摘  要：低合金高强度钢板是宽厚板生产企业都特别关注且积极开发的重要产品系列。着重从使用低合金高强度宽厚钢板量大面广的8个重要领域对品种需求和发展趋势进行阐述，并分析了与此类钢板生产相关的微合金化、超低碳贝氏体钢及控轧控冷等3项工艺技术。

关键词：低合金高强度钢板；宽厚板；发展趋势

     低合金高强度宽厚钢板是钢铁产业发展政策中明确提出要鼓励生产的产品。它属资源节约型钢材，同时也是比较典型的高技术含量、高附加值产品，广泛用于能源、交通、建筑、工程机械等国民经济各个重要领域，具有很大的市场潜力。随着钢材需求行业的技术升级，对钢材的性能也不断提出新的更高的要求。宽厚钢板是钢铁产品类别中归属于中厚板的一类主导产品，一般泛指采用宽厚板轧机生产的宽度在3 000 mm以上，厚度在4 mm以上的钢板。据中国钢铁协会统计，2006年国内企业累计生产中厚板约6 662万t(其中特厚板242万t，中厚板卷6420万t)。由于宽厚钢板的平面尺寸及厚度都比较大，宽厚板的产品适用性强，在制作大型容器、设备和钢结构时比其它产品利用率高，更经济合理，因此被许多行业用户广泛选用。笔者从使用要求和制造技术两个方面评述低合金高强度宽厚钢板的发展趋势。

1  使用要求和产品特点

    由于低合金高强度宽厚钢板主要用于焊接结构，因此不仅要求钢材具有高的强度及塑韧性，还必须有良好的焊接性和工艺加工性。高纯净度、高强度、高韧性并具有良好厚度方向性能的宽厚钢板是总的发展方向。以下按与低合金高强度宽厚钢板紧密相关的8个主要应用领域分别叙述使用要求和产品特点。

1．1船舶及海洋平台

    为了在激烈竞争中赢得市场，船舶制造正在向大型化、高速化和高新技术化发展。船舶吨位越大，要求板面也越大，从而减少焊缝。根据资料，以建造2．7万t货轮为例，用3 000～3 600 mm或用1 500～1 800宽的钢板建造，全船焊缝长度分别为17 616 m和23 851 m，相差26．1％。使用宽板不仅节约焊材，减少焊接量，而且也提高安全度。同时，大型船舶为了减轻自重，增加载重，提高船舶整体性能，也力求增加高强度船板用量，如采用屈服强度400MPa的高强度船板取代普通强度船板，自重可减少1／4以上。据介绍，2010年我国造船能力将达到2 300万t，需要船板900万t，其中高强船板占38．8％。今后除大量使用AH36、DH36、EH36外，还将使用FH36、DH40和EH40等级别钢。目前一些重要的特殊船舶，已用上了屈服强度590～780MPa的钢板，近年来新建设的液化天然气船也要求使用具备超低温性能的钢板(9Ni等)。

    海洋平台是开采海洋油气资源的重要设施，其工作环境恶劣，无法躲避风浪，要求长达15～20年的服役时间。由于载荷及应力大，结构需用高强度、大厚度的钢材。尤其是对于吊点等结构，一点可能承受10 MN以上的力，吊点板的厚度达到80 mm。海洋平台钢材采用的材质多为船用板(GB712—2000等)并有z向性能要求(GB5313—1985)。由于管节

点承受非常大的应力，且应力集中也非常严重，极易造成厚度方向上的层状撕裂，因此必须要求钢板达到Z35级的厚度方向性能。目前多用D36、E36品种，并已生产应用到DH40级别，且自升式平台结构中的齿条用钢，要求屈服强度级别为690 MPa，厚度达到110～150 mm。“十一五”之后，近海深水油田开采将成为我国海上油田的重点发展方向，高强度级别钢板的用量将继续增加。

