鞍钢高性能耐候桥梁钢生产技术及产品开发

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论文摘要：本文介绍了鞍钢屈服强度345～690级别高性能耐候桥梁用钢成分设计、工艺控制技术及钢板的实物性能、焊接接头所能够达到的水平，并对系列钢种的耐大气腐蚀试验进行了初步研究。结果表…

论文摘要：本文介绍了鞍钢屈服强度345～690级别高性能耐候桥梁用钢成分设计、工艺控制技术及钢板的实物性能、焊接接头所能够达到的水平，并对系列钢种的耐大气腐蚀试验进行了初步研究。结果表明，鞍钢开发的系列高性能桥梁用钢钢种母材在具有高强度、高韧性的同时，还具有优良的焊接性能和耐大气腐蚀性能。同时简要介绍了配套高强度耐候螺栓、耐候型钢的研发情况。

国内外高性能耐候桥梁用钢发展

传统的高强度桥梁钢不仅冲击韧性、焊接性、疲劳性较差，而且不能耐大气、海水腐蚀。因此，国内外提出了高性能钢的概念。除了具备较高强度外，钢材的焊接性能、低温韧性，尤其是耐腐蚀性能有较大幅度提高。1990年以来，国外开展了一系列针对高性能钢在桥梁等方面实用性及可靠性等应用研究。如美国开发了HPS50W（345）、HPS70W（485）和HPS100W（690）系列钢种，并纳入ASTMA709标准中，使用HPS-70W至少节约成本18%，减轻重量28%[1][2]。

高性能耐候钢中合金元素的作用

众所周知，耐候钢中常见主要的添加元素有Cu、P、Cr、Ni、Mo、Si等。众多研究公认的各元素在钢中对提高钢的耐候性效果为：P、Cu、Cr有显著效果；Ni、Mo、V、Nb、Ti有效果。在不同环境中各元素效果排序为，对工业大气：P＞Cu＞Mo＞Si、Cr；对郊外田园大气：P＞Cu＞Si＞Cr[3]；对海洋大气：Mo＞Cu＞Ni＞P＞Si、Cr[4]。这些合金元素的复合添加，可以获得比分别单独添加更高的双重效果。

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全面提高耐候钢综合性能的途径

由于桥梁结构本身的重要性，用于桥梁结构的耐候钢必须具有优异的耐腐蚀性能、焊接性能、低温韧性、抗脆断性能等。综上所述，要全面提高耐候钢的综合性能，需要从以下几个方面采取措施：

（1）化学成分设计上，针对不同腐蚀环境，优化匹配Cu、Cr、Ni、Mo、Si等合金元素含量，以获得优良的耐候性能；

（2）冶炼工艺过程中，采用炉外精炼技术如真空处理、钢包精炼、喂线等现代先进冶金技术，最大限度降低钢中C、P、S、H、O、N等有害元素的含量，Ca、RE处理净化钢质；

（3）采用Nb、V、Ti等微合金化技术和TMCP、RPC、在线或离线热处理等先进生产技术，细化晶粒，控制组织，将传统耐候钢的铁素体+珠光体组织转变为强度高、韧性好的铁素体+贝氏体组织，进一步提高耐候钢的耐腐蚀性、强度、低温韧性和抗断裂性能。

通过上述措施，能够全面提高耐候钢性能综合性能，从而获得具备高强度、优异的耐候性能、焊接性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变性能、疲劳性能以及持久强度的新一代高性能耐候钢。

鞍钢高性能耐候桥梁用钢关键工艺技术

鞍钢研制的高性能耐候桥梁用钢采用了如下关键工艺技术：

4.1 成分设计：低碳、超低碳、微合金化技术

采用低碳、超低碳成分设计思路，高性能桥梁用钢的碳含量控制在0.08%以下、通过Ti、Nb等微合金化元素优化组合，提高钢的韧性，降低冷裂纹敏感性和焊接热影响区硬度，使该钢种具有良好的焊接性能，通过Cu、Ni、Cr、Mo合金元素的合理匹配，控制组织转变提高钢的强度及耐腐蚀性能。鞍钢各级别高性能耐候桥梁用钢典型熔炼成分如表。

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4.2钢的冶炼:洁净钢冶炼控制技术
根据钢种和规格，在铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼（LF+VD或LF+RH）—喂线—连铸（电磁搅拌）等各工艺阶段采用严格的先进的控制技术，严格进行有害元素P、S、H、O、N含量及夹杂物的有效控制，保证钢质纯净。
4.3钢的轧制：TMCP控制技术
采用先进TMCP（ThermoMechanicalControlProcess：热机械控制工艺）控制技术，通过两阶段控制轧制，实现奥氏体超扁平化，细化晶粒，得到理想组织，提高产品的强韧性。
4.4组织控制：多相组织调控技术（屈强比控制技术）
利用多尺度-多相组织调控技术，控制钢中铁素体、贝氏体和M/A组元的比例和分布以提高强度、韧性和塑性并控制钢的屈强比，同时调控纳米析出相、亚微米组元等使多相组织进一步强化。屈服强度500MPa及以下级别的高性能桥梁用耐候钢屈强比可稳定控制在0.85以下。
4.5加工应用：配套焊接材料与焊接工艺技术
开发了各级别桥梁用钢的配套焊接材料及焊接工艺，能够为桥梁制造提供全方位服务。

鞍钢高性能耐候桥梁用钢产品实物性能

表为鞍钢研制的系列高性能耐候钢部分规格实物性能。可见，各级别钢板低温韧性良好，-40℃纵向冲击功平均值在200J 以上。Q345qENH～Q500qENH钢板屈强比在0.61～0.83之间，稳定控制在0.85以下，具有理想的低屈强比。但是，Q690qENH级别屈强比明显增高，下一步需要对其屈强比的控制进行深入研究。

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鞍钢高性能桥梁用钢耐候性能

鞍钢高性能桥梁钢在成分设计和组织控制上充分考虑其耐大气腐蚀性能，根据美标G101-04《低合金钢耐大气腐蚀性评估导则》耐大气腐蚀指数计算公式：

I＝26.01(%Cu)+3.88(%Ni)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.10(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)2

当钢种的计算I值不小于6.0时，可以认为该钢种为耐蚀钢，当其正常地暴露在空气中时，该钢可以裸板（未经涂漆）的状态使用。通过计算，Q345qNH、Q420qNH、Q500qNH鞍钢高性能桥梁用钢的耐大气腐蚀指数如表3所示，满足I>6.0。对于Q690qNH级别，其耐腐蚀元素Cu、Ni、Cr、Mo的含量更高，其具有更好的耐大气腐蚀性能，后续试验研究证明了Q690qNH的耐大气腐蚀性最好。

鞍钢大生产试制的高性能耐候钢在广州、青岛、江津、鞍山、沈阳、二道白河等具有不同气候特征的地区进行了大气暴露试验。