许多次加工或修补，尤其是焊接操作。良好的抗层状撕裂性能能降低材料发生腐蚀开裂的可能性。[15] 6 结语
中国经济高速发展推动中厚板产销量大幅增长，不同种类的高强度宽厚板有着各自的用途。通过对高强度结构钢Q690的开发，分析了高强度钢的组织成分和生产工艺对其性能的影响。随着高强度钢成形技术的不断提升，高强度宽厚板的应用也会更加广泛，发展前景非常乐观。
参考文献：
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