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一、研究的背景與問題

隨著國家交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的深入實(shí)施，以高速公路、高速鐵路為主干的國民經(jīng)濟(jì)大動脈建設(shè)不斷刷新著橋梁工程史的“世界之最”，一項(xiàng)項(xiàng)世界級工程難題被攻克，這離不開包括鋼鐵工業(yè)在內(nèi)的整體制造業(yè)的巨大進(jìn)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(jié)構(gòu)的防銹防腐問題越來越突出。常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)件一般采用整體涂裝的方式進(jìn)行防腐，但橋面板（鋼箱梁頂板）無法進(jìn)行涂裝防腐，需定期維修更換。

橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板是以不銹鋼與橋梁鋼通過熱軋結(jié)合而成的復(fù)合鋼板，兼具不銹鋼良好的耐蝕性及橋梁鋼良好的強(qiáng)韌性，實(shí)現(xiàn)低成本和高性能的完美結(jié)合。新一代橋梁，采用橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板替代橋梁鋼板來制造橋面板，可解決橋面板腐蝕、維護(hù)成本高等問題。

近年來，橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板用量越來越大，一方面，對界面結(jié)合性能、強(qiáng)韌性、屈強(qiáng)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(zhuǎn)變，對不銹鋼復(fù)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(fù)合板已無法很好的滿足橋梁設(shè)計及制造要求。對于新一代橋梁結(jié)構(gòu)用高品質(zhì)不銹鋼復(fù)合板，其性能及使用要求高，技術(shù)難度大，面臨諸多挑戰(zhàn)，主要有三個技術(shù)難題。①不銹鋼與橋梁鋼性能協(xié)調(diào)匹配難題：不銹鋼和橋梁鋼生產(chǎn)工藝窗口不一致，其對結(jié)合性能、強(qiáng)韌性、屈強(qiáng)比、晶間腐蝕之間的性能，難以良好協(xié)調(diào)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(yīng)力及熱應(yīng)力，導(dǎo)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(chǎn)過程中，不銹鋼與橋梁鋼層厚波動較大，不銹鋼復(fù)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(shù)方案

2.1解決問題的思路

本項(xiàng)目從橋梁行業(yè)應(yīng)用需求出發(fā)，針對橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板工藝性能難協(xié)調(diào)、板形差、層厚公差大等問題，在行業(yè)內(nèi)率先開展橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)。采用理論研究、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和工業(yè)化大生產(chǎn)相結(jié)合，研制出性能匹配優(yōu)良、平直度高、厚度公差小的高品質(zhì)橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板，最終形成制坯、軋制、冷卻、矯直等一整套橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)。

2.2技術(shù)方案

2.2.1 不銹鋼與橋梁鋼工藝性能協(xié)調(diào)控制技術(shù)

創(chuàng)新提出不銹鋼與橋梁鋼工藝性能協(xié)調(diào)控制技術(shù)，采用高質(zhì)量復(fù)合坯制備技術(shù)+軋制工藝精細(xì)控制技術(shù)+兩段式冷卻控制技術(shù)，解決了不銹鋼和橋梁鋼工藝性能難協(xié)調(diào)統(tǒng)一的難題。

（1）高質(zhì)量復(fù)合坯制備技術(shù)：復(fù)合坯質(zhì)量是影響復(fù)合板結(jié)合性能的重要因素之一。在復(fù)合坯制備上，合理匹配橋梁鋼和不銹鋼表面粗糙度、復(fù)合坯四周封焊質(zhì)量、復(fù)合坯真空度、封口質(zhì)量等，保證高質(zhì)量的復(fù)合坯，為優(yōu)良的結(jié)合強(qiáng)度提供基礎(chǔ)保障。如圖1，為壓下量、粗糙度與復(fù)合板界面結(jié)合性能關(guān)系圖。如圖2，復(fù)合坯真空度對界面結(jié)合質(zhì)量的影響。

圖1 不同粗糙度不同變形率316L+Q370qE的強(qiáng)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(xì)控制技術(shù)：粗軋階段，利用粗軋機(jī)在線冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線冷卻+大壓下軋制，同時輔以縱橫縱軋制，協(xié)調(diào)變形、溫度與軋制方式，保證優(yōu)良的結(jié)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(chǎn)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(jié)合界面不產(chǎn)生因延伸率不同而引起的滑動，如圖3。精軋階段，在非再結(jié)晶區(qū)軋制階段，嚴(yán)格控制各軋制工藝參數(shù)，避開敏化區(qū)軋制，保證復(fù)合板具有良好的強(qiáng)、韌性，同時降低屈強(qiáng)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(shù)：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(shè)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(qiáng)、韌性的同時降低屈強(qiáng)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(shù)

首次提出板形精確控制技術(shù)，采用收縮量匹配控制技術(shù)、大板板形控制技術(shù)、小板板形控制技術(shù)，解決了不銹鋼、橋梁鋼的物理特性不一致，導(dǎo)致復(fù)合板冷卻過程中存在較大的相變應(yīng)力及熱應(yīng)力，易產(chǎn)生波浪、翹扣頭、瓢曲等板形問題。

