科技新进展桥梁结构用不锈钢复合板关键技术开发及应用

一、研究的背景与问题 随着国家交通强国战略的深入实施，以高速公路、高速铁路为主干的国民经济大动脉建设不断刷新着桥梁工程史的“世界之z”，一项项工程难题被这离不开包括钢铁工业在内的整体制造业的巨大进步。我国桥梁向大跨度、重载荷、轻量化方向发展，对桥梁安全性、长寿命要求的不断提高，钢结构的防锈防腐问题越来越突出。常规桥梁结构件一般采用整体涂装的方式进行防腐，但桥面板（钢箱梁顶板）无法进行涂装防腐，需定期维修更换。 桥梁结构用不锈钢复合板是以不锈钢与桥梁钢通过热轧结合而成的复合钢板，兼具不锈钢良好的耐蚀性及桥梁钢良好的强韧性，实现低成本和的结合。新一代桥梁，采用桥梁结构用不锈钢复合板替代桥梁钢板来制造桥面板，可解决桥面板腐蚀、维护成本高等问题。 近年来，桥梁结构用不锈钢复合板用量越来越大，一方面，对界面结合性能、强韧性、屈强比、腐蚀等性能要求越来越高；另一方面，桥梁制造向自动化转变，对不锈钢复合板的使用要求也在不断提高，如不平度、厚度公差等，普通不锈钢复合板已无法很好的满足桥梁设计及制造要求。对于新一代桥梁结构用不锈钢复合板，其性能及使用要求高，技术难度大，面临诸多挑战，主要有三个技术难题。①不锈钢与桥梁钢性能协调匹配难题：不锈钢和桥梁钢生产工艺窗口不一致，其对结合性能、强韧性、屈强比、晶间腐蚀之间的性能，难以良好协调匹配；②板形控制难题：不锈钢与桥梁钢的物理特性不一致，在轧制、冷却过程中存在较大的相变应力及热应力，导致板形难以控制；③层厚控制难题：不锈钢与桥梁钢的高温流变特性不同，在生产过程中，不锈钢与桥梁钢层厚波动较大，不锈钢复层厚度难以控制，层厚公差大。 二、解决问题的思路与技术方案 2.1解决问题的思路 本项目从桥梁行业应用需求出发，针对桥梁结构用不锈钢复合板工艺性能难协调、板形差、层厚公差大等问题，在行业内开展桥梁结构用不锈钢复合板产品关键技术开发。采用理论研究、实验室实验和工业化大生产相结合，研制出性能匹配优良、平直度高、厚度公差小的桥梁结构用不锈钢复合板终形成制坯、轧制、冷却、矫直等一整套桥梁结构用不锈钢复合板的关键生产技术。 2.2技术方案 2.2.1 不锈钢与桥梁钢工艺性能协调控制技术提出不锈钢与桥梁钢工艺性能协调控制技术，采用高质量复合坯制备技术+轧制工艺精细控制技术+两段式冷却控制技术，解决了不锈钢和桥梁钢工艺性能难协调统一的难题。 （1）高质量复合坯制备技术：复合坯质量是影响复合板结合性能的重要因素之一。在复合坯制备上，合理匹配桥梁钢和不锈钢表面粗糙度、复合坯四周封焊质量、复合坯真空度、封口质量等，保证高质量的复合坯，为优良的结合强度提供基础保障。如图1，为压下量、粗糙度与复合板界面结合性能关系图。如图2，复合坯真空度对界面结合质量的影响。 图1 不同粗糙度不同变形率316L+Q370qE的强度变化及断裂情况 图2 不同真空度下316L+Q370qE的界面氧化情况 （2）轧制工艺精细控制技术：粗轧阶段，利用粗轧机在线冷却系统，实现在线冷却+大压下轧制，同时辅以纵横纵轧制，协调变形、温度与轧制方式，保证优良的结合性能。利用温度对材料变形力的影响，制造桥梁钢层和不锈钢层的温度差，通过产生温度差来减小轧制时变形力差，以得到相近的轧制延伸率，使其轧制时结合界面不产生因延伸率不同而引起的滑动，如图3。精轧阶段，在非再结晶区轧制阶段，严格控制各轧制工艺参数，避开敏化区轧制，保证复合板具有良好的强、韧性，同时降低屈强比、晶间腐蚀敏如图4、图5。 图3 高温变形力（左为桥梁钢，右为不锈钢） 图4 两阶段轧制与两阶段冷却示意图 图5 奥氏体不锈钢晶间腐蚀敏感温度-时间曲线 （3）两段式冷却控制技术：通过研究温度、冷速对桥梁钢相变和不锈钢敏化的影响，同时考虑膨胀量，提出两段式冷却概念，通过设置冷却装置不同区域水量来控制冷却过程中不同温度段的冷速，从而获得贝氏体+铁素体的双相组织，在兼顾强、韧性的同时降低屈强比，并避化温度区间，保证优良的晶间腐蚀性能。 2.2.2 板形控制技术提出板形控制技术，采用收缩量匹配控制技术、大板板形控制技术、小板板形控制技术，解决了不锈钢、桥梁钢的物理特性不一致，导致复合板冷却过程中存在较大的相变应力及热应力，易产生波浪、翘扣头曲等板形问题。 （1）收缩量匹配控制技术：采用冷却控温技术，优化上下基层冷却，并控制截面温度渗透，减弱不锈钢和桥梁钢在控温区间内的收缩量差，减小变形及内应力。热轧态复合板在随后的冷却过程中因收缩系数不同而引起变形，如图6，在降温过程中，不锈钢316L无相变，均为奥氏体组织，桥梁钢Q370qE由奥氏体转变为铁素体/贝氏体组织。相同冷却速度下，碳钢与不锈钢的相变收缩系数不同，收缩量不同。假设基层与复层的收缩系数分别为SC1、SC2，从终轧后冷至室温的温度差分别为Δt1和Δt2。