1．2桥梁

    桥梁是最早使用低合金高强度钢的领域之一。随着桥梁正桥长度和主跨长度的增大，钢板厚度不断增加，并要求提高桥梁用钢的屈服强度。如同所有钢结构一样，采用高强度钢有助于减轻本身质量，减少材料和制造成本。同时从冶金角度，降低钢板厚度也有助于减少制造难度和改善钢材性能。但是，考虑到桥梁构件的弯曲特点和对疲劳强度的要求，仅仅提高屈服强度并不一定减少用钢量及桥的自重。屈服强度为500 MPa被认为是桥梁用钢屈服强度的合理上限，但是，不同类型桥梁可以有不同要求。例如屈服强度700 MPa以上钢材在移动桥上得到了越来越多的应用，因为要满足运输、架设和使用的要求，移动钢桥必须具有轻质高强的特点。目前，国外移动钢桥研制中采用的高强钢材，屈服强度已接近1 000 MPa。

    由于桥梁长时间暴露在各种大气介质中，因此抗大气腐蚀能力也是桥梁钢开发所关注的重要性能。日本桥梁协会资料表明，在日本用耐候钢建造桥梁的质量比已经达到20％以上，而且呈上升趋势。桥梁用耐候钢开发的焦点是在提高抗大气腐蚀能力和保持优良的焊接性能之间取得最佳平衡。

    开发非热处理工艺即采用控轧控冷生产高强度板，如Q345qE、Q390qE、Q420qE，也是桥梁用钢的新特点之一。正在兴建的南京大胜关长江大桥所用的Q420(]E高强钢，即要求采用TMCP工艺生产，并规定C的质量分数≤0．06％，Pcm≤O．20％，一40℃纵向Akv≥120 J，钢板具备优良的强韧性和焊接性，引领着我国桥梁钢的发展方向。

1．3  管线

    目前管线设计的趋势是大口径化、高输送压力、高寒和腐蚀的使用环境、应变设计。现代管线钢不仅要求有很高的强度，而且有高的韧性、良好的焊接性以及抗H₂S腐蚀能力。生产如此高的综合性能的钢材几乎应用了近年来冶金制造技术方面所有新的成果，包括}占净钢冶炼、控轧控冷和微合金化技术等。

    管线钢合金设计发展的最终经验有2条。一是必须降低钢的碳含量，这是保证高韧性和良好焊接性的前提；二是确定了两种基本的基体组织类型：铁素体／珠光体和铁素体／针状铁素体。大致来说，x70级的D／T(直径与厚度的比值)>50时，组织用铁素体／珠光体，x70级的D／T<50时，组织用铁素体／针状铁素体。近年来开发的x100、x120钢级又采用了第3种组织类型，就是在针状铁素体基体上又含有少量马氏体和其它形式的贝氏体。从合金化角度，X70以下级钢基本上用低碳锰钢加Nb、V或少量Mo即可，而X80钢级以上还需加入一定量的Cu、Ni、Cr、B等元素。

    近来，在非Mo合金化情况下，通过添加总量最大为O．11％(质量分数)的Nb，并在较高的终轧温度条件下生产的工艺越来越得到重视，这种工艺被称为HTP。它的优势在于：一是在实施合理的轧制和冷却工艺后获取铁素体／针状铁素体组织；二是钢中去掉了比较昂贵的合金元素Mo；三是与传统TMCP工艺相比，可以有较高的轧制温度，轧机负荷在轧制后期可得到部分释放。

1．4  建筑

    目前，我国钢结构用钢仅占钢材总量的5％左右，而发达国家已达到10％。长期以来，国内外建筑都沿用通用的结构钢一碳素钢和低合金结构钢，例如16Mn、Q345、A572Gr50、SM490等。由于采用焊接工艺，要求钢板具有良好的焊接性能。所用钢的强度性能要求并不高，屈服强度一般在460MPa以下，并要求一定的塑性和韧性，以保证施工要求和防止脆断。

    近年来，由于重型、高层、大跨度、空间结构和非对称结构的发展以及对施工和使用环境影响的深入研究，对所用钢板提出了新的更高的要求，这些要求集中体现在GB／T19879—2005《建筑结构用钢板》标准中，该标准为建筑结构用钢板生产、钢结构设计选材和应用提供了技术依据和指导，建筑结构用钢由原来的一般性钢材变成名副其实的高性能专用钢，

