科技新进展：桥梁结构用高品质不锈钢复合板关键技术开发及应用
一、研究的背景与问题
随着国家交通强国战略的深入实施，以高速公路、高速铁路为主干的国民经济大动脉建设不断刷新着桥梁工程史的“世界之最”，一项项世界级工程难题被攻克，这离不开包括钢铁工业在内的整体制造业的巨大进步。我国桥梁向大跨度、重载荷、轻量化方向发展，对桥梁安全性、长寿命要求的不断提高，钢结构的防锈防腐问题越来越突出。常规桥梁结构件一般采用整体涂装的方式进行防腐，但桥面板（钢箱梁顶板）无法进行涂装防腐，需定期维修更换。
桥梁结构用不锈钢复合板是以不锈钢与桥梁钢通过热轧结合而成的复合钢板，兼具不锈钢良好的耐蚀性及桥梁钢良好的强韧性，实现低成本和高性能的完美结合。新一代桥梁，采用桥梁结构用不锈钢复合板替代桥梁钢板来制造桥面板，可解决桥面板腐蚀、维护成本高等问题。
近年来，桥梁结构用不锈钢复合板用量越来越大，一方面，对界面结合性能、强韧性、屈强比、腐蚀等性能要求越来越高；另一方面，桥梁制造向自动化、高精度转变，对不锈钢复合板的使用要求也在不断提高，如不平度、厚度公差等，普通不锈钢复合板已无法很好的满足桥梁设计及制造要求。对于新一代桥梁结构用高品质不锈钢复合板，其性能及使用要求高，技术难度大，面临诸多挑战，主要有三个技术难题。①不锈钢与桥梁钢性能协调匹配难题：不锈钢和桥梁钢生产工艺窗口不一致，其对结合性能、强韧性、屈强比、晶间腐蚀之间的性能，难以良好协调匹配；②板形控制难题：不锈钢与桥梁钢的物理特性不一致，在轧制、冷却过程中存在较大的相变应力及热应力，导致板形难以控制；③层厚控制难题：不锈钢与桥梁钢的高温流变特性不同，在生产过程中，不锈钢与桥梁钢层厚波动较大，不锈钢复层厚度难以精确控制，层厚公差大。
二、解决问题的思路与技术方案
2.1解决问题的思路
本项目从桥梁行业应用需求出发，针对桥梁结构用不锈钢复合板工艺性能难协调、板形差、层厚公差大等问题，在行业内率先开展桥梁结构用不锈钢复合板产品关键技术开发。采用理论研究、实验室实验和工业化大生产相结合，研制出性能匹配优良、平直度高、厚度公差小的高品质桥梁结构用不锈钢复合板，最终形成制坯、轧制、冷却、矫直等一整套桥梁结构用不锈钢复合板的关键生产技术。
2.2技术方案
2.2.1 不锈钢与桥梁钢工艺性能协调控制技术
创新提出不锈钢与桥梁钢工艺性能协调控制技术，采用高质量复合坯制备技术+轧制工艺精细控制技术+两段式冷却控制技术，解决了不锈钢和桥梁钢工艺性能难协调统一的难题。
（1）高质量复合坯制备技术：复合坯质量是影响复合板结合性能的重要因素之一。在复合坯制备上，合理匹配桥梁钢和不锈钢表面粗糙度、复合坯四周封焊质量、复合坯真空度、封口质量等，保证高质量的复合坯，为优良的结合强度提供基础保障。如图1，为压下量、粗糙度与复合板界面结合性能关系图。如图2，复合坯真空度对界面结合质量的影响。
图1 不同粗糙度不同变形率316L+Q370qE的强度变化及断裂情况
图2 不同真空度下316L+Q370qE的界面氧化情况
