南鋼橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)

朱俊虹， 梅寬志， 郭甲男

(南京鋼鐵股份有限公司， 江蘇 南京 210035)

引 言

隨著國家出臺(tái)國內(nèi)鐵路及公路規(guī)劃，并伴隨供給側(cè)改革推進(jìn)公路橋梁用結(jié)構(gòu)鋼橋建設(shè)和鐵路八橫八縱計(jì)劃的實(shí)施，中國近5-10年以來進(jìn)入了鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的快速發(fā)展時(shí)期。已經(jīng)完工的滬蘇通長江大橋、港珠澳大橋、平潭海峽大橋、三門峽黃河大橋等為代表的一批橋梁工程享譽(yù)海內(nèi)外，中國橋梁工程已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。

南京鋼鐵股份有限公司(以下簡稱“南鋼”)從2000年開始，緊跟世界橋梁建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新的步伐，關(guān)注橋梁行業(yè)綠色環(huán)保、節(jié)能減排、全壽命管理的發(fā)展方向，在橋梁用結(jié)構(gòu)鋼不斷加大研發(fā)和投入，目前已形成四大類30多個(gè)的品種，參與了國內(nèi)外重點(diǎn)工程項(xiàng)目如滬蘇通公鐵大橋、青藏鐵路拉林藏木特大橋、平潭海峽公鐵大橋、重慶嘉陵江公軌雙層大橋、美國舊金山新海灣大橋等150個(gè)重大項(xiàng)目工程，目前為止已提供了100多萬噸橋梁用結(jié)構(gòu)鋼。

1 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼所需要的生產(chǎn)線及工藝裝備

由于現(xiàn)代特大型鐵路橋梁、公路橋梁和跨江跨海大橋的發(fā)展對(duì)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼提出了很高的要求，如鐵路橋梁主跨由最初的128 m發(fā)展到504 m，規(guī)劃到1092 m，通車時(shí)速由140 km/h提高到300 km/h，設(shè)計(jì)荷載由最初的2線發(fā)展到6線鐵路，鋼梁連接由鉚接、栓焊發(fā)展到整體焊接節(jié)點(diǎn)，在設(shè)計(jì)橋梁時(shí)要求橋梁用結(jié)構(gòu)鋼在提高強(qiáng)度的同時(shí)，還必須具有優(yōu)異的低溫韌性和焊接性能，同時(shí)也能解決鋼板板厚效應(yīng)，另外為提高材料的利用率，鋼板規(guī)格繁多復(fù)雜，上述橋梁鋼的應(yīng)用特性決定了該材料的生產(chǎn)裝置必須是最先進(jìn)的，南鋼為打造成世界一流的中厚板精品基地，加大裝備投入力度，先后于2004年投產(chǎn)3500 mm爐卷軋機(jī)，2013年投產(chǎn)5000 mm軋機(jī)，加上原來的2800 mm軋機(jī)和配套項(xiàng)目，這三條板材產(chǎn)線(如表1所示)強(qiáng)力組合形成了裝備優(yōu)勢(shì)、規(guī)模優(yōu)勢(shì)、產(chǎn)品覆蓋優(yōu)勢(shì)，裝備的先進(jìn)性為橋梁用結(jié)構(gòu)鋼創(chuàng)造了條件。2015年南鋼開始加大橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的研發(fā)推廣力度，組織專門部門進(jìn)行橋梁用結(jié)構(gòu)鋼研發(fā)和推廣，目前年產(chǎn)高性能橋梁用結(jié)構(gòu)鋼30萬噸。這套中厚板生產(chǎn)線現(xiàn)已成為中國最大、全球第二的中厚板生產(chǎn)線，年產(chǎn)量達(dá)到了500萬噸，能生產(chǎn)各種具有個(gè)性化需求的板材品種。

表1 南鋼板材生產(chǎn)線及裝備

2 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板的研發(fā)和生產(chǎn)情況

2.1 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼設(shè)計(jì)思路

橋梁工程乃百年大計(jì)，其應(yīng)用環(huán)境和使用狀態(tài)(動(dòng)靜載荷)特殊，隨著鋼橋面的廣泛應(yīng)用，作為主要受力構(gòu)件，橋梁用結(jié)構(gòu)鋼不僅要保障鋼材基本力學(xué)性能，還應(yīng)看重其應(yīng)用性能，例如耐候性、防斷、疲勞、止裂，低溫韌性、內(nèi)部質(zhì)量、波動(dòng)及穩(wěn)定性、加工精度(不平度)、熱矯正性能、焊接匹配性，整橋材料匹配等。總而言之橋梁用結(jié)構(gòu)鋼是否能做得好是企業(yè)管理、技術(shù)、生產(chǎn)組織水平的綜合體現(xiàn)。

