中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

建造一艘航母需要的钢材种类繁多,但是基本上可以分为船体板、装甲板及结构板三大类。其中,航母用钢板要求最高的是用于甲板、隔仓和船体结构等的结构板,尤其是甲板,要求极高。

一般来说,甲板用钢要具有高强度、大板面、拒磁、高韧性、抗低温(零下38℃)、高断裂韧性、耐高温不变形、抗腐蚀、防弹的特性。

这与甲板的工作环境特点密切相关:承受战斗机起降的强大冲击和高温灼烧、防止被磁性水雷攻击及磁力探测发现、抵御海水腐蚀、保证飞机升降的质量、抵御炮弹和炸弹的轰击。

中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

(辽宁号航母甲板)

到今天,世界上能制造航母甲板用钢的只有美国、日本、法国、俄罗斯、中国等少数几个国家。航母用高强度结构用钢已经从最初的HTS钢(High Tensile Steel,高抗拉强度钢)及HY钢(High Yield,高屈服强度钢)发展到现在的HSLA钢(High Strength Low Alloy,高强低合金钢),钢材性能实现了跨越式提升。现在全球现役航母用高强钢主要是HY和HSLA两大系列。

HY钢共有HY-80、HY-100和HY-130三个品种,屈服强度分别为550MPa、690MPa和890Mpa;HSLA钢共有HSLA-65、HSLA-80、HSLA-100和HSLA-115四个品种,屈服强度分别为449MPa、549MPa、689MPa和795Mpa。美国最新的福特号航母甲板使用的就是HSLA-115钢,强度达到795Mpa,相当于一平方厘米的钢板上可以承受近8吨的冲击力。

与HSLA系列钢相比,传统的HY系列高强度航母用钢都是在低碳低合金钢的基础上,通过采用调质热处理工艺获得低碳回火马氏体组织来达到高强度、高韧性的性能。为了确保较厚规格钢板具有足够的淬透性,钢中通常需要添加较高含量的Ni、Cr、M等合金元素。钢的强度级别要求越高,碳含量就越高,焊接就变得更困难。

但是,随着超低碳、超纯净钢冶炼、微合金化及控轧控冷等冶金技术的发展,不需预热或者只需较低温度预热就能焊接的HSLA系列钢横空出世。因此,用HSLA钢代替HY钢可以减少甚至取消焊接预热,从而降低航母建造成本,提高作业效率。

中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

(HSLA 和HY钢的化学成分(w/%)及性能)

“世界轧机之王”:让中国航母用上国产钢板

航母建造过程中,三分之一的工作都是焊接钢板。

为了尽量减少焊缝,节省建造时间,同时也增加甲板强度,航母甲板用钢要求单块板的面积越大越好。对于这种超宽、超长、超厚钢板,力学性能要求的苛刻程度却没有任何降低。800Mpa级的甲板用钢头和尾的强度偏差不能超过10Mpa,在零下84℃,冲击韧性要达到250焦以上。

由于要同时满足诸多严苛的要求,航母甲板用钢目前全世界仅5个国家能够生产,而且这些钢都被视作战略物资,不能出口。因而,航母要国产,首先要实现航母用钢的国产化。

其实,早在对“瓦良格号”航母(“辽宁号”的前身)进行修复之前,中国就开始了相关航母用钢的研制工作,不过初期主要精力集中于“瓦良格”号修复用钢的开发生产。直到首艘国产航母建造提上日程后,中国钢铁企业开始了航母甲板用钢的研发,并在2013年实现成功生产。

国产航母甲板用钢由世界最宽的轧机——5500mm轧机生产。这套“轧机之王”拥有高达10万吨的下压轧制力,可以轧制宽度5.5米的钢板,轧制长度可达40米以上。从这套轧机里生产的甲板用钢,是常规钢板的4倍大小。

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(世界最宽的5500mm轧机)

中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

(5500mm轧机轧出的大型宽厚板)

根据网络上流传的中国首艘国产航母甲板焊接图片,甲板焊接时气温15℃、钢板需要加温到128℃焊接。仅从焊接要求的温度推测看,钢板应该是HY-100或HSLA-100(HY-100钢板需预热至51.7~149℃,HSLA-100钢板厚度大于25.4mm时焊接工艺与HY-100钢相似),属于航母用钢中的高端产品。目前,除美国在建航母“福特号”甲板使用HSLA-115以外,其他航母甲板用钢均为HSLA-100及以下品种。这也表明中国航母甲板用钢在短时间内已经跻身世界先进水平。

中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

(首艘国产航母甲板焊接图片)

航母用钢发展趋势:高质、减重、省钱

到现在为止,全球仅有美国、英国、中国、俄罗斯、法国等10个国家拥有航母,另外韩国、日本等国拥有准航母。拥有一艘航母是很多国家梦寐以求的追求,但是航母建造的复杂程度让绝大多数国家高不可攀,而动辄几十亿美元的造价更让人畏而却步。

中国航母甲板钢跻身世界先进水平 一平方厘米可承受8吨冲击力

(世界上最贵、造价高达150亿美元的航母——福特号)


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