一、研究的背景與問題
隨著我國強國建設(shè)戰(zhàn)略全面推進實施、基建高速發(fā)展，橋梁（特別是大型或超大型跨海大橋）建設(shè)取得了跨越式發(fā)展。截至2021年底，我國橋梁鋼產(chǎn)量已近1000萬噸，2025年橋梁鋼產(chǎn)量預(yù)計將達1160萬噸，市場經(jīng)濟規(guī)模達1560億元。腐蝕是橋梁結(jié)構(gòu)最主要失效形式，造成了巨大安全隱患。耐候橋梁鋼通過“以銹止銹”，使其耐候性能達到普碳鋼的2～8倍，而且綠色環(huán)保，長期成本優(yōu)勢顯著，已成為當(dāng)今橋梁結(jié)構(gòu)用鋼的主要發(fā)展方向。
當(dāng)前，我國耐候橋梁鋼成分體系主要參考美國、日本，但我國的大氣環(huán)境與美日存在明顯差異，特別是環(huán)境因素如氣候、濕度、紫外線、Cl-含量等，如何設(shè)計合適的合金成分以適應(yīng)我國不同的特殊大氣環(huán)境，同時滿足高強、易焊接、經(jīng)濟等要求是亟待解決和攻克的難題。此外，隨著我國橋梁大型化，對耐候橋梁鋼的力學(xué)等級、厚度規(guī)格等要求更加嚴苛，已由傳統(tǒng)Q345qNH提高到Q500qNH，甚至Q690qNH，厚度規(guī)格超過了70mm，多數(shù)企業(yè)未能實現(xiàn)大厚度高強高韌耐候橋梁鋼的批量化穩(wěn)定生產(chǎn)。同時，在橋梁鋼的實際使用過程，平直度控制不理想極易造成橋梁結(jié)構(gòu)件制造過程產(chǎn)生大的殘余應(yīng)力。目前，國內(nèi)寬薄中厚板的綜合合格率普遍在85%以下，平直度基本控制在5mm/m以內(nèi)，高平直度控制亦成為高性能橋梁耐候鋼生產(chǎn)亟待解決的難題。隨著耐候橋梁鋼鋼級及成分的多樣化，如何選擇正確的焊材及匹配合理的焊接工藝，對保證鋼結(jié)構(gòu)的安全、耐候、穩(wěn)定性都至關(guān)重要。上述問題亟待項目團隊解決。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
高性能耐候橋梁鋼具有高強韌、綠色無污染等特點，是近年來國內(nèi)外橋梁用鋼的主流發(fā)展方向。本項目針對我國不同特殊服役環(huán)境耐候橋梁鋼研發(fā)及制備面臨的耐腐蝕機理、成分設(shè)計、生產(chǎn)制備及使用成套關(guān)鍵技術(shù)缺乏的現(xiàn)狀，項目團隊在傳統(tǒng)耐候鋼的基礎(chǔ)上進行了成分設(shè)計和關(guān)鍵制備技術(shù)研發(fā)，針對不同服役環(huán)境進行了耐候性適應(yīng)性研究，優(yōu)化冶煉工藝制備了大斷面高純凈、低偏析鑄坯，系統(tǒng)研究并揭示了合金成分及生產(chǎn)工藝對耐候橋梁鋼組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和腐蝕性能的影響機理，分析了焊材成分對高鋼級耐候鋼焊接的影響規(guī)律，明確了典型焊接工藝的窗口參數(shù)。
三、主要創(chuàng)新性成果
2009年9月以來，湘鋼與東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、中鐵寶橋集團有限公司、中鐵九橋工程有限公司合作，系統(tǒng)開展了工業(yè)海洋氣候、嚴苛高原等服役環(huán)境耐候橋梁鋼耐腐蝕機理與成分體系設(shè)計、軋制與熱處理組織性能及板形控制、焊接性能控制等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，實現(xiàn)了全系列耐候橋梁鋼穩(wěn)定化制備與供貨。主要研究內(nèi)容與技術(shù)特點如下：
