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Research andDevelopment Strategy on Heavy Plate Steels and Recent Results at Dillinger 迪林根重型厚板研发 最近，一台新的连铸机投入使用，连铸板坯厚达600mm。石油和天然气公司提出钢板工作地条件恶劣，易造成设备服役期间失效，针对这一问题，一种基于涡流检测技术的无损检测方法被开发出来，已经成为钢板生产过程中不可缺少一个工艺设备，它可以100%检测覆盖钢板面，可靠地检测出钢板所有硬度增加的区域，这种在线检测系统最近开始运行，其核心部件为持续的开发高质量的钢板提供了有力的支持。这种开发是市场提出高要求而驱动的，这些要求反映出钢板需要更大的厚度，更大宽度，高的低温韧性，高的强度和更好的抗酸环境服役性能。这篇文章使用图表来解释和说明厚板技术的进展。 钢材的微观组织结构设计是迪林格厚板研究的中心环节，是钢板的性能基础，特别是结合完整的微观组织结构建模和仿真，以满足更短和更有效的开发周期需求，越来越多的复杂模型被用于材料开发和工艺优化。钢板的冶炼和轧制以及测试过程中产生的大数据由神经网络系统地收集和评估，同时建立神经网络模型来优化材料设计和制造，降低生产成本，保证及时交付的可靠性。本文描述了迪林格的工艺生产方法。 持续进步的一个核心环节是工厂对先进技术的战略性投资。本文将讲述新投资建设的连铸机，该铸机可以浇铸厚达600mm的板坯，还将概述对一种新投入的无损检测(NDT)设备，该设备开发用于100%的钢板表面检测，将这个检测设备作为钢板生产过程的一个重要的工艺组成部分，它可以可靠地检测任何区域和所有区域硬度增加的区域(所谓的硬点)。 市场持续提出高要求性能的钢板驱动钢厂开发的动力，迪林根这些核心技术为这种需求不断研发奠定基础。市场要求反映在更大厚度，更宽钢板，更高的低温韧性，更高的强度和/或更好的抗酸环境性能。这里将用最近的研发来解释和说明技术的进展。 研究战略
图1 狄林根研究和发展的三角核心环节（左上：钢种设计，轧制和冷却等；基于模型预报到右上：钢板的强度，韧性等；通过各种试验检测下图：微观组织结构，晶粒尺寸，各种相等。） 基于数据整合预测模型的利用同时，将基于数据库的综合预测模型可靠地用于改善产品质量、提高质量保证、降低生产成本和保证交货期的可靠性。 钢板工艺设计需要达到要求的性能，包括所有相关的生产参数，例如，在热机控制(TMCP)轧制过程中的化学成分和温度设计，对于每个工艺参数，确定带有误差范围的目标值。性能的测试通常要做很多适应性智能的工作，“很多”可以是一炉钢，就是这一炉钢也是要包括几块钢板，一般来说，如果生产中某一参数超出了其允许范围，比如精轧温度过低，则需要对对相应的钢板进行额外检测。 通过分析冶炼和轧制钢板过程中和检测中获得的大量数据，训练神经网络来预报机械性能，因此，可以使用这种神经网络来设计和定义钢板生产。在某种程度上，可以使用模型来推断设计新的钢种，而不是根据以前的生产经验。每一块钢板生产后，就可以计算预报其性能是否存在不合的风险，是否需要对其进行相应必要的检测试验。由于各工序对性能都有影响作用，尽管一个或者几个工序超出公差范围，但是其它工序可以进行补偿，仍然可以得到所需的机械性能（见图2），另一方面，尽管所有工序都在工艺误差范围内，但是负面效应的叠加，仍有可能性能不能满足要求。目前的研发集中于通过迭代过程来确定每一步的工艺公差，以补偿可能出现的偏差或者补偿没有达到优化的工艺参数，最终达到钢板的性能要求。
图2 生产制造过程中通过其它工序修正补偿或多种因素积累来达到所需的机械性能（图形上部主要工序为：冶炼连铸，板坯加热，轧制，冷却，热处理） 微观组织设计钢板的微观组织结构是决定最终力学性能的关键因素，在制造设计中起着关键性的作用。鉴于显微技术的发展(如场发射枪扫描电子显微镜(FEG-SEM)、电子背散射衍射(EBSD)或原子探针断层扫描(APT))，对生产钢种组织的表征已经达到了其性能设计极限。以完整的材料模型和模拟仿真为基础，基于微观结构的设计，为更加有效、更加系统更短开发周期研发提供了有力的保证。此外，新的概念和处理方式对产品扩展其性能极限，实现性能明显改进是可行的方法。 活动的关键领域包括对生产过程中微观组织演变进行建模(图3)，在材料应用过程中建立微观组织与性能和行为之间的关联，其成功与否关键取决于微观组织结构表征的质量，建模常常由物理模拟的结果和特征值支持，此外，对结果进行实验和工业验证是必不可少的。
