科技新进展：特殊服役环境耐候桥梁钢关键技术开发及应用

一、研究的背景与问题

随着我国强国建设战略全面推进实施、基建高速发展，桥梁（特别是大型或超大型跨海大桥）建设取得了跨越式发展。截至2021年底，我国桥梁钢产量已近1000万吨，2025年桥梁钢产量预计将达1160万吨，市场经济规模达1560亿元。腐蚀是桥梁结构最主要失效形式，造成了巨大安全隐患。耐候桥梁钢通过“以锈止锈”，使其耐候性能达到普碳钢的2～8倍，而且绿色环保，长期成本优势显著，已成为当今桥梁结构用钢的主要发展方向。

当前，我国耐候桥梁钢成分体系主要参考美国、日本，但我国的大气环境与美日存在明显差异，特别是环境因素如气候、湿度、紫外线、Cl-含量等，如何设计合适的合金成分以适应我国不同的特殊大气环境，同时满足高强、易焊接、经济等要求是亟待解决和攻克的难题。此外，随着我国桥梁大型化，对耐候桥梁钢的力学等级、厚度规格等要求更加严苛，已由传统Q345qNH 提高到 Q500qNH，甚至 Q690qNH，厚度规格超过了70 mm，多数企业未能实现大厚度高强高韧耐候桥梁钢的批量化稳定生产。同时，在桥梁钢的实际使用过程，平直度控制不理想极易造成桥梁结构件制造过程产生大的残余应力。目前，国内宽薄中厚板的综合合格率普遍在85%以下，平直度基本控制在5 mm/m 以内，高平直度控制亦成为高性能桥梁耐候钢生产亟待解决的难题。随着耐候桥梁钢钢级及成分的多样化，如何选择正确的焊材及匹配合理的焊接工艺，对保证钢结构的安全、耐候、稳定性都至关重要。上述问题亟待项目团队解决。

二、解决问题的思路与技术方案

高性能耐候桥梁钢具有高强韧、绿色无污染等特点，是近年来国内外桥梁用钢的主流发展方向。本项目针对我国不同特殊服役环境耐候桥梁钢研发及制备面临的耐腐蚀机理、成分设计、生产制备及使用成套关键技术缺乏的现状，项目团队在传统耐候钢的基础上进行了成分设计和关键制备技术研发，针对不同服役环境进行了耐候性适应性研究，优化冶炼工艺制备了大断面高纯净、低偏析铸坯，系统研究并揭示了合金成分及生产工艺对耐候桥梁钢组织结构、力学性能和腐蚀性能的影响机理，分析了焊材成分对高钢级耐候钢焊接的影响规律，明确了典型焊接工艺的窗口参数。

三、主要创新性成果

2009年9月以来，湘钢与东北大学、北京科技大学、中铁宝桥集团有限公司、中铁九桥工程有限公司合作，系统开展了工业海洋气候、严苛高原等服役环境耐候桥梁钢耐腐蚀机理与成分体系设计、轧制与热处理组织性能及板形控制、焊接性能控制等关键技术研发，实现了全系列耐候桥梁钢稳定化制备与供货。主要研究内容与技术特点如下：

1、揭示Ni、Cr、Mo等合金的耐腐蚀机理（见图1），利用机器学习的数字化设计思想，充分发挥元素协同作用，设计适用于不同大气环境的高性能耐候桥梁钢，基于环境的耐候性设计方法达国际领先水平；【所属学科：黑色金属及其合金材料。授权发明专利4件，其中核心专利3项（表1），发表学术论文23篇，获2021年IJMMM杰出论文奖。】

表1 创新点1核心专利明细表

图1 Ni-Cr-Mo协同下耐候钢的耐候机理及锈层演变示意图

2、针对大断面高均质控制难题，开展了连铸浇注技术研究，提出了非均质凝固与凸形辊复合大压下技术，配合多模式二冷电磁搅拌技术，实现耐候桥梁钢大断面（≥450 mm铸坯厚度）中心偏析≤C1.0精确控制（见图2）；【授权发明专利13件，其中核心专利3项（表2），发表学术论文9篇】

表2 创新点2核心专利明细表

图2450 mm大断面Q500qENH宽向1/8区域中心偏析

3、开发“低温奥氏体化+大压缩比+低温轧制”及“控速DQ+ACC冷却”技术，实现了细晶铁素体+粒状贝氏体的双相组织调控，生产出具备大厚度高强韧-低屈强比-抗断裂性能的高强耐候钢板（见图3）；【授权发明专利5件，其中核心专利3件（表3）】