1、揭示Ni、Cr、Mo等合金的耐腐蝕機理（見圖1），利用機器學(xué)習(xí)的數(shù)字化設(shè)計思想，充分發(fā)揮元素協(xié)同作用，設(shè)計適用于不同大氣環(huán)境的高性能耐候橋梁鋼，基于環(huán)境的耐候性設(shè)計方法達國際領(lǐng)先水平；【所屬學(xué)科：黑色金屬及其合金材料。授權(quán)發(fā)明專利4件，其中核心專利3項（表1），發(fā)表學(xué)術(shù)論文23篇，獲2021年IJMMM杰出論文獎?！?/p>
表1創(chuàng)新點1核心專利明細表
圖1Ni-Cr-Mo協(xié)同下耐候鋼的耐候機理及銹層演變示意圖
2、針對大斷面高均質(zhì)控制難題，開展了連鑄澆注技術(shù)研究，提出了非均質(zhì)凝固與凸形輥復(fù)合大壓下技術(shù)，配合多模式二冷電磁攪拌技術(shù)，實現(xiàn)耐候橋梁鋼大斷面（≥450mm鑄坯厚度）中心偏析≤C1.0精確控制（見圖2）；【授權(quán)發(fā)明專利13件，其中核心專利3項（表2），發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇】
表2創(chuàng)新點2核心專利明細表
圖2450mm大斷面Q500qENH寬向1/8區(qū)域中心偏析
3、開發(fā)“低溫奧氏體化+大壓縮比+低溫軋制”及“控速DQ+ACC冷卻”技術(shù)，實現(xiàn)了細晶鐵素體+粒狀貝氏體的雙相組織調(diào)控，生產(chǎn)出具備大厚度高強韌-低屈強比-抗斷裂性能的高強耐候鋼板（見圖3）；【授權(quán)發(fā)明專利5件，其中核心專利3件（表3）】
表3創(chuàng)新點3核心專利明細表
圖3兩種工藝鋼板的金相組織和EBSD組織
4、創(chuàng)新開發(fā)基于均勻控溫-輥系控制-模型干預(yù)多因素協(xié)同控制全系列耐候橋梁鋼板穩(wěn)定化制備新工藝，實現(xiàn)了厚度規(guī)格6~140mm、寬度最大4800mm、強度Q345~Q690全系列規(guī)格及強度耐候橋梁鋼板平直度≤2mm/m穩(wěn)定化生產(chǎn)，滿足了橋梁鋼板高強、高平直度、性能高均勻性的要求；【授權(quán)核心專利3件（表4），發(fā)表論文7篇】
表4創(chuàng)新點4核心專利明細表
5、針對特殊服役環(huán)境用耐候橋梁鋼，對焊材進行設(shè)計及優(yōu)選，優(yōu)化耐候橋梁鋼的焊接工藝，形成工程材料設(shè)計、生產(chǎn)與使用成套技術(shù)，解決了焊接性能與焊料匹配等難題，焊接接頭具有防斷強止裂的優(yōu)異性能。
四、應(yīng)用情況與效果
針對本項目開發(fā)的Q345qNH-Q690qNH，選擇國內(nèi)外主要生產(chǎn)耐候橋梁鋼的企業(yè)，并通過其同類或相似產(chǎn)品作為比較對象，圍繞核心創(chuàng)新內(nèi)容進行指標(biāo)對比。
1、厚規(guī)格耐候鋼板及焊接接頭實物質(zhì)量水平
本項目制備的厚規(guī)格Q500qENH高強韌耐候鋼在厚度、平直度、高均質(zhì)性能、韌性等方面均超過其他廠商，為解決橋梁項目的安全性服役提供了更好的材料保障（表5）。
表5厚規(guī)格耐候鋼板及焊接接頭實物質(zhì)量水平差異
注：來源于《工業(yè)建筑》，2024年12期:耐候橋梁鋼研發(fā)制備與焊接技術(shù)研究進展；《公路交通科技》,2023年7期:高性能橋梁鋼研究現(xiàn)狀和母材焊材確定；《哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報》，2020年3期：高強度耐候鋼及其在橋梁中的應(yīng)用與前景;《中國冶金》，2021年6期:軋制工藝對高強耐候鋼板形控制的影響；JournalofConstructionalSteelResearch，2020,11：Newdevelopmentsinsteelandcompositebridges