（2）轧制工艺精细控制技术：粗轧阶段，利用粗轧机在线冷却系统，实现在线冷却+大压下轧制，同时辅以纵横纵轧制，协调变形、温度与轧制方式，保证优良的结合性能。利用温度对材料变形抗力的影响，制造桥梁钢层和不锈钢层的温度差，通过产生温度差来减小轧制时变形抗力差，以得到相近的轧制延伸率，使其轧制时结合界面不产生因延伸率不同而引起的滑动，如图3。精轧阶段，在非再结晶区轧制阶段，严格控制各轧制工艺参数，避开敏化区轧制，保证复合板具有良好的强、韧性，同时降低屈强比、晶间腐蚀敏感性，如图4、图5。
图3 高温变形抗力（左为桥梁钢，右为不锈钢）
图4 两阶段轧制与两阶段冷却示意图 图5 奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感温度-时间曲线
（3）两段式冷却控制技术：通过研究温度、冷速对桥梁钢相变和不锈钢敏化的影响，同时考虑膨胀量，提出两段式冷却概念，通过设置冷却装置不同区域水量来控制冷却过程中不同温度段的冷速，从而获得贝氏体+铁素体的双相组织，在兼顾强、韧性的同时降低屈强比，并避过敏化温度区间，保证优良的晶间腐蚀性能。
2.2.2 板形精确控制技术
首次提出板形精确控制技术，采用收缩量匹配控制技术、大板板形控制技术、小板板形控制技术，解决了不锈钢、桥梁钢的物理特性不一致，导致复合板冷却过程中存在较大的相变应力及热应力，易产生波浪、翘扣头、瓢曲等板形问题。
（1）收缩量匹配控制技术：采用冷却控温技术，优化上下基层冷却，并控制截面温度渗透，减弱不锈钢和桥梁钢在控温区间内的收缩量差，减小变形及内应力。热轧态复合板在随后的冷却过程中因收缩系数不同而引起变形，如图6，在降温过程中，不锈钢316L无相变，均为奥氏体组织，桥梁钢Q370qE由奥氏体转变为铁素体/贝氏体组织。相同冷却速度下，碳钢与不锈钢的相变收缩系数不同，收缩量不同。假设基层与复层的收缩系数分别为SC1、SC2，从终轧后冷至室温的温度差分别为Δt1和Δt2。当SC1×Δt1=SC2×Δt2时，基层与复层的收缩量相同不会产生弯曲变形。
图6 316L和Q370qE相变、膨胀系数及不同降温速率收缩曲线
（2）大板板形控制技术：采用预热矫直+两段式冷却+热矫直+冷床冷却+温矫直，合理匹配大板相变前、中、后温度与矫直方式，将冷却、矫直环节统一结合调控，缓解不锈钢和桥梁钢的变形不一致，同时，及时、分段释放大板内应力，保证大板板形，如图7。
图7 大板板形控制流程
（3）小板板形控制技术：分板后，采用横向压平+冷矫直的方式，先横向压平矫直，释放应力，再通过冷矫直机进行冷矫直，纵向矫直，并释放应力，保证整板板形，如图8。
图8 常温横向压平+冷矫直
产品实物质量具有以下特点：梁结构用不锈钢复合板不平度≤3mm/m，其中不平度≤1mm/m占比达85%。，如图9。
图9 不锈钢复合板316L+Q370qE不平度
2.2.3 层厚精确控制技术
创新提出层厚精确控制技术，采用层厚比控制技术、过程厚度公差控制技术、轧制过程大板厚度精确控制技术，实现桥梁钢不锈钢复合板层厚的精准控制。
（1）层厚比控制技术：通过研究轧制工艺对不锈钢和桥梁钢的塑性流动影响规律，分析轧制工艺参数及原料厚度、公差、磨削量、氧化烧损等与成品厚度之间的量化关系，提出层厚比控制技术。ɑ为桥梁钢初始厚度，ɑ1为变形后桥梁钢厚度，β为不锈钢初始厚度，β1为变形后不锈钢厚度，则总变形量θ=θɑ+θβ；桥梁钢变形量θɑ=(ɑ-ɑ1)/(ɑ+β)，不锈钢变形量θB=(β-β1)/(ɑ+β)，如图10、11。