2.2 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

近年來南鋼自主研發(fā)370-500 MPa 級(jí)別新一代高性能橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板，采用低碳微合金、低CEV等設(shè)計(jì)(如表2所示)，使鋼板具有良好的焊接性能和使用性能，結(jié)合新一代超快冷先進(jìn)裝備，采用組織轉(zhuǎn)變和TMCP 工藝提高強(qiáng)度等級(jí)，產(chǎn)品生產(chǎn)流程短，不需要走離線熱處理，生產(chǎn)過程成本降低。

表2 南鋼橋梁用結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分的設(shè)計(jì)/%

其中，鋼的含碳量增加對(duì)鋼的韌性、塑性、焊接性有不利的影響，一般強(qiáng)度在Q345q-Q370q控制在0.15%，其它高等級(jí)的橋梁用結(jié)構(gòu)鋼控制在0.06-0.10% ，Cev(%)控制在0.4-0.5%范圍，避免接頭產(chǎn)生淬硬組織，出現(xiàn)硬度超標(biāo)，降低焊接冷裂紋傾向，保證材料基礎(chǔ)性能優(yōu)異和應(yīng)用性能優(yōu)良。

2.3 橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝路線的開發(fā)

橋梁用結(jié)構(gòu)鋼是目前所有結(jié)構(gòu)鋼品種中對(duì)其綜合性能要求最頂級(jí)的鋼種，南鋼目前橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝路線如下：鐵水脫硫預(yù)處理→ 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF→RH→連鑄→坯料堆冷→坯料驗(yàn)收→加熱→除鱗→控制軋制→矯直→冷床冷卻→表面檢查→定尺剪切→(探傷)→噴印標(biāo)識(shí)→檢驗(yàn)→入庫。

(1)煉鋼過程提高成分的命中率，降低P、S和氣體含量，避免過渡到焊縫中、形成低熔點(diǎn)共晶相，降低焊縫熱裂紋敏感性；

(2)連鑄工序控制好鋼水過熱度，連鑄的拉速、水比，確保輕壓下處于良好狀態(tài)，對(duì)板坯的低倍組織進(jìn)行檢查，對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行低倍評(píng)級(jí)；

(3)針對(duì)橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的厚度規(guī)格選用坯料的厚度以150 mm、220 mm、260 mm、320 mm等規(guī)格為主，此外，特殊訂單也會(huì)采用其他規(guī)格坯料，這樣生產(chǎn)出的橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板厚度規(guī)格可以從4 mm 到100 mm，最大寬度可以達(dá)到4500 mm；

(4)堅(jiān)持坯料冷裝入爐，以利于提高鋼板的各項(xiàng)性能指標(biāo)，執(zhí)行好鋼坯的加熱制度，按軋鋼規(guī)程要求組織軋制，控制好各關(guān)鍵溫度點(diǎn)；

(5)對(duì)鋼板進(jìn)行板型檢測(cè)，對(duì)加工變形的配備連續(xù)熱矯，并用自動(dòng)探傷設(shè)備進(jìn)行探傷。

2.4 南鋼橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的性能

橋梁用結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)過冶煉和軋制的多工序設(shè)計(jì)，保證鋼水的純凈度和均質(zhì)化，再經(jīng)過CR、N、TMCP、TMCP+回火多種軋制和熱處理方式得到了細(xì)化鐵素體+珠光體、針狀鐵素體、貝氏體的組織，這種鋼板晶粒細(xì)小，組織均勻，具有良好的力學(xué)性能，達(dá)到了鋼板的強(qiáng)韌性、低屈強(qiáng)比要求，滿足鋼板無厚度效應(yīng)，具有極高的沖擊功率(如表3所示)。

表3 南鋼橋梁用結(jié)構(gòu)鋼的性能

3 結(jié)束語

南鋼這5年以來高度重視橋梁用結(jié)構(gòu)鋼板的開發(fā)與運(yùn)用，通過裝備提升、工藝技術(shù)研究、技術(shù)力量整合，及時(shí)理解國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)，加快品種開發(fā)節(jié)奏，提升產(chǎn)品檔次。開發(fā)出的橋梁用結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量穩(wěn)定，深受用戶好評(píng)，為國內(nèi)外大型橋梁工程做出積極貢獻(xiàn)。