發(fā)布時間：2024-09-12
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一、研究的背景與問題
隨著國家交通強國戰(zhàn)略的深入實施，以高速公路、高速鐵路為主干的國民經濟大動脈建設不斷刷新著橋梁工程史的“世界之最”，一項項世界級工程難題被攻克，這離不開包括鋼鐵工業(yè)在內的整體制造業(yè)的巨大進步。我國橋梁向大跨度、重載荷、輕量化方向發(fā)展，對橋梁安全性、長壽命要求的不斷提高，鋼結構的防銹防腐問題越來越突出。常規(guī)橋梁結構件一般采用整體涂裝的方式進行防腐，但橋面板（鋼箱梁頂板）無法進行涂裝防腐，需定期維修更換。
橋梁結構用不銹鋼復合板是以不銹鋼與橋梁鋼通過熱軋結合而成的復合鋼板，兼具不銹鋼良好的耐蝕性及橋梁鋼良好的強韌性，實現低成本和高性能的完美結合。新一代橋梁，采用橋梁結構用不銹鋼復合板替代橋梁鋼板來制造橋面板，可解決橋面板腐蝕、維護成本高等問題。
近年來，橋梁結構用不銹鋼復合板用量越來越大，一方面，對界面結合性能、強韌性、屈強比、腐蝕等性能要求越來越高；另一方面，橋梁制造向自動化、高精度轉變，對不銹鋼復合板的使用要求也在不斷提高，如不平度、厚度公差等，普通不銹鋼復合板已無法很好的滿足橋梁設計及制造要求。對于新一代橋梁結構用高品質不銹鋼復合板，其性能及使用要求高，技術難度大，面臨諸多挑戰(zhàn)，主要有三個技術難題。①不銹鋼與橋梁鋼性能協(xié)調匹配難題：不銹鋼和橋梁鋼生產工藝窗口不一致，其對結合性能、強韌性、屈強比、晶間腐蝕之間的性能，難以良好協(xié)調匹配；②板形控制難題：不銹鋼與橋梁鋼的物理特性不一致，在軋制、冷卻過程中存在較大的相變應力及熱應力，導致板形難以控制；③層厚控制難題：不銹鋼與橋梁鋼的高溫流變特性不同，在生產過程中，不銹鋼與橋梁鋼層厚波動較大，不銹鋼復層厚度難以精確控制，層厚公差大。
二、解決問題的思路與技術方案
2.1解決問題的思路
本項目從橋梁行業(yè)應用需求出發(fā)，針對橋梁結構用不銹鋼復合板工藝性能難協(xié)調、板形差、層厚公差大等問題，在行業(yè)內率先開展橋梁結構用不銹鋼復合板產品關鍵技術開發(fā)。采用理論研究、實驗室實驗和工業(yè)化大生產相結合，研制出性能匹配優(yōu)良、平直度高、厚度公差小的高品質橋梁結構用不銹鋼復合板，最終形成制坯、軋制、冷卻、矯直等一整套橋梁結構用不銹鋼復合板的關鍵生產技術。
2.2技術方案
2.2.1 不銹鋼與橋梁鋼工藝性能協(xié)調控制技術
創(chuàng)新提出不銹鋼與橋梁鋼工藝性能協(xié)調控制技術，采用高質量復合坯制備技術+軋制工藝精細控制技術+兩段式冷卻控制技術，解決了不銹鋼和橋梁鋼工藝性能難協(xié)調統(tǒng)一的難題。
（1）高質量復合坯制備技術：復合坯質量是影響復合板結合性能的重要因素之一。在復合坯制備上，合理匹配橋梁鋼和不銹鋼表面粗糙度、復合坯四周封焊質量、復合坯真空度、封口質量等，保證高質量的復合坯，為優(yōu)良的結合強度提供基礎保障。如圖1，為壓下量、粗糙度與復合板界面結合性能關系圖。如圖2，復合坯真空度對界面結合質量的影響。
圖1 不同粗糙度不同變形率316L+Q370qE的強度變化及斷裂情況
圖2 不同真空度下316L+Q370qE的界面氧化情況