2、大厚度耐候橋梁鋼制備技術(shù)
本項目通過開展低磷低硫、低過熱度連鑄澆注技術(shù)研究，提出了凸形輥復(fù)合大壓下配合多模式二冷電磁攪拌技術(shù)，實現(xiàn)大斷面中心偏析≤C1.0精確控制，利用“低加熱溫度+大壓縮比+低溫軋制”的軋制工藝，結(jié)合“控速DQ+ACC”冷卻策略，實現(xiàn)了細晶鐵素體+粒狀貝氏體的雙相組織調(diào)控（表6）。
表6本項目與其他鋼廠大厚度耐候橋梁鋼制備工藝差異
注：來源于專利：CN116695023A-超高強韌低屈強比縱向變厚度耐候橋梁用鋼及其制造方法；CN112210719A-一種低成本高性能Q500橋梁鋼及生產(chǎn)方法；CN114182174A-一種高強韌橋梁結(jié)構(gòu)鋼板的生產(chǎn)方法；CN108411188A-一種高止裂和疲勞強度厚鋼板及其制備方法
3、工業(yè)海洋環(huán)境用耐候鋼環(huán)境適應(yīng)性
當(dāng)前，我國耐候橋梁鋼成分體系難以滿足工業(yè)海洋苛刻環(huán)境。本課題建立了工業(yè)海洋大氣環(huán)境腐蝕動力學(xué)，探明了Ni、Cr、Mo合金在銹層中的存在形式、銹層形貌與物相組成及分布，首次系統(tǒng)揭示了對腐蝕行為的影響規(guī)律，闡明了其耐腐蝕機理，創(chuàng)新開發(fā)了適用我國工業(yè)海洋大氣環(huán)境的低合金、高耐候高性能耐候橋梁鋼成分體系。
選取我司與國內(nèi)其他兩家鋼廠生產(chǎn)的Q345qDNHY-?，進行模擬工業(yè)海洋環(huán)境耐候性能對比（出自2024年1月“獅子洋通道鋼框架錨固系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)耐蝕性選材評價報告”）。其中動電位極化曲線試驗，結(jié)果采用EC-Lab軟件擬合，如圖5所示，擬合結(jié)果列于下表7。在3.5%氯化鈉+0.05%亞硫酸氫鈉溶液中，湘鋼Q345qDNHY-?極化曲線最靠左，說明其陽極過程和陰極過程的電化學(xué)反應(yīng)阻力更大，其耐候性能最好。
圖5三家鋼廠Q345qDNHY-Ⅰ動電位極化曲線
表7三家鋼廠Q345qDNHY-Ⅰ電化學(xué)阻抗譜擬合
將三家鋼廠的Q345qDNHY-?進行21天3.5%氯化鈉+0.05%亞硫酸氫鈉溶液周浸試驗，得到試樣的腐蝕失重曲線和腐蝕速率，試驗結(jié)果如圖6、表8所示，結(jié)果表明湘鋼Q345qDNHY-?不同周期下的腐蝕速率更低，同周期的腐蝕失重及失厚率更小。
（a）腐蝕失重圖；（b）腐蝕失厚曲線；（c）腐蝕速率圖
圖6三家鋼廠Q345qDNHY-?腐蝕動力學(xué)曲線對比
表8三家鋼廠Q345qDNHY-?不同周期下的腐蝕速率
（a）鋼廠1；（b）湘鋼；（c）鋼廠2；（d）腐蝕累積電量圖
圖7三家鋼廠Q345qDNHY-Ⅰ在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕時鐘圖
最后，將三家鋼廠的Q345qDNHY-?制備成腐蝕傳感器，在3.5%氯化鈉+0.05%亞硫酸氫鈉溶液中周浸21天后，根據(jù)監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)繪制出相對腐蝕電流強度極坐標(biāo)圖和累積電量圖，如圖7所示。可以看出隨周浸時間的延長，湘鋼Q345qDNHY-?腐蝕累積電流明顯低于另外兩個，該結(jié)果與周浸試驗的結(jié)果一致。
4、高原嚴苛環(huán)境用耐候鋼成分設(shè)計方法
