高性能耐候桥梁钢的开发及应用
2021-12-10韩鹏宋广龙张哲陈华杨颖
韩鹏 ,宋广龙 ,张哲 ,陈华 ,杨颖
(1.海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室,辽宁 鞍山,114009;2.鞍钢股份有限公司,辽宁 鞍山,114021;3.中交公路规划设计院有限公司,北京 100088;4.鞍钢集团钢铁研究院,辽宁 鞍山 114009)
近年来,国家投入巨额资金开展基础设施建设,尤其在高速铁路和高速公路的建设上得到了迅猛发展,钢结构桥梁成为建设跨江跨海大型工程效率最高、最经济的选择,这就推动了国内钢结构桥梁制造行业的迅速发展,桥梁设计和建造水平达到了世界领先水平,先后建造了港珠澳大桥、沪通长江大桥、孟加拉帕德玛大桥、中马友谊大桥等大跨度、全地域的桥梁工程。为实现桥梁结构和功能的创新和突破,国内桥梁用钢的研发和制造能力得到快速提升,满足了大型桥梁项目建设需要,但在高性能耐候桥梁钢的研发和应用上较国外还存在一定差距。美国是国际上最早提出高性能耐候桥梁钢的国家,1992年,美国成立了HPS指导委员会,正式开始HPS的研发工作,1997年初,HPS 485W正式批量生产。一年后,在田纳西州和内布拉斯加州设计建造了第一批采用HPS 485W的钢桥。同年,HPS 485W被纳入美国材料与试验学会的ASTM A709规范。1999年,HPS 485W被纳桥梁设计规范。目前,美国采用HPS 485W建造的钢桥超过了200座。本文结合鞍钢现有装备及研发基础,按照ASTM A709规范和国外项目技术要求,采用TMCP加回火工艺成功开发了HPS 485W桥梁钢,并对相关性能和组织展开综合研究、评价,为国内耐候桥梁钢的研发和应用提供参考。
1 HPS 485W材料技术要求
综合美国标准ASTM A709-18《桥梁用结构钢》、ASTM G101《低合金钢耐大气腐蚀性评估的标准指南》和国外项目技术要求,HPS 485W化学成分要求见表1。其中,碳当量(CE)要求≤0.52,裂纹敏感指数(Pcm)要求≤0.23,以保证材料具有良好的焊接性能,并采用耐大气腐蚀指数I来评估材料耐大气腐蚀性能,I值主要与Cu、Ni、Cr、P、Si等耐蚀性元素含量相关,当耐大气腐蚀指数I值>6时,表明钢材具有较好的耐大气腐蚀性能,本文研发的HPS 485W的耐大气腐蚀指数I值要求≥6.5,以保证材料在免涂装的条件下可长期服役应用。
表1 HPS 485W化学成分要求(质量分数)Table 1 Requirements for Chemical Compositions in HPS 485W(Mass Fraction) %
HPS 485W的力学性能要求见表2,其中,厚度≤70 mm钢板的屈强比要求≤0.90,保证了材料具有良好的抗断性,-31℃纵向冲击功≥80 J。
表2 HPS 485W的力学性能要求Table 2 Requirements for Mechanical Properties of HPS 485W
2 成分技术工艺设计
2.1 成分设计及实际冶炼成分
成分设计上,为进一步保证HPS 485W焊接性能、焊缝及热影响区的低温冲击韧性,避免出现焊接裂纹等缺陷,采用低碳成分设计,要求碳含量≤0.08%,为碳当量和裂纹敏感指数满足标准要求创造条件;合理添加 Cu、Ni、Cr、Mo等合金元素,以满足I值≥6.5的要求,并弥补降低碳含量后带来的强度损失,同时提高特厚板淬透性以及厚度方向性能均匀性,降低韧脆转变温度,HPS 485W化学成分设计范围及实际熔炼值见表3。
表3 HPS 485W化学成分设计范围及实际熔炼值Table 3 Chemical Composition Design Limit for HPS 485W and Its Actual Content of Smelting Elements %
从实际熔炼成分看,基本按照设计成分的目标值进行成分控制,磷和硫含量分别为0.010%和0.001%,远低于标准要求,可有效降低铸坯中心偏析,减少钢中夹杂物尺寸和数量,为提升特厚板厚度方向性能,提高探伤合格率提供支撑。实际碳当量(CE)和裂纹敏感指数(Pcm)分别为 0.45%和0.20%,耐大气腐蚀指数I值为6.53,为后续成品钢板的生产试制创造有利条件。
2.2 工艺路径及工艺设计
HPS 485W的生产工艺路径如下:铁水预处理→转炉冶炼→LF→RH处理→板坯连铸→(板坯清理)→加热→轧制→冷却→矫直→回火→剪切→喷印标记→检查、检验→入库。
炼钢工序采用LF+RH处理的精炼工艺,全程采用保护浇注和轻压下等措施,提高了铸坯表面质量,降低铸坯内气体含量;提高铸坯内部质量,减少中心偏析、中心疏松和裂纹,减少铸坯夹杂物尺寸和数量。
轧钢工序采用两阶段TMCP工艺生产,加热采用低温加热工艺控制,并避免长时间在炉加热,以尽量降低初始奥氏体晶粒尺寸。在轧制之前用高压水充分除鳞,粗轧阶段各道次压下率控制在20%以上,精轧阶段累计压下率不小于50%,以细化晶粒,轧后进行回火处理,钢板轧制后按照GB/T 2970 I级标准进行探伤,探伤结果合格。为确定合理的回火制度,分别按照不同回火温度和回火保温时间进行了系列试验,不同回火温度性能曲线见图1。