（2）軋制工藝精細控制技術：粗軋階段，利用粗軋機在線冷卻系統(tǒng)，實現在線冷卻+大壓下軋制，同時輔以縱橫縱軋制，協(xié)調變形、溫度與軋制方式，保證優(yōu)良的結合性能。利用溫度對材料變形抗力的影響，制造橋梁鋼層和不銹鋼層的溫度差，通過產生溫度差來減小軋制時變形抗力差，以得到相近的軋制延伸率，使其軋制時結合界面不產生因延伸率不同而引起的滑動，如圖3。精軋階段，在非再結晶區(qū)軋制階段，嚴格控制各軋制工藝參數，避開敏化區(qū)軋制，保證復合板具有良好的強、韌性，同時降低屈強比、晶間腐蝕敏感性，如圖4、圖5。
圖3 高溫變形抗力（左為橋梁鋼，右為不銹鋼）
圖4 兩階段軋制與兩階段冷卻示意圖 圖5 奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感溫度-時間曲線
（3）兩段式冷卻控制技術：通過研究溫度、冷速對橋梁鋼相變和不銹鋼敏化的影響，同時考慮膨脹量，提出兩段式冷卻概念，通過設置冷卻裝置不同區(qū)域水量來控制冷卻過程中不同溫度段的冷速，從而獲得貝氏體+鐵素體的雙相組織，在兼顧強、韌性的同時降低屈強比，并避過敏化溫度區(qū)間，保證優(yōu)良的晶間腐蝕性能。
2.2.2 板形精確控制技術
首次提出板形精確控制技術，采用收縮量匹配控制技術、大板板形控制技術、小板板形控制技術，解決了不銹鋼、橋梁鋼的物理特性不一致，導致復合板冷卻過程中存在較大的相變應力及熱應力，易產生波浪、翹扣頭、瓢曲等板形問題。
（1）收縮量匹配控制技術：采用冷卻控溫技術，優(yōu)化上下基層冷卻，并控制截面溫度滲透，減弱不銹鋼和橋梁鋼在控溫區(qū)間內的收縮量差，減小變形及內應力。熱軋態(tài)復合板在隨后的冷卻過程中因收縮系數不同而引起變形，如圖6，在降溫過程中，不銹鋼316L無相變，均為奧氏體組織，橋梁鋼Q370qE由奧氏體轉變?yōu)殍F素體/貝氏體組織。相同冷卻速度下，碳鋼與不銹鋼的相變收縮系數不同，收縮量不同。假設基層與復層的收縮系數分別為SC1、SC2，從終軋后冷至室溫的溫度差分別為Δt1和Δt2。當SC1×Δt1=SC2×Δt2時，基層與復層的收縮量相同不會產生彎曲變形。
圖6 316L和Q370qE相變、膨脹系數及不同降溫速率收縮曲線
（2）大板板形控制技術：采用預熱矯直+兩段式冷卻+熱矯直+冷床冷卻+溫矯直，合理匹配大板相變前、中、后溫度與矯直方式，將冷卻、矯直環(huán)節(jié)統(tǒng)一結合調控，緩解不銹鋼和橋梁鋼的變形不一致，同時，及時、分段釋放大板內應力，保證大板板形，如圖7。
圖7 大板板形控制流程
（3）小板板形控制技術：分板后，采用橫向壓平+冷矯直的方式，先橫向壓平矯直，釋放應力，再通過冷矯直機進行冷矯直，縱向矯直，并釋放應力，保證整板板形，如圖8。
圖8 常溫橫向壓平+冷矯直
產品實物質量具有以下特點：梁結構用不銹鋼復合板不平度≤3mm/m，其中不平度≤1mm/m占比達85%。，如圖9。
圖9 不銹鋼復合板316L+Q370qE不平度
2.2.3 層厚精確控制技術
創(chuàng)新提出層厚精確控制技術，采用層厚比控制技術、過程厚度公差控制技術、軋制過程大板厚度精確控制技術，實現橋梁鋼不銹鋼復合板層厚的精準控制。
