微合金化——提高耐候橋梁鋼質(zhì)量的基石
我國(guó)對(duì)耐候鋼的研究和開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，1965年在國(guó)內(nèi)成功試制了09MnCuPTi耐候鋼。20世紀(jì)80年代初，耐候鋼被列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，發(fā)展迅速。后來，我國(guó)發(fā)展了以09CuPTiRE和09CuPCrNi為代表的耐候鋼，并開始大規(guī)模生產(chǎn)。然而，耐候橋梁鋼尚未得到廣泛應(yīng)用。
耐候鋼的性能不斷提高
1989年底，寶雞大橋廠在京廣鐵路原武漢分公司荀石河上制造了鋼號(hào)為NH35Q的三孔耐候鋼箱梁。這是中國(guó)第一座耐候鋼橋。作為一座試驗(yàn)橋，建橋工人在橋中間露出一個(gè)洞，在另外兩個(gè)洞上油漆。1992年10月，耐候鋼橋成功建成通車。在長(zhǎng)期的使用過程中，建橋工人對(duì)該橋鋼梁進(jìn)行了多次跟蹤觀察，發(fā)現(xiàn)鋼梁頂蓋板和兩側(cè)板表面形成的銹層呈深褐色，非常密實(shí)，用硬物刮擦未發(fā)現(xiàn)剝落；由于下底板直接被河水蒸發(fā)的水汽侵蝕，長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，無法形成穩(wěn)定致密的銹層，且銹層易剝落。之后，改為繪畫。
耐候鋼在研制成功后，并沒有得到廣泛的應(yīng)用。究其原因，一是當(dāng)時(shí)橋梁鋼的耐候性沒有引起橋梁制造部門的重視；二是相關(guān)單位沒有對(duì)NH35Q進(jìn)行大力推廣；三是鋼的發(fā)展未能形成系列，不能滿足橋梁工程發(fā)展的需要。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，橋梁建設(shè)中使用耐候鋼的呼聲引起了橋梁鋼開發(fā)商的重視。以武鋼、鞍鋼、寶鋼為代表的中國(guó)鋼鐵企業(yè)開始不斷嘗試和發(fā)展。相關(guān)研究和試驗(yàn)表明，耐候鋼具有良好的力學(xué)性能、焊接性和耐環(huán)境腐蝕性。與普通碳鋼相比，采用耐候鋼的橋梁工程造價(jià)幾乎相同或略有增加，但全壽命周期造價(jià)大大降低。因此，耐候鋼在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
隨著新鋼種的不斷引進(jìn)，我國(guó)耐候鋼的性能得到了提高。在化學(xué)成分方面，碳含量不斷降低，焊接碳當(dāng)量和冷裂紋敏感性系數(shù)不斷降低，焊接性能不斷提高。生產(chǎn)工藝從淬火+回火發(fā)展到TMCP，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且縮短了生產(chǎn)周期。由回火馬氏體和傳統(tǒng)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w和針狀鐵素體，極大地提高了鋼的強(qiáng)度、韌性、焊接性、耐候性和加工性能。
高性能耐候橋梁鋼的研究與開發(fā)
隨著冶金技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高性能耐候橋用鋼的碳含量通?？刂圃?.08%以下，以提高鋼的韌性和焊接性；耐候元素如銅、鎳、鎳、鎳等，為提高耐候鋼的韌性和耐蝕性，在耐候鋼中加入少量鉬和鉻。
我國(guó)高性能耐候橋梁鋼有三條發(fā)展道路：
一是傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)生產(chǎn)工藝。如美國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)（ASME709/A709M-95）中70W（碳含量≥0.12%）對(duì)焊接工藝要求高，焊前預(yù)熱要求高，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高。
二是低碳TMCP工藝。鋼的含碳量一般在0.07%～0.11%之間。雖然不需要調(diào)質(zhì)處理，但由于含碳量較高，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題。例如，鋼板越厚，焊接敏感系數(shù)越高，焊接時(shí)需要預(yù)熱，采用大線能量焊接存在韌性降低的問題。
三是超低碳貝氏體鋼路線。超低碳貝氏體鋼的碳含量嚴(yán)格控制在0.05%以內(nèi)。因此，它具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性。同時(shí)，由于貝氏體組織均勻性好，微區(qū)電極電位差小，具有良好的耐蝕性。而且這種鋼無需調(diào)質(zhì)處理，降低了生產(chǎn)成本，縮短了生產(chǎn)周期，是目前高強(qiáng)度耐候橋梁鋼的發(fā)展趨勢(shì)。
此外，武鋼開發(fā)的WNQ570鋼（Q420qE）的耐腐蝕設(shè)計(jì)思想是采用超低碳（小于0.02%）并輔以銅、鉻、鎳等適宜的耐候性元素，經(jīng)高純凈化處理后，經(jīng)適當(dāng)?shù)臐曹垷崽幚恚色@得鋼板針狀鐵素體結(jié)構(gòu)具有良好的組織均勻性，其耐大氣腐蝕性能顯著提高。
由于采用低碳、微合金化等成分設(shè)計(jì)和TMCP或TMCP+T生產(chǎn)工藝，目前國(guó)內(nèi)高性能耐候橋梁鋼具有較為明顯的結(jié)構(gòu)均勻性和優(yōu)異的沖擊韌性。
微合金化使耐候橋鋼名副其實(shí)
我國(guó)研制開發(fā)的高性能耐候橋梁鋼是通過添加微量合金元素，特別是鈮元素來提高其力學(xué)性能。從不銹鋼中添加鈮的結(jié)果來看，鈮對(duì)抑制點(diǎn)蝕有明顯的作用。采用交流阻抗法研究了含鈮鋼在海水中的腐蝕行為。結(jié)果表明，含鈮鋼的腐蝕電位隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。結(jié)果表明，Nb鋼的耐蝕性優(yōu)于碳鋼，Nb鋼的腐蝕產(chǎn)物比碳鋼致密，相當(dāng)于在Nb鋼表面形成一層保護(hù)膜。因此，可以說鈮可以起到防腐的作用，而鈮微合金化可以提高耐候橋梁鋼的耐腐蝕性能。
此外，鈮能明顯細(xì)化鋼中的晶粒。以鞍鋼為例，研究了不同晶粒度對(duì)橋梁耐候鋼耐候性的影響，以及不同鈮含量對(duì)橋梁耐候鋼耐候性的影響。結(jié)果表明，晶粒細(xì)小的橋梁耐候鋼具有較好的耐蝕性。這充分證明了鈮的晶粒細(xì)化能顯著提高耐候鋼的耐大氣腐蝕性能。
2015年，我國(guó)橋梁鋼材年消費(fèi)量為240-270萬噸。根據(jù)這一假設(shè)，如果我國(guó)橋梁用耐候鋼水平達(dá)到日本平均水平，我國(guó)每年使用的耐候鋼市場(chǎng)潛力為36萬-40萬噸，如果達(dá)到美國(guó)水平，每年使用的耐候鋼市場(chǎng)潛力為108-120萬噸?？梢?，我國(guó)耐候橋梁梁鋼的市場(chǎng)潛力仍然很大。
版權(quán)所有：http://eosy.cn 轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處
