高性能耐候橋梁鋼的開發(fā)及應(yīng)用

韓鵬 ，宋廣龍 ，張哲 ，陳華 ，楊穎

（1.海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山，114009；2.鞍鋼股份有限公司，遼寧 鞍山，114021；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；4.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）

近年來，國家投入巨額資金開展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其在高速鐵路和高速公路的建設(shè)上得到了迅猛發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)橋梁成為建設(shè)跨江跨海大型工程效率最高、最經(jīng)濟(jì)的選擇，這就推動(dòng)了國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)橋梁制造行業(yè)的迅速發(fā)展，橋梁設(shè)計(jì)和建造水平達(dá)到了世界領(lǐng)先水平，先后建造了港珠澳大橋、滬通長江大橋、孟加拉帕德瑪大橋、中馬友誼大橋等大跨度、全地域的橋梁工程。為實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)和功能的創(chuàng)新和突破，國內(nèi)橋梁用鋼的研發(fā)和制造能力得到快速提升，滿足了大型橋梁項(xiàng)目建設(shè)需要，但在高性能耐候橋梁鋼的研發(fā)和應(yīng)用上較國外還存在一定差距。美國是國際上最早提出高性能耐候橋梁鋼的國家，1992年,美國成立了HPS指導(dǎo)委員會(huì),正式開始HPS的研發(fā)工作，1997年初,HPS 485W正式批量生產(chǎn)。一年后,在田納西州和內(nèi)布拉斯加州設(shè)計(jì)建造了第一批采用HPS 485W的鋼橋。同年,HPS 485W被納入美國材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)的ASTM A709規(guī)范。1999年,HPS 485W被納橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。目前,美國采用HPS 485W建造的鋼橋超過了200座。本文結(jié)合鞍鋼現(xiàn)有裝備及研發(fā)基礎(chǔ)，按照ASTM A709規(guī)范和國外項(xiàng)目技術(shù)要求，采用TMCP加回火工藝成功開發(fā)了HPS 485W橋梁鋼，并對(duì)相關(guān)性能和組織展開綜合研究、評(píng)價(jià)，為國內(nèi)耐候橋梁鋼的研發(fā)和應(yīng)用提供參考。

1 HPS 485W材料技術(shù)要求

綜合美國標(biāo)準(zhǔn)ASTM A709-18《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》、ASTM G101《低合金鋼耐大氣腐蝕性評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)指南》和國外項(xiàng)目技術(shù)要求，HPS 485W化學(xué)成分要求見表1。其中，碳當(dāng)量（CE）要求≤0.52，裂紋敏感指數(shù)（Pcm）要求≤0.23，以保證材料具有良好的焊接性能，并采用耐大氣腐蝕指數(shù)I來評(píng)估材料耐大氣腐蝕性能，I值主要與Cu、Ni、Cr、P、Si等耐蝕性元素含量相關(guān)，當(dāng)耐大氣腐蝕指數(shù)I值＞6時(shí)，表明鋼材具有較好的耐大氣腐蝕性能，本文研發(fā)的HPS 485W的耐大氣腐蝕指數(shù)I值要求≥6.5，以保證材料在免涂裝的條件下可長期服役應(yīng)用。

表1 HPS 485W化學(xué)成分要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Requirements for Chemical Compositions in HPS 485W（Mass Fraction） %

HPS 485W的力學(xué)性能要求見表2，其中，厚度≤70 mm鋼板的屈強(qiáng)比要求≤0.90，保證了材料具有良好的抗斷性，-31℃縱向沖擊功≥80 J。

表2 HPS 485W的力學(xué)性能要求Table 2 Requirements for Mechanical Properties of HPS 485W

2 成分技術(shù)工藝設(shè)計(jì)

2.1 成分設(shè)計(jì)及實(shí)際冶煉成分

成分設(shè)計(jì)上，為進(jìn)一步保證HPS 485W焊接性能、焊縫及熱影響區(qū)的低溫沖擊韌性，避免出現(xiàn)焊接裂紋等缺陷，采用低碳成分設(shè)計(jì)，要求碳含量≤0.08%，為碳當(dāng)量和裂紋敏感指數(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求創(chuàng)造條件；合理添加 Cu、Ni、Cr、Mo等合金元素，以滿足I值≥6.5的要求，并彌補(bǔ)降低碳含量后帶來的強(qiáng)度損失，同時(shí)提高特厚板淬透性以及厚度方向性能均勻性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，HPS 485W化學(xué)成分設(shè)計(jì)范圍及實(shí)際熔煉值見表3。

