隨著船舶向大型化、輕量化趨勢發展,8000箱以上的超大型集裝箱船發展迅猛,近3年更是由10000箱船發展到22000箱船的水平。大型集裝箱船的艙口圍板和甲板等部位承受重載、撞擊等復雜交變應力,需要采用高強度、大厚度、高韌性鋼板,避免因鋼板脆性斷裂造成船舶傾覆的重大災難。
為確保結構安全性和可靠性,業內要求在預計會產生裂紋的部位和有可能發生大規模斷裂的重要部位,都采用E級鋼這類韌性優良的鋼材并有脆性裂紋止裂的能力,具有某種級別以上的斷裂韌性值以預防脆性裂紋的產生與擴展。另外,在船舶結構設計中,還要考慮一旦發生脆性裂紋時,要具有制止裂紋擴展機能的結構設計,艙口圍和上甲板的接合部通過錯位焊接或采取止裂孔等適當處置來阻止脆性裂紋擴展。由于艙口圍區域焊接殘留應力的作用,從焊接區產生的疲勞裂紋會向上甲板和舷側列板一側擴展,而艙口圍、上甲板和舷側列板具有止裂能力,使裂紋的傳播停止,保證了船舶的運行安全。
綜合考慮上述因素,開發大型集裝箱用鋼的挑戰一方面體現在要滿足IACS(URS33文件)要求,另一方面還要克服特厚鋼板強度波動大,厚度截面強度不均勻、韌性不穩定等問題。然而,無論滿足IACS要求的止裂性能,還是減少性能波動和不穩定,都應在充分認識、掌握提高止裂韌性機理,建立止裂韌性、性能波動、不穩定與組織和工藝的關系的基礎上,通過逆向設計材料的組織,針對性設計材料的工藝技術和控制整個冶金流程的關鍵工藝要點來實現。因此,為了開發高性能穩定性大型集裝箱船用鋼板、高止裂性特厚鋼板,須開展原創性、機理性材料設計研究,開發特厚鋼板質量穩定控制的全流程關鍵技術研究。
2010年,鞍鋼設立集團重大科研項目,開展了集裝箱船用鋼的研發工作,并獲得中國首條萬箱集裝箱船用鋼的整船國產化供貨業績。自2012年起,鞍鋼參與了中國船級社《船用高強度鋼板超厚板檢驗指南》編寫工作,同時為其他船級社規范的制、修訂提供技術支持。2013年,鞍鋼結合國際船級社聯合會(IACS)發布的集裝箱船用止裂鋼規范,系統開展了強韌化機理、全流程冶煉軋制關鍵工藝技術、止裂性能評價等相關研究工作。2015年11月,鞍鋼成為80mm止裂鋼國內首家通過8國船級社認證的企業;2016年2月,90mm止裂鋼板再次通過船級社擴大認證。鞍鋼在集裝箱船用高性能鋼的研制開發、工業化生產、船級社認證、應用性評價、止裂韌性替代評價方案等方面實現了自主創新。
自2010年以來,鞍鋼針對提高低合金鋼的安全性開展了精細控制低合金鋼組織的原理性基礎研究,發展了提高強度、韌性特別是塑性的材料設計及工藝原理,開展了相應的工藝技術研究,奠定了針對特厚鋼板進行組織調控的基礎。鞍鋼的軟硬件設施也為生產超寬特厚集裝箱船用高性能鋼提供了設備和技術保障:鞍鋼5500mm+5000mm雙機架四輥可逆式寬厚板軋機,是世界最先進、國內唯一的軋機,軋制力達到1萬噸,采用CVCplus等13項最新的先進技術;2015年,科技部批準的“海洋裝備用金屬材料及其應用”國家重點實驗室落戶鞍鋼。在研發過程中,為解決降低韌脆轉變溫度、提高斷裂韌性的難題,鞍鋼開發了精準TMCP工藝,構建了超大型集裝箱船用鋼智慧制造理念,針對高強塑性、高止裂韌性、大厚度、寬板幅、易焊接等關鍵特性,形成并全面掌握了全流程關鍵控制技術,具備了超大型集裝箱船用鋼研發和生產實力。
目前,鞍鋼已經實現了牌號A-EH47BCACOD、厚度5mm~100mm、寬度最大5200mm的集裝箱船用鋼全品種、全規格覆蓋,形成了11個系列、111個牌號具有國際競爭力的集裝箱船用鋼產品,極大地滿足了用戶差異化需求和產品個性化需要。與其他企業生產技術比較,項目技術具有國際領先性。鞍鋼用連鑄坯生產100mm高強船板及90mm止裂鋼的壓縮比是世界上最小的,突破船規4∶1壓縮比限制,也是產品最厚的,非止裂鋼達到100mm,止裂鋼達到90mm,質量等級達到F級。
鞍鋼供貨的集裝箱船用鋼應用于44條8800箱~22000箱集裝箱船的建造上,累計供貨92萬噸,近3年供貨51萬噸,2018年中國市場占有率達到70%以上。其中,止裂鋼供貨近2萬噸。尤其在2016年5月,鞍鋼在與日本JFE及韓國POSCO的競爭中,憑借品種規格全覆蓋、實物質量穩定、止裂與焊接性能卓越等優勢,獨家中標我國首次自主設計制造的兩艘20000箱超大型集裝箱船全部合同,并完成包括止裂鋼在內的10.5萬噸整船訂單的供貨,其中止裂鋼近4000噸,EH40BCACOD和EH47BCACOD高止裂韌性鋼板厚度范圍50mm~85mm,部分規格極厚、極寬、極長,包括特殊極限成品規格,如85mm×4150mm×4600mm、80mm×1670mm×17950mm,完成止裂鋼國內首發。2017年,鞍鋼實現90mm止裂鋼國際首發,為2個項目供貨2200噸。2018年,鞍鋼再次獨家獲得9條22000箱集裝箱船用止裂鋼供貨合同13500噸。船級社驗船師見證評價,認為鞍鋼生產的集裝箱船用鋼板力學性能穩定,完全符合船規要求。產品在使用過程中,經過檢驗考核,使用情況良好,具有良好的焊接性能和加工成型性,尤其止裂鋼入廠復檢合格率達到100%。鞍鋼通過采用最經濟的生產工藝路線生產,為用戶節省了產品的采購成本,受到了用戶的好評。
鞍鋼的集裝箱船用高性能、高質量鋼材的大批量生產,有力地支持了中國造船業的發展,對國民經濟的發展起到了促進作用。與此同時,鞍鋼與中船重工、中船工業等國內造船企業建立了長期穩定合作關系,形成了戰略聯盟,為船廠提升國際競爭力提供了保障。鞍鋼在海洋裝備用高端金屬材料領域的新突破,為實現國家建設海洋強國、發展藍海經濟戰略目標做出了貢獻。
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