图3 钢板轧制过程中微观组织和沉淀析出演化及微观组织结构机理(简图示意) （左侧箭头：组织结构的演变，加热炉内晶粒粗化，轧制过程中再结晶和晶粒扁平化，水冷过程中发生相变，最后是钢板的热处理；右上表达的是析出物的演变过程，加热炉中合金回溶，轧制过程中形核和形变诱导析出，过程中形核，热处理过程中回溶，形核和晶粒粗化） 持续超前技术投入迪林根钢厂不断前进的一个核心因素是钢厂战略性投资(图4)。最近,一个新的连铸机(CC)投入运行，能够浇铸厚达600mm板坯，并且安装了一套在线涡流(EC)检查设备，用来在线检测铸坯的硬点区域。[2~5]
图4 迪林根钢厂持续技术投入(示例) （1960年建设世界上第一台板坯连铸机，80年代安装了最大功率的钢板轧机和安装了MULPIC冷却装置；90年代第一次连铸出400mm厚度板坯和采用软压下技术；从2010开始，在世界上首次生产450mm，500mm和600mm厚的连铸板坯，并且第一次安装使用了涡流在线检测铸坯硬点区域技术装备） 新的板坯连铸机在2015年，新型6号连铸机(CC6)投产，采用立式连铸的布置(图5)，其铸坯在连铸机的垂直部分完全凝固。立式连铸机的特点是铸坯不需要弯曲矫直，垂直方向上直接切割成倍尺的板坯。切割完成后，铸坯放倒成水平状态，由行车将其运送至辊道。铸坯标称宽度2,200mm，2015年调试期间，生产的板坯厚度范围在300 – 500mm之间。2017年，该铸机提升档次，生产的板坯最大厚度达到600mm。
图5 新6号立式板坯连铸机(CC6)立面布置 硬点检测装置石油和天然气公司对使用TMCP钢板制作的钢管在酸性环境条件下服役给与高度关注，因为硬点对管路连续完整性构成了重大影响。在冶炼连铸和轧制过程中，出现硬点的可能原因各不相同，硬点出现呈现偶然性。因此，大多数规范中的标准硬度测试很难甚至不可能检测到硬点，标准表面硬度测试如果要可靠地工作，必须将材料划分非常精细的网格进行数以千计的硬度测量，这种硬点区域的大规模硬度测试方法不适用大工业钢板的生产过程。为了解决这一问题，一种基于涡流技术的无损检测装置逐渐发展起来。[4,5] 最终在线安装了这种检测设备，可以进行100%的钢板表面检测，业已成为钢板生产过程中不可必要的工艺组成部分，可以可靠地检测到任何硬点区域，对所有表面出现的硬点区间进行扫描检测。 图6上部显示涡流系统的原理和原理图，在图的下部和边部显示便于操作8个探头和3个指示灯，这是工业上使用的手动测试设备。涡流检测是利用交变磁场对导电材料进行检测，这种磁场在材料中产生涡流，并受材料变形的影响，由于涡流本身也产生磁场，因此在测量产生的磁场时可以检测到缺陷。局部硬点，如马氏体或贝氏体微观结构，其位错密度较高，磁导率较低，影响涡流流场中导电电子的散射中心。[5] 因此，该方法为检测局部硬度差异提供了一种间接但准确的可行方案。
图6 涡流传感器和检测小车(手动系统) （磁轭线圈提供流动的磁场，励磁线圈产生磁场，在钢板内产生流动的磁场） 图7描述了涡流传感器的调节过程，传感器在安装前先在实验室的标准硬度块进行上校验，使用的标准硬度块的硬度为200 HV和250 HV两种。根据硬度标准，对测量信号的放大调整(例如，硬度为200 HV时显示全屏高度，硬度为250 HV时的屏幕高度为50%)。
图7 2 .涡流传感器的调节 （顶部文章左边：例如硬点区域信号低于阈值；右边：没有硬点区域信号高于阈值。中间：金相试样的显微硬度检测） 研发进展酸性环境服役管线钢种抗氢致裂纹(HIC)在含硫化氢H2S环境中的性能对管线钢来说是至关重要的，为了对应市场持续发展提出的高要求，从冶炼到轧制必须实现整体的生产控制，系统性的考虑起到主导作用。图8为已交付管线项目中板厚度和钢管壁厚直径比随时代的变化情况，定义了钢管成形过程中的冷变形量。Batelle落锤撕裂试验（BDWTT），检验钢板厚度对其的影响，如图9所示。结果表明，在较高的板厚、较高的冷变形和较低的试验温度上均有明显的变化，要想得到性能一致的钢板技术要复杂得多，掌握这一挑战的基本条件是进一步发展和改进高硫服役条件下钢板的综合整体生产理念，包括了从冶炼到连铸再到钢板轧制生产的全部生产要素，主要是钢的清洁度和微观结构的优化。
图8 在酸性环境下，在pH值为3的测试溶液下，交付管线项目(API 5L TM或同等钢种)在钢管成形过程中钢板厚度和钢管变形（壁厚/直径）之间的关系