图10 不同热变形温度下组元厚比分配曲线 图11 不同总变形量下厚比分配曲线
（2）过程厚度公差控制：通过研究分析不锈钢和桥梁钢原料厚度公差、磨削量、隔离剂厚度、氧化烧损等的影响，提出过程厚度公差控制，如图12。
图12 过程厚度精细控制
（3）轧制过程大板厚度精确控制技术：增加轧机端部辊缝动态调整补偿模块，解决厚规格钢板端部因为咬钢冲击造成头部超厚和颈部偏薄的问题，优化后复合板大板头部厚度波动≤0.6mm。开发宽厚板两侧厚度偏差调整模型，实现两侧辊缝的动态调整，提高大板横向厚度精度，减少大板同板厚度偏差，优化后复合板大板厚度波动≤0.5mm，如图13。
图13 厚度偏差调整
产品实物质量具有以下特点：桥梁结构用不锈钢复合板厚度公差为0~0.6mm，基层厚度公差为0.3~0.9mm，复层厚度公差为（-0.3，0mm），如图14、图15。
图14 大板长度方向复层厚度分布图 图15 复层厚度
三、主要创新性成果
(1)创新提出不锈钢与桥梁钢工艺性能协调控制技术，通过高质量复合坯制备技术、轧制工艺精细控制技术、两段式冷却控制技术等，对工艺、组织、性能进行精细调控，解决了工艺性能匹配差的难题，保证高强韧、低屈强比（横/纵屈强比≤0.83）和晶间腐蚀性能的良好匹配，界面结合率100%，剪切强度≥350MPa。
(2)首次提出板形精确控制技术，采用冷却控温技术，控制截面温度渗透，减小不锈钢和桥梁钢在控温区间内的收缩量差，减弱内应力；辅以多阶段矫直技术，合理匹配大板相变前、中、后温度与矫直方式，将冷却、矫直环节统一调控，保证大板板形；分板后，采用压平+冷矫直技术；解决了板形控制难度大的难题，实现成品不平度≤3mm/m，其中不平度≤1mm/m占比达85%。
(3)开发层厚精确控制技术，通过研究轧制工艺参数对复合板塑性流动的影响规律，分析轧制工艺参数及原料厚度、公差、磨削量、氧化烧损等与成品厚度之间的量化关系，提出复合板层厚精确控制技术，解决了层厚公差大导致的焊接错位难题，实现不锈钢复合板层厚的精准控制，不锈钢层厚度公差为-0.3~0mm。
经中国钢铁工业协会组织的科技成果评价会，评价委员会专家一致认为该成果整体技术达到了国际先进水平。
四、应用情况与效果
为满足国家重大桥梁工程用钢的迫切需求，沙钢根据市场需求及发展方向，在前期普通不锈钢复合板开发及应用的基础上，成功开发新一代桥梁结构用高品质不锈钢复合板系列产品及其关键生产技术，各项性能指标优于国标及项目要求，实现桥梁结构用不锈钢复合板产品的批量生产及稳定供货，具有自主知识产权。该项目成果获得授权发明专利12件，实用新型专利14件，发表论文7篇。
项目产品成功应用于我国首座交叉索斜拉桥-安九铁路鳊鱼洲长江大桥、世界最大跨度的三塔两主跨斜拉桥-巢马铁路马鞍山公铁两用长江大桥、南玉铁路百合郁江特大桥等国内重大桥梁工程项目，经济和社会效益显著，应用前景广阔。其中，巢马铁路马鞍山长江大桥供货业绩达8564吨，为国内单项目供货量最大。
本项目的成功开发，提高了沙钢桥梁结构用不锈钢复合板产品的市场竞争力，对我国不锈钢复合板和桥梁行业的快速发展作出了重要贡献，社会效益显著。
信息来源：江苏沙钢集团有限公司