國內(nèi)目前大多數(shù)企業(yè)成分設(shè)計通過定性加入，即參考本企業(yè)已有低級別的耐候鋼合金添加量進行微調(diào)，然后通過小批量、批量試制后固化生產(chǎn)。該成分設(shè)計方式具有性能預(yù)測難度大、試制成本高、性能檢測周期長等缺點。相比之下，本項目首次將基于機理與數(shù)據(jù)協(xié)同的成分設(shè)計方法用于高原耐候鋼的設(shè)計中，國內(nèi)外未見相關(guān)報道。課題采用關(guān)鍵特征選擇（高原嚴苛環(huán)境中輻照、氣溫、風(fēng)速等6個環(huán)境參數(shù)，和C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、Cr、Nb和V的9個元素特征）與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法相結(jié)合，利用機器學(xué)習(xí)框架設(shè)計優(yōu)化耐候橋梁鋼的合金成分，實現(xiàn)了高效的合金成分設(shè)計（表9）。一方面提高耐候鋼成分設(shè)計的科學(xué)合理性，另一方面大大縮短研發(fā)周期及提高耐候鋼產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性。
表9本項目與其他鋼廠成分設(shè)計方法差異
本課題開展以來，湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司聯(lián)合東北大學(xué)、北京科技大學(xué)、中鐵寶橋集團有限公司、中鐵九橋工程有限公司組建“產(chǎn)、學(xué)、研、用”研發(fā)團隊，通過理論與試驗研究相結(jié)合的方式，系統(tǒng)開展了特殊服役環(huán)境橋梁耐候鋼腐蝕機理研究、成分體系設(shè)計、組織性能調(diào)控、焊材設(shè)計及焊接工藝優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，目前已掌握高性能耐候橋梁鋼C-Ni-Cr-Mo特有成分體系控制、大厚度高強韌耐候鋼制備、成套板形控制、高性能焊接接頭工藝控制等先進技術(shù)，實現(xiàn)Q345qNH~Q690qNH當(dāng)前國內(nèi)外全系列高性能耐候橋梁鋼的穩(wěn)定化制備與供貨，產(chǎn)品具有強止裂、高平直度、易焊接等技術(shù)特點。
項目成果完成專家科技成果鑒定3項，在“基于耐候鋼適應(yīng)性、不平度控制及工程應(yīng)用”等方面達到國際領(lǐng)先水平。產(chǎn)品技術(shù)榮獲“湖南省科技進步二等獎”、“中國公路學(xué)會科技進步獎一等獎”等省部級獎項5項，授權(quán)專利25項，發(fā)表論文30余篇。
相關(guān)技術(shù)成果于2014-2024年已全部應(yīng)用于橋梁工程，達到批量化、穩(wěn)定化生產(chǎn)的要求。2016年西藏墨脫達國大橋投建，我司及完成單位合作研發(fā)的“免涂裝耐高原環(huán)境用Q345qDNH”在該項目投入使用，首次應(yīng)用量約990噸，該項目耐候鋼使用至今已形成穩(wěn)定銹層，橋梁主體結(jié)構(gòu)服役情況穩(wěn)定，該橋已成為入藏耐候鋼橋較典型的示范工程。截止目前，湘鋼耐候橋梁鋼湘鋼已累計供貨25.02萬噸，2017-2024年連續(xù)7年市場占有率穩(wěn)居國內(nèi)第一。近3年，“特殊服役環(huán)境耐候橋梁鋼”在國內(nèi)已批量應(yīng)用約12座橋，產(chǎn)量約15.05萬噸，新增產(chǎn)值約9.74億元，創(chuàng)效2.59億元。主要參與的項目有：西藏墨脫達國大橋、莆炎高速沙溪特大、重慶寥子特大橋、黃河臨猗特大橋、川藏鐵路金沙江特大橋、雅礱江特大橋、獅子洋大橋等，應(yīng)用場景有高原嚴苛、山區(qū)酸霧、海洋氣候等特殊環(huán)境。
信息來源：湖南鋼鐵集團湘潭鋼鐵有限公司