表3 HPS 485W化學(xué)成分設(shè)計(jì)范圍及實(shí)際熔煉值Table 3 Chemical Composition Design Limit for HPS 485W and Its Actual Content of Smelting Elements %

從實(shí)際熔煉成分看，基本按照設(shè)計(jì)成分的目標(biāo)值進(jìn)行成分控制，磷和硫含量分別為0.010%和0.001%，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求，可有效降低鑄坯中心偏析，減少鋼中夾雜物尺寸和數(shù)量，為提升特厚板厚度方向性能，提高探傷合格率提供支撐。實(shí)際碳當(dāng)量（CE）和裂紋敏感指數(shù)（Pcm）分別為 0.45%和0.20%，耐大氣腐蝕指數(shù)I值為6.53，為后續(xù)成品鋼板的生產(chǎn)試制創(chuàng)造有利條件。

2.2 工藝路徑及工藝設(shè)計(jì)

HPS 485W的生產(chǎn)工藝路徑如下：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF→RH處理→板坯連鑄→（板坯清理）→加熱→軋制→冷卻→矯直→回火→剪切→噴印標(biāo)記→檢查、檢驗(yàn)→入庫。

煉鋼工序采用LF+RH處理的精煉工藝，全程采用保護(hù)澆注和輕壓下等措施，提高了鑄坯表面質(zhì)量，降低鑄坯內(nèi)氣體含量；提高鑄坯內(nèi)部質(zhì)量，減少中心偏析、中心疏松和裂紋，減少鑄坯夾雜物尺寸和數(shù)量。

軋鋼工序采用兩階段TMCP工藝生產(chǎn)，加熱采用低溫加熱工藝控制，并避免長時(shí)間在爐加熱，以盡量降低初始奧氏體晶粒尺寸。在軋制之前用高壓水充分除鱗，粗軋階段各道次壓下率控制在20%以上，精軋階段累計(jì)壓下率不小于50%，以細(xì)化晶粒，軋后進(jìn)行回火處理，鋼板軋制后按照GB/T 2970 I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探傷，探傷結(jié)果合格。為確定合理的回火制度，分別按照不同回火溫度和回火保溫時(shí)間進(jìn)行了系列試驗(yàn)，不同回火溫度性能曲線見圖1。

圖1 不同回火溫度與保溫時(shí)間性能曲線Fig.1 Performance Curves of Different Tempering Temperatures and Holding time

從圖1可看出，在相同回火保溫時(shí)間條件下，隨著回火溫度的提升，雖然抗拉強(qiáng)度較TMCP態(tài)抗拉強(qiáng)度無明顯變化，屈服強(qiáng)度出現(xiàn)顯著提升，當(dāng)回火溫度升高到450℃時(shí)，屈服強(qiáng)度達(dá)到550 MPa，屈強(qiáng)比為0.86，滿足力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求。在相同回火溫度條件下，隨著回火保溫時(shí)間延長，抗拉強(qiáng)度較TMCP態(tài)抗拉強(qiáng)度無明顯變化，但屈服強(qiáng)度出現(xiàn)顯著提升，當(dāng)保溫時(shí)間延長到2.5 min/mm時(shí)，屈服強(qiáng)度達(dá)到558 MPa，屈強(qiáng)比為0.86，余量充足，同樣滿足力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，回火工藝按照回火溫度450℃，保溫時(shí)間2.5 min/mm處理。

3 組織及性能分析

按上述成分設(shè)計(jì)和工藝路線進(jìn)行HPS 485W的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)生產(chǎn)，厚度分別為 19、25、38、51、100 mm鋼板，測(cè)定其組織和性能。

3.1 組織

對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的HPS 485W鋼板進(jìn)行金相分析，材料厚度1/4和厚度1/2處的組織見圖2，均為鐵素體和貝氏體。由于在TMCP工藝生產(chǎn)過程中，采用低溫加熱和提高道次變形率等措施，軋制力能夠有效的滲透到鋼板心部，心部組織得到充分塑性變形，有效細(xì)化了鋼板的晶粒尺寸，鋼板的平均晶粒尺寸分布見圖3。由圖3可以看出，鋼板的平均晶粒尺寸僅為2.95 μm，厚度1/2處晶粒較厚度1/4處更為細(xì)小，保證了全厚度性能均勻性，解決了大厚度鋼板厚度方向性能不均勻的問題。