图9 在酸性环境下，使用pH为3的测试溶液，对交付管线项目(API 5L TM或同等等级)进行落锤撕裂测试(BDWTT)，测试的钢板厚度与测试温度的关系 TMCP生产的钢种扩展到150mm厚板欧标EN10025-4(热轧结构钢产品，第4部分:TM轧制可焊接细晶粒结构钢的交货技术条件)包括并定义了TMCP钢板厚度不超过120mm的要求。图10和图11是经特别批准生产的钢板订单的结果，对于S355ML和S460ML钢级，要求150mm厚度的钢板性能要达到120mm厚度的钢板性能，这些要求和生产结果是通过应用领先的炼钢技术(包括以前介绍超厚板坯的生产和应用)和TMCP在大功率轧机上的利用以及具有的加速冷却HeavyACC工艺来实现的。
图10 根据EN 10025-4，在S355ML钢种上不同厚度钢板的Rp0.2, Rm和ChV(纵向方向，四分之一厚度方向)
图11 根据EN10025-4, S460ML钢种钢板不同厚度的Rp0.2, Rm和ChV(纵向方向，四分之一厚度) 北极地区S420G1/2钢板开发虽然北极地区及其需求概况没有统一的定义，但可以指出，北极地区的典型特征是气候恶劣、季节性或永久性霜冻和冰冻，以及通常的环境温度-30℃。供应北极地区的材料应按照最低预期使用温度和相关要求考虑，裂纹尖端张开位移(CTOD)试验的试验温度应等于最为恶劣的服役温度，而ChV冲击试验(Charpy v -缺口冲击)温度应是最为恶劣温度再降低30℃。这就意味着，如果北极地区与最为恶劣温度是-50℃，那么CTOD测试的测试温度为-50℃，ChV测试的测试温度为-80℃(图12)。
图12 S420G1/2级常规和北极地区要求的比较(示例)[8] 最近为一个北极近海项目开发和生产S420G1/2级钢板，其厚度在10到65mm之间，在这个项目中，在西伯利亚的诺维港建造了一个储油塔，用于存放船上的燃料油。这座塔是由Bluewater Energy Services B.V.公司设计和建造的。在与Bluewater公司的密切合作下，设计开发了一种新的钢结构，为了达到强度和韧性的最佳平衡，提高了精轧后的冷却速度，以细化组织结构，增强铁素体基体形状的不规则性(图13)。此外，在加速冷却速率过程中，由第二相形成的小岛几乎完全消失。为了进一步提高韧性，采用低C含量与CuNiCrTi合金，得到约0.40%的低碳当量(CEIIW)。图14显示了该平板的ChV变化曲线。在-80℃时，达到了至少60焦耳的韧性指标，显然是满足要求的。
图13 不同冷却设计的北极钢板的微观结构(A、C)和电子背散射衍射扫描(B、D)显示了不同冷却设计的北极钢板的晶体取向(反极图彩色图)(A、B较低，C、D较高冷却速率和最终冷却温度)
图14 S420G1/2钢种低温冲击试验的脆性转变曲线，适用于北极地区不同位置和应变时效条件下的钢板厚度为65mm[8] 自升式钻机用钢板自升式移动式钻井平台(图15)使用于水深小于200米的海洋石油和天然气钻探开采，是最具成本效益的近海石油和天然气开采方案。这种平台也用于近海风电塔的安装。近海这种产业正在推动高强度钢的应用，要求减轻钢结构重量，增加探勘深度，增加有效载荷和上层甲板设备。表1给出了使用的不同钢级和拉伸试验的要求。要求钢板即使在厚度中芯位置上，韧性在-60℃温度条件下，最小值为69 焦耳。为了方便进一步加工，还要求高的平整度(整个长度和宽度≤3毫米)。对于升降机齿条钢，提供厚达210mm钢板，弦长达120mm(图16)。生产工艺路线包括大变形轧制，为大厚度钢板的锻造轧制和淬火回火(Q&T)热处理。为了便于焊接，开发了一种碳当量低的特定化学成分钢种。
图15 自升式独立钻机，示例图片由Condumex提供
图16 （a）迪林根齿条切割；（b）210mm齿条，弦高120mm。[9] 表1 自升式钻井平台对钢板力学性能的要求和等级
概述本文将基于微观组织结构的设计作为迪林根厚板研究的核心内容之一，特别是结合完整的微观组织结构建模和仿真，为满足更短、更高效的开发周期提供了理论技术基础。同时建立基于神经网络的基于数据的力学性能预测模型，优化材料成分和制作工艺，降低生产成本，保证交付可靠性。 持续进步的另一个核心因素是工厂对先进技术的战略性投资。本文介绍了新投资建设的连铸机，该立式铸机可生产厚度达600mm的板坯。该公司还投资集成了一种新型无损检测设备，可用于100%的钢板表面检测，成为钢板生产过程的一个重要的工艺组成部分，能够可靠地检测任何地方和所有硬度增加的区域(所谓的硬点)。 这些核心技术为高性能要求钢板持续发展提供了坚实的基础，反映在更大钢板的厚度，钢板更宽，具有更高的低温韧性，更高的强度和/或更好的抗酸性环境能力，通过生产和使用，解释和说明了这一研发过程。
