微合金化——耐候桥梁钢提质的基石

  在中国，耐候钢的研发始于20世纪60年代。1965年，我国试制成功09MnCuPTi耐候钢。20世纪80年代初期，耐候钢被列入国家重点科技攻关项目以后，得到迅速发展，后来我国相继研制出以09CuPTiRE、09CuPCrNi为代表的耐候钢，并开始大规模生产。但是，耐候桥梁钢尚未得到广泛的推广应用。

  耐候钢性能不断提高

  1989年底，宝鸡桥梁厂制造出三孔耐候钢箱梁，钢号为NH35q，架设在京广线原武汉分局地段的巡司河上。这是我国第一座耐候钢桥。作为试验桥，造桥者将位于桥梁中部的一孔裸露，对其余两孔进行涂装。1992年10月份，这座耐候钢桥架设成功并顺利通车。在长期服役过程中，造桥者对此桥的钢梁进行了多次跟踪观察，发现钢梁顶盖板、两侧板外表形成的锈层呈深棕色，十分致密，用硬物刮擦未见剥离；下底板因受河流蒸发的水汽直接侵蚀，长年处于潮湿状态，未能形成稳定的致密性锈层，锈层疏松易发生剥离。后改为涂装。

  该耐候钢开发成功后，并没有得到广泛应用。究其原因，有以下几点：一是桥梁钢的耐候性在当时并未引起桥梁制造部门的应有重视；二是相关单位未能对NH35q进行强有力的推广；三是钢种开发未能形成系列化，不能满足桥梁工程发展的多种需求。

  随着我国经济的不断发展，在桥梁建造上采用耐候钢的呼声重新引起了桥梁钢研发者的重视。我国以舞钢、鞍钢、宝钢等为代表的钢铁企业开始不断尝试与开拓。相关研究和实验表明，耐候钢具有良好的力学性能、可焊性和耐环境腐蚀性能。桥梁采用耐候钢，与采用普通碳钢相比，其工程造价基本相当或增加很少，而全寿命周期的成本却大大降低。因此，耐候钢值得在钢结构桥梁上大力推广。

  国内耐候钢的性能随着新钢种的不断推出而提高，在化学成分上，碳含量不断下降，碳当量和焊接冷裂纹敏感性系数值不断减小，焊接性能得到不断提高；生产工艺则由淬火+回火向TMCP发展，既降低了生产成本，又缩短了生产周期；组织由回火马氏体和传统的铁素体+珠光体向贝氏体、针状铁素体发展，使钢的强韧性、焊接性、耐候性及加工制作性能都得到了大幅提升。

  高性能耐候桥梁钢研发独辟蹊径

  随着冶金技术的发展，现代高性能耐候桥梁钢通常将碳含量控制在0.08%以下，以提高钢的韧性和焊接性能；添加Cu、Ni、Cr及少量Mo等耐候元素，以提高耐候钢的韧性及耐腐蚀性。

我国高性能耐候桥梁钢研制路线有以下3种：

  一是传统的调质生产工艺路线。如美国桥梁用结构钢标准（ASTMA709/A709M-95）中的70W（碳含量≥0.12%），它对焊接工艺要求较高，需要焊前预热，因此，生产周期较长，成本较高。 

  二是低碳TMCP工艺路线。这种钢中碳含量一般在0.07%~0.11%，虽然不用进行调质处理，但由于碳含量仍然相对较高，在应用中还存在一些问题。如钢板越厚，其焊接敏感性系数越高，在焊接时需要预热，故在采用大线能量焊接时，存在韧性降低的问题。 

  三是超低碳贝氏体钢路线。超低碳贝氏体钢的碳含量严格控制在小于0.05%。因此，其在具有高强度、高韧性、良好焊接性的同时，由于贝氏体组织均匀性较好，微区间电极电位差较小，故耐蚀能力较好。而且这种钢不需要调质处理，降低了生产成本，缩短了生产周期，是当前高强耐候桥梁钢的发展趋势。

  此外，武钢研发的WNQ570钢（Q420qE）耐腐蚀性的设计思路更是以超低碳(小于0.02%)辅之以适宜的Cu、Cr、Ni等耐候性元素配比，经高纯净化处理，并通过适宜的浇注与轧制热处理等工艺，使钢板得到组织均匀性较好的针状铁素体组织，其大气耐腐蚀能力明显增强。

  由于采用低碳、微合金化等成分设计和TMCP或TMCP+T生产工艺，目前，国产高性能耐候桥梁钢更具有明显的组织均匀性和优异的冲击韧性。

  微合金化，让耐候桥梁钢名副其实

  国内研发的高性能耐候桥梁钢，都是通过添加微合金元素，特别是铌元素，来改善其力学性能。从不锈钢中加铌的结果来看，铌对抑制点蚀是有明显效果的。有研究者用交流阻抗法研究了铌钢在海水中的腐蚀行为，结果表明，随腐蚀时间延长，含铌钢腐蚀电位逐渐升高。而不含铌碳钢腐蚀电位保持不变，表明铌钢的耐腐蚀性能优于碳钢；铌钢腐蚀产物比碳钢腐蚀产物致密，其作用相当于在铌钢的表面上形成保护膜。因此，可以说铌对腐蚀有阻止作用，铌微合金化有助于耐候桥梁钢耐腐蚀性能的提升。

  此外，铌在钢中具有明显的细化晶粒作用。例如，鞍钢研究了不同晶粒尺寸对桥梁耐候钢耐候性的影响，同时，研究了不同铌含量对于桥梁耐候钢耐候性的影响。结果表明，细晶粒的桥梁耐候钢耐蚀性较好。这充分证明，铌的晶粒细化作用可以明显提高耐候钢的耐大气腐蚀性能。

  2015年，我国桥梁钢的年用量为240万吨~270万吨，按此推测，如果中国桥梁用耐候钢水平达到日本的平均水平，则我国具有年用量36万吨~40万吨耐候桥梁钢市场潜力，而如果达到美国水平，则具有年用量108万吨~120万吨耐候桥梁钢市场潜力。可见，我国耐候桥梁钢市场潜力还是很大的。