如Q345GJC、Q390Gj、Q460Gj等。建筑结构用钢的发展方向有以下5个方面。

    (1)高强度

    建筑结构用钢目前使用量大面广的是屈服强度级别为345 MPa的钢种，屈服强度级别为390、420、460 MPa的钢材在国家主体育场(鸟巢)、中央电视台等工程中也已大量应用，其中国家主体育场使用了厚度110 mm的Q460E—Z35钢板，创中国钢结构用钢之最。在国外屈服强度490 MPa级钢已投入工程使用并且已经研制成功690 MPa级钢。

  (2)抗层状撕裂

  建筑用钢板的厚度方向性能是该类钢材的主要必检项目。研究表明，层状撕裂产生的主要原因是存在易变形的硫化物，而氢和氧化物夹杂对其有促进作用。目前由于冶炼和钢包冶金技术的进步，氢含量和氧化物夹杂已大幅度减少，消除此种缺陷的主要措施是把钢中硫的质量分数降到O．010％～O．005％和采用夹杂物形态控制。只要装备现代化与产品开发同步进行，抗层状撕裂性能和减轻各向异性都能得到保证。特别是随着超高层、超大跨度建筑结构的发展，对在梁柱节点处使用的厚度大于50 mm特厚板的抗层状撕裂性能，提出了其断面收缩率Z必须达到Z25、Z35的高要求。当前的奥运工程等钢结构建筑都大量使用了Q345GJCZ25／Z35、Q345GJDZ25／Z35钢板。

  (3)改善焊接性

  改善焊接性首要是降低冷裂纹敏感性，措施是降低焊接碳当量和焊接裂纹敏感性指数Pcm，如要求Q345GJ级钢板的焊接碳当量不大于O．43％。同时，高效率焊接的发展要求能够经受高达100 kJ／cm线能量的焊接，目前采用的措施是加入微量Ti或采用氧化物冶金技术。最近的研究表明，只有当钢材的韧性达到Akv(O℃)≥70 J时，才能保证100％的结构强度，而满足此要求的条件是是F_HAZ≤0．58。这里，F_HAZ=w(C)+w(Mn)／6+6×(w(P)+w(S))+12×w(N)一4×w(Ti)。在日本的企业标准中已经出现了能满足上述条件的所谓高HAZ(焊接热影响区)韧性钢。今后的目标是大力发展焊前不预热或预热温度低、焊后不热处理的厚钢板。

(4)抗震

    抗震设计要求将原有的把结构体各部分产生的应力限制在钢材屈服点以内的弹性设计，修订为利用钢材在从屈服后达到最大程度为止的塑性区域的变形能力吸收地震产生的能量，以确保建筑物的抗震安全性能。由此，建筑物所使用的钢材在规定的应力之下发生屈服的同时，确保屈服后的变形性能显得十分重要，所用钢材必须有低的屈强比，而且严格控制屈服点的波动范围。我国新制定的建筑结构用钢板标准GB／19879—2005对此作了相应的要求，对于Q345GJ级别，屈强比要求不大于O．83，屈服强度波动范围为110 MPa；对于Q460LⅪ级别，屈强比要求不大于O．85，屈服强度波动范围为140MPa。

    (5)耐候、耐火

    可焊接耐候钢目前用钢的水平为屈服强度295～345 MPa，现已研制成功屈服强度4。O～500MPa的耐候钢，有待开发应用，当前主要问题仍是改善焊接性。

    具备耐火性也是建筑结构用钢板性能发展的一个趋势。目前对建筑结构用耐火钢的通常要求是加热到600℃，屈服强度还能保持在常温相应值的2／3以上。对多种合金体系钢种的研究表明，Mo+Nb复合钢种比较适合，并且有较好的焊接性能。此种钢的弹性模量下降趋势有所减缓，而且600℃耐高温蠕变性能也有相应改善。

