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科技新进展:大线能量焊接桥隧用钢开发及重大工程应用

发布时间:2022/08/04

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一、研究的背景与问题

为大幅度提高焊接效率,降低建造成本,大线能量高效焊接技术在现代钢结构制造业中应用日益广泛。在大线能量焊接条件下,热影响区组织急剧恶化,强度和韧性下降,并且随着钢板强度的提高,焊接裂纹敏感性增加,给大型钢结构的安全带来危害。开发适于大线能量焊接,同时具有高强度、低焊接裂纹敏感性的钢材是国内外钢铁研发领域的重要课题。

船舶、海工、原油储罐等立式结构多采用EGW气电立焊大线能量焊接方式,而桥梁隧道等平面结构焊接中气电立焊并不适用,一般采用常规多道次焊接工艺,严重制约施工进度。针对平面结构,工程上采用FCB焊接技术,可一道次成型,使施工效率成数十倍提高。但FCB焊接过程中上下表面同时被焊剂覆盖,导热性能极差,又缺少气电立焊采用的强制水冷,导致焊后冷却速度更为缓慢,热影响区的组织粗化、脆化问题更为严重,这对大线能量焊接用钢的性能要求更为苛刻。特别在重大工程的大规模应用中,对钢板大线能量焊接性能的稳定性要求极高,这又对高效批量化稳定生产提出特殊要求。

鞍钢股份有限公司、东北大学和广船国际有限公司等单位针对上述背景和问题,联合开展了大线能量焊接桥隧用钢开发及重大工程应用项目研发工作,取得了创新性成果。

二、解决问题的思路与技术方案

针对大线能量焊接热影响区的致脆机制,提出基于多重组织细化的微−纳米氮/氧化物协同析出策略及其控制方法,用于指导大线能量焊接桥隧用钢的研发生产。根据不同产品焊接性能需求,优化控制各类第二相粒子在冶-铸-轧-焊全流程中不同阶段的析出,充分保证奥氏体晶粒有效钉扎、仿晶界铁素体等轴化、晶内针状铁素体形核相变,从而实现HAZ粗晶区晶粒、晶内、晶界的多重组织细化,显著、稳定提升大线能量焊接性能。大线能量焊接用钢中Mg、Zr、Ti、Ca、B、N、O、S等关键微量元素含量及其比例控制尤为重要,但多为易烧损、易挥发、易脱除元素,精确控制难度大。本项目经过大量工业化实验,开发出转炉−LF−RH−连铸流程下关键微量难控元素及其化合物的精确控制技术,突破传统氧化物冶金工艺瓶颈,将各元素的调整合理分配至全精炼过程并实现分阶段控制,显著提高生产效率和工艺的稳定性。

大线能量焊接用钢合金成分通常采用低C、较高合金(Ni、V等)来保证焊接性能,合金成本明显高于同级别普通钢板。本项目摒弃传统成分设计思路,发挥氮/氧化物和控轧控冷改善组织优势,在充分满足性能要求的同时进行合金减量化设计,不添加Ni、Cu、Cr、Mo、V等贵重合金元素,合金成本甚至低于同级别普通钢板。针对FCB焊接、切割工艺对板形和内应力要求极为严格的特点,开发出厚向梯度组织调控技术和低应力钢板轧制冷却技术,将通常因厚板控冷产生的“表层上贝氏体→心部粗晶组织”的不良过渡组织调控为“表层针状铁素体→心部细晶等轴铁素体”的有利梯度组织,钢板强度、塑韧性均得到改善。同时降低了钢板内应力,保证了控冷钢板的良好板形,提高在大型桥梁隧道钢壳FCB大线能量焊接过程中的形状稳定性。

三、主要创新性成果

1、阐明了FCB大线能量焊接桥隧用钢焊接热影响区晶粒、晶界、晶内的多重组织细化机制,开发了冶-铸-轧-焊全流程中不同阶段下的微−纳米氮/氧化物协同析出控制技术,实现了FCB大线能量焊接桥隧用钢的研发和大批量生产;

2、开发出对焊接性能具有重要影响的Ti、Mg、N、O等关键元素及其化合物的精确控制技术,实现了大线能量焊接桥隧用钢的高效、精准、稳定冶炼生产;

3、开发出大线能量焊接用钢低成本减量化成分设计(无Ni、Cu、Cr、Mo、V等元素添加)和低应力控轧控冷技术,实现厚向“表层针状铁素体→心部细晶等轴铁素体”的有利梯度组织调控和高质量板形控制,提高了大型桥隧用钢焊接过程中的形状稳定性,钢板不平度<3mm/m;

4、国际首次实现FCB大线能量焊接技术在桥梁隧道钢结构建造中的应用,屈服强度达到420MPa级别,厚度规格达到40mm,在300kJ/cm大线能量焊接条件下热影响区冲击韧性200J以上,产品性能稳定,大幅度提高焊接效率。

四、应用情况与效果

深中通道项目是连接深圳与中山市的桥梁隧道工程,是世界级的“桥、岛、隧、地下互通”集群工程。该项目的海底隧道为世界首例双向八车道沉管隧道,采用我国自主创新技术“三明治沉管结构”,总焊接长度达11000公里,全部采用Q390/420级高强钢板FCB大线能量焊接,其工程规模和技术难度前所未有。这也是首次在桥隧工程中成十万吨级地大规模应用大线能量焊接用钢,远超过以往大线能量焊接用钢几个炉次的生产规模,对于钢厂产品结构升级和钢结构制造厂的生产效率提高具有重要意义。

由于施工条件限制,平面结构的设计形式无法采用船舶、储罐建造中常用的EGW气电立焊技术,因而该项目中开创性地将FCB大线能量焊接技术用于桥梁隧道钢结构建造。在FCB焊接过程中,焊接区域缺少气电立焊所采用的强制水冷,同时又需要在上下表面覆盖导热性能极差的焊剂,这使得焊后冷却速度进一步减慢,热影响区更易生成各类粗大的脆性组织。本项目开发出的Q420钢板满足500kJ/cm以上焊接热模拟,在300kJ/cm三丝FCB焊接评定中具有良好低温冲击韧性,在多家产品焊评中性能最佳,充分满足桥梁隧道正常施工FCB焊接需求。鞍钢目前已累计向深中通道供货17余万吨,在施工过程中保持稳定的大线能量焊接性能,使制造效率呈十几倍提高,极大缩短了工期。

该成果研发的合金减量化新型成分设计、大线能量焊接关键技术等创新技术,适用于采用FCB大线能量焊接施工的桥梁、隧道用钢,也同样适用于采用SAW埋弧焊、EGW气电立焊大线能量焊接的船舶、海工、容器用钢等领域,应用前景十分广阔。

信息来源:鞍钢股份有限公司、东北大学


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