表3 创新点3核心专利明细表

图3两种工艺钢板的金相组织和EBSD组织

4、创新开发基于均匀控温-辊系控制-模型干预多因素协同控制全系列耐候桥梁钢板稳定化制备新工艺，实现了厚度规格6~140 mm、宽度最大4800 mm、强度Q345~Q690全系列规格及强度耐候桥梁钢板平直度≤2 mm/m 稳定化生产，满足了桥梁钢板高强、高平直度、性能高均匀性的要求；【授权核心专利3件（表4），发表论文7篇】

表4 创新点4核心专利明细表

5、针对特殊服役环境用耐候桥梁钢，对焊材进行设计及优选，优化耐候桥梁钢的焊接工艺，形成工程材料设计、生产与使用成套技术，解决了焊接性能与焊料匹配等难题，焊接接头具有防断强止裂的优异性能。

四、应用情况与效果

针对本项目开发的Q345qNH-Q690qNH，选择国内外主要生产耐候桥梁钢的企业，并通过其同类或相似产品作为比较对象，围绕核心创新内容进行指标对比。

1、厚规格耐候钢板及焊接接头实物质量水平

本项目制备的厚规格Q500qENH高强韧耐候钢在厚度、平直度、高均质性能、韧性等方面均超过其他厂商，为解决桥梁项目的安全性服役提供了更好的材料保障（表5）。

表5 厚规格耐候钢板及焊接接头实物质量水平差异

注：来源于《工业建筑》，2024年12期: 耐候桥梁钢研发制备与焊接技术研究进展；《公路交通科技》, 2023年7期: 高性能桥梁钢研究现状和母材焊材确定；《哈尔滨工业大学学报》，2020年3期：高强度耐候钢及其在桥梁中的应用与前景; 《中国冶金》，2021年6期: 轧制工艺对高强耐候钢板形控制的影响；Journal of Constructional Steel Research，2020,11：New developments in steel and composite bridges

2、大厚度耐候桥梁钢制备技术

本项目通过开展低磷低硫、低过热度连铸浇注技术研究，提出了凸形辊复合大压下配合多模式二冷电磁搅拌技术，实现大断面中心偏析≤C1.0精确控制，利用“低加热温度+大压缩比+低温轧制”的轧制工艺， 结合“控速DQ+ACC”冷却策略，实现了细晶铁素体+粒状贝氏体的双相组织调控（表6）。

表6 本项目与其他钢厂大厚度耐候桥梁钢制备工艺差异

注：来源于专利：CN 116695023 A-超高强韧低屈强比纵向变厚度耐候桥梁用钢及其制造方法；CN 112210719 A-一种低成本高性能Q500桥梁钢及生产方法；CN 114182174 A-一种高强韧桥梁结构钢板的生产方法；CN 108411188 A-一种高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法

3、工业海洋环境用耐候钢环境适应性

当前，我国耐候桥梁钢成分体系难以满足工业海洋苛刻环境。本课题建立了工业海洋大气环境腐蚀动力学，探明了Ni、Cr、Mo合金在锈层中的存在形式、锈层形貌与物相组成及分布，首次系统揭示了对腐蚀行为的影响规律，阐明了其耐腐蚀机理，创新开发了适用我国工业海洋大气环境的低合金、高耐候高性能耐候桥梁钢成分体系。

选取我司与国内其他两家钢厂生产的Q345qDNHY-І，进行模拟工业海洋环境耐候性能对比（出自2024年1月“狮子洋通道钢框架锚固系统钢结构耐蚀性选材评价报告”）。其中动电位极化曲线试验，结果采用EC-Lab软件拟合，如图5所示，拟合结果列于下表7。在3.5%氯化钠+0.05% 亚硫酸氢钠溶液中，湘钢Q345qDNHY-І极化曲线最靠左，说明其阳极过程和阴极过程的电化学反应阻力更大，其耐候性能最好。

