好钢用在航母上——轧制航母甲板钢的鞍钢5.5米轧机
马氏体
05-01 16:03
今天（2024年5月1日），我国第三艘航母、首艘弹射型航母“福建舰”离开上海江南造船厂，出海开展首次航行试验，离加入人民海军的战斗序列又近了一步。
历经多年建造，福建舰于2022年6月17日下水，又在码头上经过近两年的设备安装和系泊试验。造船厂里看得到的“平地起高楼”背后，是无数人在我们看不见的地方默默付出。
航母是海上移动机场，飞行甲板是舰载机在一片汪洋中珍贵的落脚点。航母甲板钢要承受二十多吨重的舰载机重重“砸”下来降落的巨大冲击力，对力学性能有极其苛刻的要求。另外，为了减少焊缝、提升甲板整体强度、提高建造效率，要求单块钢板面积尽可能大。这是对钢板制造技术的极限考验。
作为共和国钢铁工业长子，鞍钢承担起这项重任。
鞍钢始建于1916年，曾经是日本侵略者掠夺中国资源、奴役中国人民的场所。1948年2月19日，鞍山解放。在一片废墟之上，鞍钢1949年就恢复了生产。经过重点建设，鞍钢曾长期是我国最大的钢铁企业，直到1995年才被宝钢超越。
传统上，钢铁工业布局于煤铁资源丰富的地区，鞍钢就是依托鞍山、本溪的铁矿和东北丰富的煤矿建立的。但随着海运进口铁矿石占比的增加，大型钢铁企业纷纷从内陆走向沿海，例如长江口的宝钢本部和广东湛江的宝钢湛江基地、从北京石景山区搬迁到唐山曹妃甸的首钢京唐等。鞍钢也不例外，在渤海之滨的辽宁营口建立鲅鱼圈分公司，于2008年建成投产。
鞍钢鲅鱼圈分公司拥有被誉为“世界轧机之王”的5.5米宽厚板轧机，最大下压轧制力达1万吨，可以轧制最宽5.3米的钢板，最大厚度400mm，最大长度达30米。它由我国重型装备制造的重镇——中国一重集团与德国著名的冶金装备制造商西马克·德马格公司（SMS-Demag）联合设计，主要由中国一重承担制造。它有两组轧辊，分别是两根直接与钢坯接触的工作辊和两根起支撑作用的支撑辊，名称中的“5.5米”就是指其轧辊的宽度。
有了这台超级装备，鞍钢当仁不让地成为我国目前唯一的航母甲板钢生产基地，早在2011年就接到研发生产航母甲板钢的任务。当时首艘航母“辽宁舰”尚未入列，第一艘国产航母“山东舰”尚未开工，真可谓凡事预则立不预则废。航母的建造，正是根植于我国庞大而完整的工业体系。
今天，就让我们走近鞍钢这台大国重器，看看厚重的钢坯如何变身为强韧的航母甲板。
俗话说“趁热打铁”，把钢坯加热到红热状态，可以使钢坯获得良好的塑性。
但加热会造成钢坯表面氧化。如果在轧制过程中卷入氧化铁皮，会影响钢材表面质量、加剧轧辊的磨损。解决的方法是用高压水冲刷钢坯表面，除了直接起到“水刀”的切割效果，水还使氧化皮遇冷收缩而发生剥离、在钢坯与氧化皮之间剧烈气化起到“爆破”剥离的效果。由于氧化铁皮如鱼鳞般附着在钢坯表面，这个过程被形象地称为高压水除鳞。
1100℃的钢坯被送入轧机。在万吨压力下，轧辊如擀面杖一般把钢坯压薄，增加其宽度和长度。
轧制的目的不仅仅是塑形，还起到优化钢材内部组织的作用。钢材由无数的小晶粒堆叠连接而成。在铸造得到的钢坯中，晶粒尺寸较为粗大，强度、韧性低。在高温下轧制，原有的大晶粒被拉长、破碎，重新生长出细小的晶粒，这个过程被称为再结晶，使钢材的强度和韧性得到提升。
5.5米轧机是一台可逆轧机，钢坯从一个方向通过轧机后，又折返回来再度接受轧制。经过多次往复，超过300mm厚的钢坯被减薄至180mm。
随着时间的延长，钢坯的温度下降到880℃。它被送入配套的5米精轧机，接受第二阶段轧制。此时，温度已不足以使钢坯内的晶粒快速发生再结晶，而是保留着轧制变形的状态，为后续冷却过程中晶粒的进一步细化打好基础。同时，同时，钢坯被擀薄、伸长为70mm厚、18米长的钢板。
从精轧机出来，钢板的温度仍然有750℃，需要快速冷却至350℃以下，才能获得优异的性能。这是因为钢的晶体结构要从高温状态（面心立方结构的奥氏体）转变为在常温下稳定的状态（体心立方结构的铁素体），就如同液态水降温到零度以下会变成新的稳定形态——冰。