1．5  压力容器

    压力容器用钢板品种繁多，钢材规格复杂，既包括低碳结构钢，又包括不同类别的低合金结构钢和中高合金钢。压力容器用钢板在低合金范畴内大体有下列品种：

    (1)低中压和常温压力容器，以C—Mn钢(有时也加少量微合金元素)为主，如16MnR、16Mng、P355GH：

    (2)中高温和低中压压力容器，以Mo钢、Mn—Mo钢、Cr_Mo钢为主，如15CrMoR、15CrMog；

    (3)高温高压容器，以Cr-Mo钢、Cr—Ni—Mo钢、Mn—Ni—Mo钢为主，如13MnNiMoNbR、13MnNiCrMoNbg、12Cr2M01R；

    (4)一20℃左右低温用钢，以C—Mn钢或低Ni钢为主，如16MnDR；

(5)一40～一90℃低温用钢，以Ni的质量分数为1．5％～3．5％的钢为主，也可用低C含．Mn微合金钢，如09MnNiDR、SA203E。

    在压力容器用钢品种中，临氢Cr—Mc，钢及抗硫化氢腐蚀(HIc)钢要求很高的纯净度和精确的成分控制范围，冶炼难度和热处理难度较大，这两类钢广泛用于能源工业。

    临氢Cr_Mc)钢主要有1Cr_O．5．Mo(15CrMoR、SA387Grl2CL2)、  1．25Cr_0．5Mo  (14CrlMoR、SA387Grll)、2．25Cr_1Mo(12Cr2Mo1R、SA387Gr22)、2．25Cr一1Mo—O．25V等4种类型，其中2．25Cr-1Mo—O．25V钢具有更高的高温强度和耐氢蚀能力，钢板最

大厚度达到120 mm以上。临氢设备用Cr_Mo钢质量要求高，一般要满足以下特殊技术要求：

    (1)较高的纯净度。要求w(S)≤0．008％，w(P)≤0．010％，以提高抗氢侵蚀能力、抗回火脆化能力、减少疲劳裂纹可能性。通常要求系数J=[(w(Si)+w(Mn))(w(P)+w(Sn)]×10⁴≤120，系数X=[10w(P)+5w(Sb)+4w(Sn)+w(As)]x10^-2≤15×10^-6；

    (2)较大的韧性储备。一般要求2．25 Cr一Mo类钢板 -30℃横向AKv≥54 J；1．25 Cr 0．5Mo类钢板，  -20℃横向Akv≥54 J；15 CrMoR类钢板，一10℃横向Akv≥4l J。

    抗硫化氢腐蚀(HIC)钢同样要求高的纯净度，同时对Mn含量也有特殊限制，具体为(质量分数，％)：C≤0．20，Si—O．20～0．60，Mn一1．20～1．35，P≤O．012，S≤0．003。

    属于压力容器范畴的电站锅炉汽包用钢板，要求优良的内在质量、均匀稳定的强韧性和高温性能。锅炉汽包用钢板常用牌号包括P355GH、13MnNiCrMoNbg(13MnNiM054)、SA299，最大厚度达到145～210 mm，最大单重达到32 t。目前30万kw锅炉汽包中210 mm厚的SA299钢板使用量逐渐减少，更多使用的是厚度为145 mm或135 mm的13MnNiCrMoNbg类钢板，以减轻汽包质量。

1．6大型储油罐

    随着石油进口量的逐年增加，我国的石油供应安全问题和石油交易风险日益突出，为此，将在2010年前分期建立国家石油战略储备基地和企业商业储备库，形成我国的石油储备体系。大型储油罐罐壁板普遍使用屈服强度级别490 MPa的钢板，目前我国大量使用的是GBl9189《压力容器用调质高强度钢板》中的12MnNiVR，大型储油罐目前已发展至15万m³、10万m³、15万m³等大型储油罐如同其它大型钢结构件一样，为提高焊接效率而采

用大线能量焊接工艺(线能量≥50 kJ／cm)，所以大型储油罐用钢要求具备耐大线能量焊接的性能。普通钢板在大线能量焊接后，焊接热影响区组织容易粗大，造成韧性下降而脆化。焊接热影响区的原奥氏体晶粒大小和二次组织的类型是决定焊接热影响区强韧性的两个因素。因此，要求大型储油罐用钢原奥氏体晶粒细小，同时希望在焊接热影响区得到一定数量的针状铁素体。钢中弥散的TiN质点能够有效地阻止奥氏体晶粒长大，从而为通过二次组织改善热影响区韧性奠定基础，并促进针状铁素体的形成。