图1 不同回火温度与保温时间性能曲线Fig.1 Performance Curves of Different Tempering Temperatures and Holding time
从图1可看出,在相同回火保温时间条件下,随着回火温度的提升,虽然抗拉强度较TMCP态抗拉强度无明显变化,屈服强度出现显著提升,当回火温度升高到450℃时,屈服强度达到550 MPa,屈强比为0.86,满足力学性能标准要求。在相同回火温度条件下,随着回火保温时间延长,抗拉强度较TMCP态抗拉强度无明显变化,但屈服强度出现显著提升,当保温时间延长到2.5 min/mm时,屈服强度达到558 MPa,屈强比为0.86,余量充足,同样满足力学性能标准要求。因此,回火工艺按照回火温度450℃,保温时间2.5 min/mm处理。
3 组织及性能分析
按上述成分设计和工艺路线进行HPS 485W的现场工业生产,厚度分别为 19、25、38、51、100 mm钢板,测定其组织和性能。
3.1 组织
对工业生产的HPS 485W钢板进行金相分析,材料厚度1/4和厚度1/2处的组织见图2,均为铁素体和贝氏体。由于在TMCP工艺生产过程中,采用低温加热和提高道次变形率等措施,轧制力能够有效的渗透到钢板心部,心部组织得到充分塑性变形,有效细化了钢板的晶粒尺寸,钢板的平均晶粒尺寸分布见图3。由图3可以看出,钢板的平均晶粒尺寸仅为2.95 μm,厚度1/2处晶粒较厚度1/4处更为细小,保证了全厚度性能均匀性,解决了大厚度钢板厚度方向性能不均匀的问题。
图2 HPS 485W钢板组织Fig.2 Microstructures of Steel Plate Made of HPS 485W
图3 钢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对组织相比例进行分析,钢板相比例分布见图4。图4中,深色为铁素体,浅色为贝氏体,是典型的复相组织,其中铁素体含量62.7%,贝氏体含量37.3%。在硬相贝氏体保证强度的条件下,大量软相铁素体使钢板具有良好的抑制裂纹扩展的能力,低温韧性良好,保证了钢结构桥梁的长期服役抗断性。
图4 钢板相比例分布Fig.4 Radio Distribution of Phases in Steel Plate Made of HPS 485W
3.2 力学性能
不同规格HPS 485W钢板力学性能见表4。由表4可知,HPS 485W的力学性能均匀,有较大余量,塑性良好,延伸率在25.5~43.0,具有优异的强塑性,保证了桥梁结构的抗疲劳性能。此外,不同规格钢板的屈强比在0.80~0.86,较低的屈强比保证了桥梁结构在服役期间具有良好的抗断性能,保证了长期服役下的结构安全性。
表4 不同规格HPS 485W钢板力学性能Table 4 Mechanical Properties of Steel Plates Made of HPS 485W with Different Specifications
3.3 低温冲击性能
图5为HPS 485W冲击韧脆转变曲线,虽然随着冲击试验温度的降低,冲击功出现下降,偏差范围出现增大,但钢板在-60℃的冲击功最小值仍大于150 J,韧脆转变温度低于-60℃,说明具有良好的耐低温冲击韧性,冲击残样的断口均为韧性断口,保证了桥梁结构的低温服役安全。
图5 冲击韧脆转变曲线Fig.5 Impact Ductile-to-Brittle Transition Curves
4 应用
鞍钢采用TMCP+回火工艺成功开发的耐候桥梁钢HPS 485W具有高强度、耐低温、耐腐蚀等优良特点,通过在钢板表面形成橘红色致密而稳定的氧化保护层,能够有效延缓腐蚀,保护基体不受伤害,表面形成的橘红色保护层与自然环境颜色较为和谐,可长期暴露在自然环境下免涂装服役,降低了油漆涂装成本,缩短了建造周期,大幅减少了全生命周期维护成本,尤其适合在偏远地区、人烟稀少区域、不宜长期人工养护区域的钢结构桥梁上使用。目前,该产品已批量应用在加拿大帕特洛桥上,规格涵盖6~100 mm,应用量近6 000 t,为后续的长期、批量推广应用奠定基础。
5 结论
(1)采用低碳及合金化成分设计,利用TMCP+回火工艺路线,成功开发了6~100 mm的HPS 485W钢板,成分和力学性能满足标准要求,强塑性好,屈强比低,在可免涂装应用的情况下,保证桥梁结构具有良好的安全性和耐腐蚀能力。
(2)HPS 485W钢板的低温冲击韧性良好,-60℃冲击功最小值为150 J,韧脆转变温度低于-60℃,保证了桥梁结构长期服役的安全性。
(3)HPS 485W钢板的组织为铁素体和贝氏体,厚度1/2处组织得到充分细化,铁素体含量62.7%,贝氏体含量37.3%,平均晶粒尺寸仅为2.95 μm,在硬相贝氏体保证强度的条件下,大量的软相铁素体使钢板具有良好的抑制裂纹扩展的能力,保证了桥梁结构长期服役的抗断性。