图5三家钢厂Q345qDNHY-Ⅰ动电位极化曲线

表7 三家钢厂Q345qDNHY-Ⅰ电化学阻抗谱拟合

将三家钢厂的Q345qDNHY-І进行21天3.5%氯化钠+0.05%亚硫酸氢钠溶液周浸试验，得到试样的腐蚀失重曲线和腐蚀速率，试验结果如图6、表8所示，结果表明湘钢Q345qDNHY-І不同周期下的腐蚀速率更低，同周期的腐蚀失重及失厚率更小。

（a）腐蚀失重图；（b）腐蚀失厚曲线；（c） 腐蚀速率图

图6 三家钢厂Q345qDNHY-І腐蚀动力学曲线对比

表8三家钢厂Q345qDNHY-І不同周期下的腐蚀速率

（a）钢厂1；（b）湘钢；（c）钢厂2；（d）腐蚀累积电量图

图7 三家钢厂Q345qDNHY-Ⅰ在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀时钟图,

最后，将三家钢厂的Q345qDNHY-І制备成腐蚀传感器，在3.5%氯化钠+0.05%亚硫酸氢钠溶液中周浸21天后，根据监测获取的数据绘制出相对腐蚀电流强度极坐标图和累积电量图，如图7所示。可以看出随周浸时间的延长，湘钢Q345qDNHY-І腐蚀累积电流明显低于另外两个，该结果与周浸试验的结果一致。

4、高原严苛环境用耐候钢成分设计方法

国内目前大多数企业成分设计通过定性加入，即参考本企业已有低级别的耐候钢合金添加量进行微调，然后通过小批量、批量试制后固化生产。该成分设计方式具有性能预测难度大、试制成本高、性能检测周期长等缺点。相比之下，本项目首次将基于机理与数据协同的成分设计方法用于高原耐候钢的设计中，国内外未见相关报道。课题采用关键特征选择（高原严苛环境中辐照、气温、风速等6个环境参数，和C、Si、Mn、Ni、Cu、Mo、Cr、Nb和V的9个元素特征）与人工神经网络算法相结合，利用机器学习框架设计优化耐候桥梁钢的合金成分，实现了高效的合金成分设计（表9）。一方面提高耐候钢成分设计的科学合理性，另一方面大大缩短研发周期及提高耐候钢产品环境适应性。

表9 本项目与其他钢厂成分设计方法差异

本课题开展以来，湖南华菱湘潭钢铁有限公司联合东北大学、北京科技大学、中铁宝桥集团有限公司、中铁九桥工程有限公司组建“产、学、研、用”研发团队，通过理论与试验研究相结合的方式，系统开展了特殊服役环境桥梁耐候钢腐蚀机理研究、成分体系设计、组织性能调控、焊材设计及焊接工艺优化等关键技术研发，目前已掌握高性能耐候桥梁钢C-Ni-Cr-Mo特有成分体系控制、大厚度高强韧耐候钢制备、成套板形控制、高性能焊接接头工艺控制等先进技术，实现Q345qNH~Q690qNH当前国内外全系列高性能耐候桥梁钢的稳定化制备与供货，产品具有强止裂、高平直度、易焊接等技术特点。

项目成果完成专家科技成果鉴定3项，在“基于耐候钢适应性、不平度控制及工程应用”等方面达到国际领先水平。产品技术荣获“湖南省科技进步二等奖”、“中国公路学会科技进步奖一等奖”等省部级奖项5项，授权专利25项，发表论文30余篇。

相关技术成果于2014-2024年已全部应用于桥梁工程，达到批量化、稳定化生产的要求。2016年西藏墨脱达国大桥投建，我司及完成单位合作研发的“免涂装耐高原环境用Q345qDNH”在该项目投入使用，首次应用量约990吨，该项目耐候钢使用至今已形成稳定锈层，桥梁主体结构服役情况稳定，该桥已成为入藏耐候钢桥较典型的示范工程。截止目前，湘钢耐候桥梁钢湘钢已累计供货25.02万吨，2017-2024年连续7年市场占有率稳居国内第一。近3年，“特殊服役环境耐候桥梁钢”在国内已批量应用约12座桥，产量约15.05万吨，新增产值约9.74亿元，创效2.59亿元。主要参与的项目有：西藏墨脱达国大桥、莆炎高速沙溪特大、重庆寥子特大桥、黄河临猗特大桥、川藏铁路金沙江特大桥、雅砻江特大桥、狮子洋大桥等，应用场景有高原严苛、山区酸雾、海洋气候等特殊环境。

信息来源：湖南钢铁集团湘潭钢铁有限公司