    目前采用淬火回火生产的低碳Mn—Ni—V钢，具有较低的Pcm(≤0．23％)，经线能量为100 kJ／cm的大线能量焊接后，熔合线及热影响区能保持较高的韧性。

1．7电站结构用钢板

    电站结构用钢板广泛用于核电、水电、火电工程，制造电站闸门结构、压力钢管、蜗壳、发电机组构件、核电站安全壳内衬等。闸门结构、厂房结构，无论火电、水电、核电一般用Q345级钢板，压力钢管、蜗壳一般用16MnR、WDB620、CF62等钢板，发电机组构件使用的Q345级钢板厚度达到220 mm，并要求Z25、Z35级别厚度方向性能。为便于施工，压力钢管、蜗壳用钢板焊接时要求不预热或低预热，为此屈服强度490 MPa级钢板通常要求焊接裂纹敏感性指数Pcm≤O．20％，我国专门研究制定有低焊接裂纹敏感性高强度钢板冶金行业标准(YB／T4137—2005)。传统的低焊接裂纹敏感性高强度钢板采用淬火回火热处理，新研制开发的钢种按超低碳贝氏体钢思路设计，采用控轧控冷并经高温回火处理，具有更好的焊接性能并提高了生产效率。目前国内电站结构应用屈服强度级别最高为690MPa级(WH80Q)，高级别钢板用于制造大型抽水蓄能电站的压力钢管。

1．8  工程机械

工程机械用低合金高强度钢板广泛用于港口机械、煤矿液压支架、挖掘机、吊车、自卸载重车、球磨机等各个方面。从性能要求上可分为强度型和硬度型，后者又称高耐磨钢板。在要求强度型的钢板中，目前应用屈服强度级别已达到960 MPa，但是大量采用的还是690 MPa级别以下的钢板，具体品种见表1。从制造方法上来看，屈服强度550 MPa以上大多采用淬火回火工艺。要求硬度型高耐磨钢板的硬度大多在HB 400以下，但国外已经生产了最高硬度达HB 600的钢板。

2制造技术和工艺的进步

  低合金高强度宽厚钢板制造技术的核心是合金设计和冶金工艺。近年来制造技术的进展主要体现在以下几个方面。

2．1微合金元素作用的充分发挥

    微合金元素研究较多、用得较广的是Nb、V、Ti。长期以来认为，Nb作为微合金元素，在钢中的基本作用是细化晶粒。HTP(高温加工)技术的开发不仅扩大了奥氏体非再结晶轧制的温度区间，使非再结晶控轧可以在较高温度下进行，而且得以充分发挥溶质Nb的作用，降低奥氏体／铁素体相变温度，促进贝氏体转变。在管线钢中，用HTP技术可以生产不含Mo的X80钢。

    v对晶内铁素体成核机制的研究表明，它在微合金钢中的作用不仅局限于析出强化，同样也可以通过细化晶粒提高强度并改善韧性。在各类微合金元素的析出物中，VN有高的促进铁素体形核能力，仅次于TiN。当钢中有适量的V和N，通过合适的控轧条件，增加奥氏体相中VN的析出数量，从而达到相变后细化铁素体的目的。在此原理基础上形成了被称为第3代的TMCP工艺口’，它已经在厚板生产中应用。

    钢中弥散的TiN质点能够显著提高在加热时晶粒长大温度的作用已经在热轧和热处理工艺中普遍应用。由于TiN的熔点很高，在焊接热影响的粗晶区都能抑制奥氏体晶粒长大，因此在微合金钢中，Ti成了改善热影响粗晶区韧性、开发大线能量焊接高强度钢的一个不可缺少的元素。为得到细小的组织，改善大热输入焊接熔合区的组织和韧性，还可利用Ti₂O₃促使奥氏体相晶内铁素体成核，并通过添加微量B来抑制奥氏体相晶内铁素体相的形成。

