南钢桥梁用结构钢的研发

2022-01-07朱俊虹梅宽志郭甲男

现代冶金 2021年3期

朱俊虹，梅宽志，郭甲男

(南京钢铁股份有限公司，江苏南京 210035)

引言

随着国家出台国内铁路及公路规划，并伴随供给侧改革推进公路桥梁用结构钢桥建设和铁路八横八纵计划的实施，中国近5-10年以来进入了钢结构桥梁建设的快速发展时期。已经完工的沪苏通长江大桥、港珠澳大桥、平潭海峡大桥、三门峡黄河大桥等为代表的一批桥梁工程享誉海内外，中国桥梁工程已经进入世界先进行列。

南京钢铁股份有限公司(以下简称“南钢”)从2000年开始，紧跟世界桥梁建设技术创新的步伐，关注桥梁行业绿色环保、节能减排、全寿命管理的发展方向，在桥梁用结构钢不断加大研发和投入，目前已形成四大类30多个的品种，参与了国内外重点工程项目如沪苏通公铁大桥、青藏铁路拉林藏木特大桥、平潭海峡公铁大桥、重庆嘉陵江公轨双层大桥、美国旧金山新海湾大桥等150个重大项目工程，目前为止已提供了100多万吨桥梁用结构钢。

1 桥梁用结构钢所需要的生产线及工艺装备

由于现代特大型铁路桥梁、公路桥梁和跨江跨海大桥的发展对桥梁用结构钢提出了很高的要求，如铁路桥梁主跨由最初的128 m发展到504 m，规划到1092 m，通车时速由140 km/h提高到300 km/h，设计荷载由最初的2线发展到6线铁路，钢梁连接由铆接、栓焊发展到整体焊接节点，在设计桥梁时要求桥梁用结构钢在提高强度的同时，还必须具有优异的低温韧性和焊接性能，同时也能解决钢板板厚效应，另外为提高材料的利用率，钢板规格繁多复杂，上述桥梁钢的应用特性决定了该材料的生产装置必须是最先进的，南钢为打造成世界一流的中厚板精品基地，加大装备投入力度，先后于2004年投产3500 mm炉卷轧机，2013年投产5000 mm轧机，加上原来的2800 mm轧机和配套项目，这三条板材产线(如表1所示)强力组合形成了装备优势、规模优势、产品覆盖优势，装备的先进性为桥梁用结构钢创造了条件。2015年南钢开始加大桥梁用结构钢的研发推广力度，组织专门部门进行桥梁用结构钢研发和推广，目前年产高性能桥梁用结构钢30万吨。这套中厚板生产线现已成为中国最大、全球第二的中厚板生产线，年产量达到了500万吨，能生产各种具有个性化需求的板材品种。

表1 南钢板材生产线及装备

2 桥梁用结构钢板的研发和生产情况

2.1 桥梁用结构钢设计思路

桥梁工程乃百年大计，其应用环境和使用状态(动静载荷)特殊，随着钢桥面的广泛应用，作为主要受力构件，桥梁用结构钢不仅要保障钢材基本力学性能，还应看重其应用性能，例如耐候性、防断、疲劳、止裂，低温韧性、内部质量、波动及稳定性、加工精度(不平度)、热矫正性能、焊接匹配性，整桥材料匹配等。总而言之桥梁用结构钢是否能做得好是企业管理、技术、生产组织水平的综合体现。

2.2 化学成分设计

近年来南钢自主研发370-500 MPa 级别新一代高性能桥梁用结构钢板，采用低碳微合金、低CEV等设计(如表2所示)，使钢板具有良好的焊接性能和使用性能，结合新一代超快冷先进装备，采用组织转变和TMCP 工艺提高强度等级，产品生产流程短，不需要走离线热处理，生产过程成本降低。

表2 南钢桥梁用结构钢化学成分的设计/%

其中，钢的含碳量增加对钢的韧性、塑性、焊接性有不利的影响，一般强度在Q345q-Q370q控制在0.15%，其它高等级的桥梁用结构钢控制在0.06-0.10% ，Cev(%)控制在0.4-0.5%范围，避免接头产生淬硬组织，出现硬度超标，降低焊接冷裂纹倾向，保证材料基础性能优异和应用性能优良。

2.3 桥梁用结构钢的生产工艺路线的开发

桥梁用结构钢是目前所有结构钢品种中对其综合性能要求最顶级的钢种，南钢目前桥梁用结构钢的生产工艺路线如下：铁水脱硫预处理→ 转炉冶炼→LF→RH→连铸→坯料堆冷→坯料验收→加热→除鳞→控制轧制→矫直→冷床冷却→表面检查→定尺剪切→(探伤)→喷印标识→检验→入库。

(1)炼钢过程提高成分的命中率，降低P、S和气体含量，避免过渡到焊缝中、形成低熔点共晶相，降低焊缝热裂纹敏感性；

(2)连铸工序控制好钢水过热度，连铸的拉速、水比，确保轻压下处于良好状态，对板坯的低倍组织进行检查，对铸坯内部质量进行低倍评级；

(3)针对桥梁用结构钢的厚度规格选用坯料的厚度以150 mm、220 mm、260 mm、320 mm等规格为主，此外，特殊订单也会采用其他规格坯料，这样生产出的桥梁用结构钢板厚度规格可以从4 mm 到100 mm，最大宽度可以达到4500 mm；

(4)坚持坯料冷装入炉，以利于提高钢板的各项性能指标，执行好钢坯的加热制度，按轧钢规程要求组织轧制，控制好各关键温度点；

(5)对钢板进行板型检测，对加工变形的配备连续热矫，并用自动探伤设备进行探伤。

2.4 南钢桥梁用结构钢的性能

桥梁用结构钢经过冶炼和轧制的多工序设计，保证钢水的纯净度和均质化，再经过CR、N、TMCP、TMCP+回火多种轧制和热处理方式得到了细化铁素体+珠光体、针状铁素体、贝氏体的组织，这种钢板晶粒细小，组织均匀，具有良好的力学性能，达到了钢板的强韧性、低屈强比要求，满足钢板无厚度效应，具有极高的冲击功率(如表3所示)。