（1）收縮量匹配控制技術(shù)：采用冷卻控溫技術(shù)，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(nèi)的收縮量差，減小變形及內(nèi)應(yīng)力。熱軋態(tài)復(fù)合板在隨后的冷卻過程中因收縮系數(shù)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(zhuǎn)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(shù)不同，收縮量不同。假設(shè)基層與復(fù)層的收縮系數(shù)分別為SC1、SC2，從終軋后冷至室溫的溫度差分別為Δt1和Δt2。當(dāng)SC1×Δt1=SC2×Δt2時，基層與復(fù)層的收縮量相同不會產(chǎn)生彎曲變形。

圖6 316L和Q370qE相變、膨脹系數(shù)及不同降溫速率收縮曲線

（2）大板板形控制技術(shù)：采用預(yù)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(jié)合調(diào)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(nèi)應(yīng)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(shù)：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(yīng)力，再通過冷矯直機(jī)進(jìn)行冷矯直，縱向矯直，并釋放應(yīng)力，保證整板板形，如圖8。

圖8 常溫橫向壓平+冷矯直

產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量具有以下特點(diǎn)：梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板不平度≤3mm/m，其中不平度≤1mm/m占比達(dá)85%。，如圖9。

圖9 不銹鋼復(fù)合板316L+Q370qE不平度

2.2.3 層厚精確控制技術(shù)

創(chuàng)新提出層厚精確控制技術(shù)，采用層厚比控制技術(shù)、過程厚度公差控制技術(shù)、軋制過程大板厚度精確控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)橋梁鋼不銹鋼復(fù)合板層厚的精準(zhǔn)控制。

（1）層厚比控制技術(shù)：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(shù)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(guān)系，提出層厚比控制技術(shù)。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(xì)控制

（3）軋制過程大板厚度精確控制技術(shù)：增加軋機(jī)端部輥縫動態(tài)調(diào)整補(bǔ)償模塊，解決厚規(guī)格鋼板端部因?yàn)橐т摏_擊造成頭部超厚和頸部偏薄的問題，優(yōu)化后復(fù)合板大板頭部厚度波動≤0.6mm。開發(fā)寬厚板兩側(cè)厚度偏差調(diào)整模型，實(shí)現(xiàn)兩側(cè)輥縫的動態(tài)調(diào)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(fù)合板大板厚度波動≤0.5mm，如圖13。

圖13 厚度偏差調(diào)整

產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量具有以下特點(diǎn)：橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板厚度公差為0~0.6mm，基層厚度公差為0.3~0.9mm，復(fù)層厚度公差為（-0.3，0mm），如圖14、圖15。

圖14 大板長度方向復(fù)層厚度分布圖?圖15 復(fù)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(diào)控制技術(shù)，通過高質(zhì)量復(fù)合坯制備技術(shù)、軋制工藝精細(xì)控制技術(shù)、兩段式冷卻控制技術(shù)等，對工藝、組織、性能進(jìn)行精細(xì)調(diào)控，解決了工藝性能匹配差的難題，保證高強(qiáng)韌、低屈強(qiáng)比（橫/縱屈強(qiáng)比≤0.83）和晶間腐蝕性能的良好匹配，界面結(jié)合率100%，剪切強(qiáng)度≥350MPa。

(2)首次提出板形精確控制技術(shù)，采用冷卻控溫技術(shù)，控制截面溫度滲透，減小不銹鋼和橋梁鋼在控溫區(qū)間內(nèi)的收縮量差，減弱內(nèi)應(yīng)力；輔以多階段矯直技術(shù)，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(diào)控，保證大板板形；分板后，采用壓平+冷矯直技術(shù)；解決了板形控制難度大的難題，實(shí)現(xiàn)成品不平度≤3mm/m，其中不平度≤1mm/m占比達(dá)85%。

(3)開發(fā)層厚精確控制技術(shù)，通過研究軋制工藝參數(shù)對復(fù)合板塑性流動的影響規(guī)律，分析軋制工藝參數(shù)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(guān)系，提出復(fù)合板層厚精確控制技術(shù)，解決了層厚公差大導(dǎo)致的焊接錯位難題，實(shí)現(xiàn)不銹鋼復(fù)合板層厚的精準(zhǔn)控制，不銹鋼層厚度公差為-0.3~0mm。

經(jīng)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(rèn)為該成果整體技術(shù)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

四、應(yīng)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(jù)市場需求及發(fā)展方向，在前期普通不銹鋼復(fù)合板開發(fā)及應(yīng)用的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)新一代橋梁結(jié)構(gòu)用高品質(zhì)不銹鋼復(fù)合板系列產(chǎn)品及其關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)于國標(biāo)及項(xiàng)目要求，實(shí)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)用不銹鋼復(fù)合板產(chǎn)品的批量生產(chǎn)及穩(wěn)定供貨，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。