这种所谓氧化物冶金的技术已经应用于工程实际。

    B作为一种微合金元素，可以通过抑制在奥氏体晶界上的形核而延迟向铁素体的转变。在传统的淬火回火钢中，B可以显著提高钢的淬透性。研究表明，直接淬火更加强化B的影响，这可能与合金元素得到充分溶解有关。

2．2超低碳贝氏体钢的开发

    20世纪50—60年代，低碳贝氏体钢的研究和开发曾经引起广泛的兴趣，当时选用了多种合金元素的组合(其中较著名的是Mo—B)，可以在一个广阔的尺寸范围内空冷即得到贝氏体，随碳含量和转变温度的不同达到450～900 MPa的屈服强度，但韧性较差，不能满足工程结构要求。后来认识到，大幅度降碳可以显著改善韧性，而屈服强度仅降低少许。钢包冶金工艺的发展使超低碳钢可以在工业规模上用较低成本进行生产，从而推动了超低碳贝氏体钢的发展。

    目前超低碳贝氏体钢主要用于屈服强度500～600 MPa的产品，强度几乎可以覆盖传统的淬火回火钢范围。从合金设计角度，基本上已经形成Mn—Nb—B和Cu—Nb -B两大系列。超低碳贝氏体钢充分利用了现代TMCP技术，并且发展了新型的TMCP+RPC控制技术，从而使组织充分细化，得到更好的强度和韧性匹配。

2．3  轧后加速冷却和直接淬火工艺的应用

    生产低合金高强度钢板最普遍采用也是最经济的技术措施是控制轧制和控制冷却，也称为TMCP(温度形变控制轧制)工艺。国外以日本JFE公司研究开发的加速冷却技术OLAC最为成功，它先后在福山厂双4 700 mm轧机、仓敷厂5 500 mm轧机、京滨厂5 500 mm轧机得到应用，目前可生产厚度70mm的EH40造船用宽厚板。作为TMCP工艺延伸的直接淬火工艺已经用于替代传统的淬火工艺。直接淬火钢板比相同成分的重新加热后淬火钢板具有更好的淬透性，而且微合金元素既能提高淬透性，还能加强回火时的析出强化，因为某些碳氮化物冷却析出后再加热时很难充分溶解并均匀分布。

    在重新奥氏体化后的淬火工艺中，钢的化学成分和奥氏体化温度控制着淬火组织和随后回火后的性能。而直接淬火钢除上述因素外，还受奥氏体加工条件的影响。由于重新奥氏体化一般是在稍高于A_C3温度进行，产生的奥氏体晶粒比较均匀细小。但是直接淬火前的晶粒，如果经过控轧的话，应该是非等轴的，有时还比较粗大。尽管如此，用直接淬火得到的马氏体和贝氏体组织却具有较好的淬透性和强韧性匹配，回火后有更高的强度，对氢致裂纹有更高的抗力。这种改善的原因归结于在直接淬火钢中析出物较为弥散地分布，并有大量移动位错存在。

3  结论

    (1)面对激烈竞争和挑战，宽厚板生产企业应着力于高技术含量、高附加值产品的开发，低合金高强度宽厚钢板是最好的选择。

    (2)开发低合金高强度宽厚钢板时要增加和改进必要的装备和科研检测条件，如轧制过程的测板宽、板厚及平面形状控制手段，落锤撕裂试验(DWTT)机、焊接试验室、热模拟试验机、保证钢板内部质量的在线超声波探伤设备以及全面提高和稳定各级别钢板性能的热处理炉等。这些都是产品生产过程中的基本手段和保证措施。

    (3)先进的标准对产品开发起着重要的指导和引导作用。特别是要适应国外设计工程、产品出口、外资企业对采用国外标准的要求，提高采用国外先进标准的能力和水平。ENl0025、ENl0028、ASTMA709、ASTM A572、ASTM A633、JISG3106等都是常用的低合金高强度钢板国外标准。

    (4)叙述了8类与宽厚板关系比较密切的行业的要求，所需品种有高端的，也有低端的。生产厂在规划产品时，不应一味追求高端，必须研究和关注纯净度、厚度方向性能、高强韧性、内在质量、表面质量等，从而奠定品种开发的基础。

                                             常跃峰1  王祖滨2  赵文忠1