在快速冷却过程中，从细小、变形的奥氏体晶粒内天女散花般生长出更多、更细小的铁素体晶粒，尺寸仅几微米。钢材的晶粒尺寸越小，一方面对变形的阻碍作用越大（钢材在常温下的变形主要在晶粒内部发生，晶粒间的界面——晶界对变形起阻碍作用），另一方面避免因为局部应力集中而破裂（阻碍作用能够被分散到周围众多晶界），从而同时提高钢材的强度和韧性。（这样的冷却过程得到的是片状铁素体+细小碳化物构成的贝氏体；如果冷却速度更快，在奥氏体来不及转变时就降到更低的温度，那就是淬火，得到的是强硬而脆的马氏体）
这种通过精确调控轧制和冷却过程来提高钢材性能的技术被称为控轧控冷（TMCP， ThermoMechanical Control Process，直译为“热机械控制工艺”），可以在较低的合金元素含量下（典型合金元素如铌、钒、钛、铜等）获得高强度、高韧性的钢材，降低了生产成本，更重要的是有利于钢材的焊接（合金含量高的钢容易在焊接中开裂，需要复杂的焊接预处理和后处理），提升造船的效率和质量。
实现控轧控冷技术的突破，离不开以王国栋院士（东北大学）为代表的钢铁工作者的努力。1999年，他带领团队在没有额外添加合金元素的情况下，通过控轧控冷就实现钢材强度的显著提升，此后，控轧控冷技术作为钢铁行业的共性关键技术，迅速成为各大钢企的标配，一时间带领中国钢材快速升级换代，为中国桥、中国路、中国楼的飞速建设提供了有力支撑。
一块航母甲板钢板的尺寸重量，相当于四块普通商船用钢板，除了考验设备的加工能力，对钢板性能均匀性的控制也提出了苛刻的要求，否则，一旦舰载机降落在甲板的薄弱处，可能造成灾难性的后果。
我国的航母甲板钢板，要求首尾强度偏差不超过10 MPa，所有区域的-84 ℃冲击吸收功（钢样受冲击断裂时吸收的能量，代表钢材的韧性，温度越低钢材的韧性就越差）都要求在250 J以上。为了解决钢板均匀性不达标的问题，鞍钢团队曾经连续一个多月，每天只睡三四个小时，昼夜攻关，每块试轧的钢板都要切割出六百多块试样，逐一进行低温冲击试验，最终生产出满足苛刻性能指标要求的航母甲板用钢。
（动图为钢材样品的低温冲击试验，为什么要在“奇怪”的-84℃进行，请看：零下84度的奥秘——从冲击试验温度管窥国产航母用钢的发展）
这样的故事，在研制航母船体加强筋用的对称球扁钢（左，由宽大的球头和扁平的腹板构成）、航母上层建筑用热连轧板带（右）等的过程中一次次上演。正是这样的付出，让鞍钢能够在国产航母钢材供应中交出满意的答卷，为第一艘国产航母“山东舰”提供了70%的专用钢材。
为了给航母做配套，还有众多厂家、无数科研人员和工程技术人员默默奉献，才托举起航母这一造船工业皇冠上的明珠。
苏联解体后，“瓦良格号”航母（现我国“辽宁舰”）停工，一手打造苏联所有航母的黑海造船厂厂长马卡洛夫被问到“为了将舰完工，工厂究竟需要什么”，马卡洛夫回答道：“苏联、党中央、国家计划委员会、军事工业委员会和九个国防工业部、600个相关专业、8000家配套厂家，总之需要一个伟大的国家才能完成。”
今天，我们有幸见证一个伟大的国家，让一艘接一艘国产航母去经受大海的考验。我相信，这样的日子，以后会越来越多。
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参考资料和素材来源：
中央电视台. 《栋梁之材》第一集 百变金刚（5：42开始）
https://tv.cctv.com/2023/07/17/VIDElUBpyU5mNMUtU5LXILiw230717.shtml
中央电视台. 《经济半小时》 20180312 启航新时代 重器的钢铁脊梁.
https://tv.cctv.com/2018/03/12/VIDEC7TXB1k4Z2CPatHbiAiM180312.shtml
曲圣昱,王明林. 鞍钢5500 mm宽厚板轧机技术及装备概述. 鞍钢技术,2010(3):49-52,62.
王华,马玉璞,李静. 鞍钢TMCP船体及海洋工程结构用钢开发和应用. 2008年全国低合金钢金属年会论文集. 2008:53-60.
