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微合金化——耐候桥梁钢提质的基石

2016-10-25 14:35 次浏览 分类:行业新闻

微合金化——耐候桥梁钢提质的基石

  在中国,耐候钢的研发始于20世纪60年代。1965年,我国试制成功09MnCuPTi耐候钢。20世纪80年代初期,耐候钢被列入国家重点科技攻关项目以后,得到迅速发展,后来我国相继研制出以09CuPTiRE、09CuPCrNi为代表的耐候钢,并开始大规模生产。但是,耐候桥梁钢尚未得到广泛的推广应用。

  耐候钢性能不断提高

  1989年底,宝鸡桥梁厂制造出三孔耐候钢箱梁,钢号为NH35q,架设在京广线原武汉分局地段的巡司河上。这是我国第一座耐候钢桥。作为试验桥,造桥者将位于桥梁中部的一孔裸露,对其余两孔进行涂装。1992年10月份,这座耐候钢桥架设成功并顺利通车。在长期服役过程中,造桥者对此桥的钢梁进行了多次跟踪观察,发现钢梁顶盖板、两侧板外表形成的锈层呈深棕色,十分致密,用硬物刮擦未见剥离;下底板因受河流蒸发的水汽直接侵蚀,长年处于潮湿状态,未能形成稳定的致密性锈层,锈层疏松易发生剥离。后改为涂装。

  该耐候钢开发成功后,并没有得到广泛应用。究其原因,有以下几点:一是桥梁钢的耐候性在当时并未引起桥梁制造部门的应有重视;二是相关单位未能对NH35q进行强有力的推广;三是钢种开发未能形成系列化,不能满足桥梁工程发展的多种需求。

  随着我国经济的不断发展,在桥梁建造上采用耐候钢的呼声重新引起了桥梁钢研发者的重视。我国以舞钢、鞍钢、宝钢等为代表的钢铁企业开始不断尝试与开拓。相关研究和实验表明,耐候钢具有良好的力学性能、可焊性和耐环境腐蚀性能。桥梁采用耐候钢,与采用普通碳钢相比,其工程造价基本相当或增加很少,而全寿命周期的成本却大大降低。因此,耐候钢值得在钢结构桥梁上大力推广。

  国内耐候钢的性能随着新钢种的不断推出而提高,在化学成分上,碳含量不断下降,碳当量和焊接冷裂纹敏感性系数值不断减小,焊接性能得到不断提高;生产工艺则由淬火+回火向TMCP发展,既降低了生产成本,又缩短了生产周期;组织由回火马氏体和传统的铁素体+珠光体向贝氏体、针状铁素体发展,使钢的强韧性、焊接性、耐候性及加工制作性能都得到了大幅提升。

  高性能耐候桥梁钢研发独辟蹊径

  随着冶金技术的发展,现代高性能耐候桥梁钢通常将碳含量控制在0.08%以下,以提高钢的韧性和焊接性能;添加Cu、Ni、Cr及少量Mo等耐候元素,以提高耐候钢的韧性及耐腐蚀性。

我国高性能耐候桥梁钢研制路线有以下3种:

  一是传统的调质生产工艺路线。如美国桥梁用结构钢标准(ASTMA709/A709M-95)中的70W(碳含量≥0.12%),它对焊接工艺要求较高,需要焊前预热,因此,生产周期较长,成本较高。 

  二是低碳TMCP工艺路线。这种钢中碳含量一般在0.07%~0.11%,虽然不用进行调质处理,但由于碳含量仍然相对较高,在应用中还存在一些问题。如钢板越厚,其焊接敏感性系数越高,在焊接时需要预热,故在采用大线能量焊接时,存在韧性降低的问题。 

  三是超低碳贝氏体钢路线。超低碳贝氏体钢的碳含量严格控制在小于0.05%。因此,其在具有高强度、高韧性、良好焊接性的同时,由于贝氏体组织均匀性较好,微区间电极电位差较小,故耐蚀能力较好。而且这种钢不需要调质处理,降低了生产成本,缩短了生产周期,是当前高强耐候桥梁钢的发展趋势。

  此外,武钢研发的WNQ570钢(Q420qE)耐腐蚀性的设计思路更是以超低碳(小于0.02%)辅之以适宜的Cu、Cr、Ni等耐候性元素配比,经高纯净化处理,并通过适宜的浇注与轧制热处理等工艺,使钢板得到组织均匀性较好的针状铁素体组织,其大气耐腐蚀能力明显增强。

  由于采用低碳、微合金化等成分设计和TMCP或TMCP+T生产工艺,目前,国产高性能耐候桥梁钢更具有明显的组织均匀性和优异的冲击韧性。

  微合金化,让耐候桥梁钢名副其实

  国内研发的高性能耐候桥梁钢,都是通过添加微合金元素,特别是铌元素,来改善其力学性能。从不锈钢中加铌的结果来看,铌对抑制点蚀是有明显效果的。有研究者用交流阻抗法研究了铌钢在海水中的腐蚀行为,结果表明,随腐蚀时间延长,含铌钢腐蚀电位逐渐升高。而不含铌碳钢腐蚀电位保持不变,表明铌钢的耐腐蚀性能优于碳钢;铌钢腐蚀产物比碳钢腐蚀产物致密,其作用相当于在铌钢的表面上形成保护膜。因此,可以说铌对腐蚀有阻止作用,铌微合金化有助于耐候桥梁钢耐腐蚀性能的提升。

  此外,铌在钢中具有明显的细化晶粒作用。例如,鞍钢研究了不同晶粒尺寸对桥梁耐候钢耐候性的影响,同时,研究了不同铌含量对于桥梁耐候钢耐候性的影响。结果表明,细晶粒的桥梁耐候钢耐蚀性较好。这充分证明,铌的晶粒细化作用可以明显提高耐候钢的耐大气腐蚀性能。

  2015年,我国桥梁钢的年用量为240万吨~270万吨,按此推测,如果中国桥梁用耐候钢水平达到日本的平均水平,则我国具有年用量36万吨~40万吨耐候桥梁钢市场潜力,而如果达到美国水平,则具有年用量108万吨~120万吨耐候桥梁钢市场潜力。可见,我国耐候桥梁钢市场潜力还是很大的。

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