（1）層厚比控制技術：通過研究軋制工藝對不銹鋼和橋梁鋼的塑性流動影響規(guī)律，分析軋制工藝參數及原料厚度、公差、磨削量、氧化燒損等與成品厚度之間的量化關系，提出層厚比控制技術。ɑ為橋梁鋼初始厚度，ɑ1為變形后橋梁鋼厚度，β為不銹鋼初始厚度，β1為變形后不銹鋼厚度，則總變形量θ=θɑ+θβ；橋梁鋼變形量θɑ=(ɑ-ɑ1)/(ɑ+β)，不銹鋼變形量θB=(β-β1)/(ɑ+β)，如圖10、11。
圖10 不同熱變形溫度下組元厚比分配曲線 圖11 不同總變形量下厚比分配曲線
（2）過程厚度公差控制：通過研究分析不銹鋼和橋梁鋼原料厚度公差、磨削量、隔離劑厚度、氧化燒損等的影響，提出過程厚度公差控制，如圖12。
圖12 過程厚度精細控制
（3）軋制過程大板厚度精確控制技術：增加軋機端部輥縫動態(tài)調整補償模塊，解決厚規(guī)格鋼板端部因為咬鋼沖擊造成頭部超厚和頸部偏薄的問題，優(yōu)化后復合板大板頭部厚度波動≤0.6mm。開發(fā)寬厚板兩側厚度偏差調整模型，實現兩側輥縫的動態(tài)調整，提高大板橫向厚度精度，減少大板同板厚度偏差，優(yōu)化后復合板大板厚度波動≤0.5mm，如圖13。
圖13 厚度偏差調整
產品實物質量具有以下特點：橋梁結構用不銹鋼復合板厚度公差為0~0.6mm，基層厚度公差為0.3~0.9mm，復層厚度公差為（-0.3，0mm），如圖14、圖15。
圖14 大板長度方向復層厚度分布圖?圖15 復層厚度
三、主要創(chuàng)新性成果
(1)創(chuàng)新提出不銹鋼與橋梁鋼工藝性能協(xié)調控制技術，通過高質量復合坯制備技術、軋制工藝精細控制技術、兩段式冷卻控制技術等，對工藝、組織、性能進行精細調控，解決了工藝性能匹配差的難題，保證高強韌、低屈強比（橫/縱屈強比≤0.83）和晶間腐蝕性能的良好匹配，界面結合率100%，剪切強度≥350MPa。
(2)首次提出板形精確控制技術，采用冷卻控溫技術，控制截面溫度滲透，減小不銹鋼和橋梁鋼在控溫區(qū)間內的收縮量差，減弱內應力；輔以多階段矯直技術，合理匹配大板相變前、中、后溫度與矯直方式，將冷卻、矯直環(huán)節(jié)統(tǒng)一調控，保證大板板形；分板后，采用壓平+冷矯直技術；解決了板形控制難度大的難題，實現成品不平度≤3mm/m，其中不平度≤1mm/m占比達85%。
(3)開發(fā)層厚精確控制技術，通過研究軋制工藝參數對復合板塑性流動的影響規(guī)律，分析軋制工藝參數及原料厚度、公差、磨削量、氧化燒損等與成品厚度之間的量化關系，提出復合板層厚精確控制技術，解決了層厚公差大導致的焊接錯位難題，實現不銹鋼復合板層厚的精準控制，不銹鋼層厚度公差為-0.3~0mm。
經中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會組織的科技成果評價會，評價委員會專家一致認為該成果整體技術達到了國際先進水平。
四、應用情況與效果
為滿足國家重大橋梁工程用鋼的迫切需求，根據市場需求及發(fā)展方向，在前期普通不銹鋼復合板開發(fā)及應用的基礎上，成功開發(fā)新一代橋梁結構用高品質不銹鋼復合板系列產品及其關鍵生產技術，各項性能指標優(yōu)于國標及項目要求，實現橋梁結構用不銹鋼復合板產品的批量生產及穩(wěn)定供貨，具有自主知識產權。
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