[分享]新型耐候桥梁钢A709 － Gr345W 的研发

随着桥梁钢结构的快速发展及跨海钢桥的建设需求，对桥梁钢的耐候性提出了更为严格的要求。高强桥梁结构用钢具有较优异的耐候性能时，未油漆的桥梁在大气环境下能正常、长期地发挥功能，并可节省整个服役期内的养护维修费用[1-3]。因此，设计部门从耐候桥梁钢安全性与经济性的角度，对耐候桥梁钢的耐候性能的要求非常严格[4-5]。现有设计规范中桥梁钢的设计普遍不考虑耐候性能。大跨度跨海钢桥的发展，要求突破现有规范，开发和应用Gr345W 耐候桥梁钢新材料。

普通Q345 桥梁钢为了获得较高的强度，常用方法是尽可能提高C 和Mn 的含量，以提高材料的淬透性，热轧或控轧后会获得晶粒较为细小的组织[6-7]，但不足之处是低温韧性和耐候性能较差，不足以满足新型耐候桥梁钢的性能需求。因此，需要对Gr345W 钢的化学成分和生产工艺进行探索。借助于传统的09CuPCrNi 耐候钢的冶金方法[8]，本文开发的A709 － Gr345W 新型耐候桥梁钢采用了降C、适当添加Cu、Cr、Ni、P 等耐候元素的成分设计。如何优化生产工艺和化学成分设计，以控制得到均匀的、耐候性能优异的组织，使强度、韧性和耐候性能均满足要求，是需要解决的关键技术问题。

本文对A709 － Gr345W 新型耐候桥梁钢的生产工艺和化学成分设计进行了详细的阐述和深入的研究，并与传统Q345 钢的成分和性能进行了对比分析，为A709 － Gr345W 新型耐候桥梁钢的应用和推广提供了依据。

耐候桥梁钢A709 － Gr345W 的执行标准为ASTM A709M － 11。该标准要求桥梁钢耐大气腐蚀指数I≥6. 0%，即要求桥梁钢具有足够的耐大气腐蚀能力。

该钢的标准成分严格确保了钢材的耐大气腐蚀性，成分见表1。

钢板的交货状态为热轧态或控扎态，钢板力学性能要求见表2。

钢板表面不得有气泡、结疤、拉裂、折叠、夹杂和压入的氧化铁皮，不得有分层; 表面允许有不妨碍表面检查的薄层氧化铁皮、铁锈，由于压入氧化铁皮脱落所引起的不显著的粗糙、划痕、轧辊造成的网纹及其他局部缺陷允许存在，但不得超过厚度公差之半，并应保证钢板的最小厚度。

耐候桥梁钢对钢质的纯净度以及生产过程中的关键环节要求较高。通过采取一系列的工艺控制，研发出了符合ASTM 709M 标准要求的耐候桥梁钢Gr345W。

冶炼过程的工艺控制要点如下:

1) 严格控制钢水的过程温度。

2) 采用将铁水中硫降到0. 005% 脱硫模式，入炉铁水m( S) ≤0. 008，严禁出钢下渣。

3) 终点成分: m( P) ≤0. 012%，m( C) = 0. 11 ～0. 14%，m( S) ≤0. 005%。终点成分合格出钢。

4) 钢包到达钢包精炼炉工位后先加入铝粉或硅铝钙进行渣脱氧，确保造好还原渣。

5) 钢包精炼炉采用白渣操作，白渣保持时间不少于10 min。

1) 开浇炉次采用ST-AP /3 保护渣; 正常浇铸采用包晶钢保护渣。

2) 采用全过程保护浇铸，中间包采用无碳覆盖剂。

3) 保证钢包自流，适时向中间包内加无碳覆盖剂，确保中包钢水不裸露。

4) 第一炉在确保不卷渣的情况下，尽早向中间包内加入无碳覆盖剂。

5) 铸坯堆垛缓冷24 h 后下送。

轧制工艺流程为铸坯验收→铸坯加热→轧机轧制→探伤→热处理( 必要时) →精整→检验入库→发货。轧制的技术关键是要获得合适的基体组织、良好的内外表面质量及严格的尺寸公差。因此，在轧制过程中，需对铸坯的加热和轧制工艺进行严格的控制。

铸坯验收后即进行加热处理，加热温度( 1 250 + 20) ℃，出炉温度( 1 210 + 20) ℃。

铸坯出炉后进行一次高压水除鳞。优先采用横轧展宽( 有利于焊接试板沿轧向取样时HAZ 的冲击性能) 、纵轧到底的轧制方式，特殊情况可采用纵轧到底。轧制分Ⅰ阶段和Ⅱ阶段。Ⅰ阶段轧制允许使用机身高压水除鳞，Ⅱ阶段轧制允许使用一次机身高压水除鳞。Ⅰ阶段粗轧温度控制在1 130 ～ 1 050℃; Ⅱ阶段精轧温度控制在830 ～ 950 ℃。

工业生产A709 － Gr345W 耐候桥梁钢的化学成分见表3。可以看出，工业生产的A709 － Gr345W耐候桥梁钢化学成分控制精确，满足A709 耐候桥梁的相关技术要求。

工业生产A709 － Gr345W 耐候桥梁钢的力学性能见表4。可以看出，工业生产的A709 － Gr345W耐候桥梁钢综合力学性能优异，满足A709 耐候桥梁的相关技术要求。

A709 － Gr345W 耐候桥梁钢的主要技术标准执行ASTM A709M － 11。为了保证新型Gr345W 耐候桥梁钢既具有优异的基本力学性能，同时又具有良好的耐候性能，需要进行优化的成分设计。Cu、P、Cr、Ni 作为耐候元素，适当添加可以显著提高材料在大气中的耐蚀性能。因此，新型Gr345W 耐候桥梁钢应该适当添加上述耐候元素。

A709 － Gr345W 耐候桥梁钢和传统Q345 钢的化学成分( 耐候指数) 和力学性能指标对比见表5和表6。

与传统的Q345 钢相比，Gr345W 耐候钢虽然强度略低，但是具有更为优异的低温韧性和耐候性能，这与Gr345W 耐候钢中Cu、Ni、Cr、P 等耐候元素的添加和C 含量的适当减少密切相关。

将Gr345W 耐候钢加热到临界转变温度780 ℃左右，测得Gr345W 耐候钢的连续冷却转变显微组织如下: 冷却速度为0. 15 ℃ /s 时，室温转变产物只有铁素体和珠光体，如图1a 所示; 冷却速度15 ℃ /s时相变产物为贝氏体+ 粒状贝氏体+ 针状铁素体，主要为贝氏体，如图1b 所示; 在45 ℃ / s 时，组织基本转变为板条贝氏体少量准多边形铁素体，如图1c 所示。一般来说，提高粒状贝氏体在钢中的比例，可以改善耐侯钢的韧性，提高冷却速度有利于增加板条贝氏体所占的体积分数。为了使Gr345W 力学性能达到最佳，将其加热到临界转变温度780 ℃左右，冷却速度控制在10 ～ 45 ℃ /s。

1) 通过合理的成分控制及工艺设计，研发的A709 － Gr345W 耐候桥梁钢的强度、塑性、耐候性能、低温韧性等指标良好。满足A709 的技术要求。

2) 与传统Q345 钢相比，研发的A709 － Gr345W耐候桥梁钢具有更为优异的耐候性能和低温韧性。

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