圖2 HPS 485W鋼板組織Fig.2 Microstructures of Steel Plate Made of HPS 485W

圖3 鋼板平均晶粒尺寸分布Fig.3 Average Grain Size Distribution of Steel Plate Made of HPS 485W

利用EBSD對(duì)組織相比例進(jìn)行分析，鋼板相比例分布見圖4。圖4中，深色為鐵素體，淺色為貝氏體，是典型的復(fù)相組織，其中鐵素體含量62.7%，貝氏體含量37.3%。在硬相貝氏體保證強(qiáng)度的條件下，大量軟相鐵素體使鋼板具有良好的抑制裂紋擴(kuò)展的能力，低溫韌性良好，保證了鋼結(jié)構(gòu)橋梁的長期服役抗斷性。

圖4 鋼板相比例分布Fig.4 Radio Distribution of Phases in Steel Plate Made of HPS 485W

3.2 力學(xué)性能

不同規(guī)格HPS 485W鋼板力學(xué)性能見表4。由表4可知，HPS 485W的力學(xué)性能均勻，有較大余量，塑性良好，延伸率在25.5～43.0，具有優(yōu)異的強(qiáng)塑性，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能。此外，不同規(guī)格鋼板的屈強(qiáng)比在0.80～0.86，較低的屈強(qiáng)比保證了橋梁結(jié)構(gòu)在服役期間具有良好的抗斷性能，保證了長期服役下的結(jié)構(gòu)安全性。

表4 不同規(guī)格HPS 485W鋼板力學(xué)性能Table 4 Mechanical Properties of Steel Plates Made of HPS 485W with Different Specifications

3.3 低溫沖擊性能

圖5為HPS 485W沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線，雖然隨著沖擊試驗(yàn)溫度的降低，沖擊功出現(xiàn)下降，偏差范圍出現(xiàn)增大，但鋼板在-60℃的沖擊功最小值仍大于150 J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃，說明具有良好的耐低溫沖擊韌性，沖擊殘樣的斷口均為韌性斷口，保證了橋梁結(jié)構(gòu)的低溫服役安全。

圖5 沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線Fig.5 Impact Ductile-to-Brittle Transition Curves

4 應(yīng)用

鞍鋼采用TMCP+回火工藝成功開發(fā)的耐候橋梁鋼HPS 485W具有高強(qiáng)度、耐低溫、耐腐蝕等優(yōu)良特點(diǎn)，通過在鋼板表面形成橘紅色致密而穩(wěn)定的氧化保護(hù)層，能夠有效延緩腐蝕，保護(hù)基體不受傷害，表面形成的橘紅色保護(hù)層與自然環(huán)境顏色較為和諧，可長期暴露在自然環(huán)境下免涂裝服役，降低了油漆涂裝成本，縮短了建造周期，大幅減少了全生命周期維護(hù)成本，尤其適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)、人煙稀少區(qū)域、不宜長期人工養(yǎng)護(hù)區(qū)域的鋼結(jié)構(gòu)橋梁上使用。目前，該產(chǎn)品已批量應(yīng)用在加拿大帕特洛橋上，規(guī)格涵蓋6～100 mm，應(yīng)用量近6 000 t，為后續(xù)的長期、批量推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

（1）采用低碳及合金化成分設(shè)計(jì)，利用TMCP+回火工藝路線，成功開發(fā)了6～100 mm的HPS 485W鋼板，成分和力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，強(qiáng)塑性好，屈強(qiáng)比低，在可免涂裝應(yīng)用的情況下，保證橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的安全性和耐腐蝕能力。

（2）HPS 485W鋼板的低溫沖擊韌性良好，-60℃沖擊功最小值為150 J，韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃，保證了橋梁結(jié)構(gòu)長期服役的安全性。

（3）HPS 485W鋼板的組織為鐵素體和貝氏體，厚度1/2處組織得到充分細(xì)化，鐵素體含量62.7%，貝氏體含量37.3%，平均晶粒尺寸僅為2.95 μm，在硬相貝氏體保證強(qiáng)度的條件下，大量的軟相鐵素體使鋼板具有良好的抑制裂紋擴(kuò)展的能力，保證了橋梁結(jié)構(gòu)長期服役的抗斷性。