参考文献1. B. Münnich,M. Bott and V. Schwinn, “Research and Development Strategies for Steel andHeavy Plate Production in the Age of Industry 4.0,” (in German) 31st AachenerSteel Colloquium, Aachen, Germany, 2016. 2. K. Meder, D.Schöne, O. Bode and R. Bruckhaus, “Dillinger’s New Continuous Caster No. 6,”ECCC Conference, Vienna, Austria, 2017. 3. K. Meder, D.Schöne, O. Bode and R. Bruckhaus, “A New Dimension of Continuous Casting:Dillinger’s Vertical Caster No. 6,” AISTech 2018 Conference Proceedings, 2018. 4. C. König, J.Dussaulx and G. Schneibel, “Development of an Eddy Current-Based Test Procedureto Find Local Surface Hardening in the Heavy Plate,” (in German) MaterialsTesting Conference, Bad Neuenahr, 2015. 5. G. Dobmann,C. König, U. Hofmann and G. Schneibel, “Development and Qualification of theEddy Current Testing Techniques,” NonDestructive Testing and Diagnostics, Vol.2, No. 3, 2017, p. 24. 6. V. Schwinnand A. Thieme, “TMCP Steel Plates for Sour Service Line Pipe Application,” PipeSeminar, Moscow, Russia, 2016. 7. C. Collura,T. Staudt, J. Bauer, V. Schwinn, D. Clipet and E. Amoris, “Development of X70and Heavy Wall X65 Plates for Sour Service Line Pipe Application,” OffshoreTechnology Conference 2013, Rio de Janeiro, Brazil, 2013. 8. P. Flüss, D.Rupp, F. Hanus and W. Schütz, “New Developments on Arctic Steels by Applicationof TMCP Technology,” ISOPE Conference, Rhodes, Greece, 2016, p. 247. 9. B. Münnich,M. Bott, V. Schwinn, W. Schütz and J-L. Cayla, “Challenge in Metal Forming andMaterial Technology in the Production of Thick Rack Sheet Metal,” (in German)30th Aachener Steel Colloquium, Aachen, Germany, 2015.
作者Volker Schwinn：divisionmanager, Research and Development, Heavy Plates, Aktien-Gesellschaft derDillinger Hüttenwerke, Dillingen, Germany volker.schwinn@dillinger.biz
唐杰民11月初翻译自美国《钢铁技术》2020年11月期刊，水平有限，翻译不妥之处请各位看官尽管指正。
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