宝钢耐大气腐蚀钢产品开发的回顾、现状及展望

宝钢耐大气腐蚀钢产品开发的回顾、现状及展望

李自刚 温东辉 钱余海 杨阿娜

(宝山钢铁股份公司技术中心，上海，201900)

摘 要：耐候钢是宝钢的一类重要产品。本文回顾了宝钢耐候钢产品开发的历程，简要介绍了耐候钢品种开发的现状，提出今后宝钢耐候钢产品开发应向高强化、厚板化和多样化发展的方向。

关键词：耐候钢；宝钢；产品开发

1 前言

腐蚀，特别是在大气中的腐蚀(锈蚀)，是钢铁材料的主要破坏形式之一，世界上每年约有1／6年产量的钢材因腐蚀而损耗。据有关部门统计，我国每年因钢材锈蚀造成的直接经济损失超过100亿元^[1]；而为防锈蚀所采取的诸如打磨、涂装等措施所需要的费用更是占到工程投资总费用的相当比例。因此，防止或者减缓钢铁材料在大气中的腐蚀的重要性是不言而喻的。采用不锈钢能有效防止锈蚀，但大规模使用其成本高得难以承受，而且不锈钢的力学性能和焊接性能也很难满足各种工程的需要。耐候钢就是在这样的背景下应运而生的。耐候钢即耐大气腐蚀钢，其特点是在钢中加入少量Cu、P、Cr、Ni等合金元素，使钢铁材料在锈层和基体之间形成一层约50～100μm厚的致密且与基体金属粘附性好的非晶态尖晶石型氧化物层。由于这层致密氧化物膜的存在，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，从而大大提高了钢铁材料的耐大气腐蚀能力^[2]。并且，由于锈层的稳定，使得非裸露用耐候钢的涂装层不易脱落。研究表明，依耐候钢成分不同，钢构件使用环境不同，耐候钢的抗大气腐蚀能力可比普通钢提高2～8倍，涂装性可提高1.5～10倍。

耐候钢的研究始于美国，其二十世纪三十年代开发的Cor-Ten系列耐候钢为各国仿制并沿用至今。由于耐候钢相对于普通钢的抗大气腐蚀的有效性和相对于不锈钢的经济性，耐候钢在世界各国得到了迅速发展，在Cor-Ten系列基础上，各钢铁大国根据资源和使用要求都开发了品种繁多的耐候钢系列。总的来说，目前的耐候钢都是以Cor-Ten为基础，有的加入微合金化元素，提高强度，美国的Mayari-R钢，耐蚀性是普通钢的3～6倍，日本的加铌钢River-Ten，日本的加钛钢Hi-YAW-Ten等等。有的是去掉Cor-Ten钢中的磷、或镍、或铬，改加其它元素。铜是耐候钢中最重要的元素，很少有耐候钢不含铜。由于磷元素的易形成低熔点化合物和磷元素的偏聚特性，较厚规格高磷含量耐候钢的焊接性能和低温冲击性能难以满足工程需要，因此，一般焊接结构用耐候钢将P的含量加以限制，而由此带来的耐蚀性和强度等方面的损失则以加入其它元素来弥补，如英国降低磷含量提高锰量的BS968钢，降低磷量加入钛的有前苏联的HM钢，降低磷量提高硅量的有前苏联的10CrSiNiCu钢等，日本的JIS SMA41系列钢是采用降磷提锰，美国的Cor-Ten B是降磷提高锰含量和加入钒等等^[3,4]。

我国开发耐候钢品种起步较晚，1961年鞍钢开始研制16MnCu，又结合国内资源特点研制了一批含铜、磷、钛及稀土等元素的耐候钢。1969年武汉钢铁公司、铁道部科学研究院、齐齐哈尔车辆厂曾共同研制09MnCuPTi制造铁路货车。1978年以后，开始采用镍和铬等元素仿制国外耐大气腐蚀钢。武钢与有关科研院所从1965年起选择了19种含铜钢及含稀土、钛、锰等元素的低合金钢，在我国不同环境条件下进行了7个周期长达15年的大气暴露试验，积累了一批可靠的数据，对进一步发展我国耐候钢奠定了良好的基础^[5]。

2 宝钢耐候钢品种开发回顾

2.1 铁路车辆用钢

宝钢耐候钢品种的开发始自铁道部车辆对钢材耐大气腐蚀的需求，宝钢一期工程1985年9月投产的时候，尽管还没有热轧和冷轧生产线，但耐候钢研制课题小组已开始组建，并与铁道部有关单位、车辆厂等建立了关系，了解需求、探讨发展、交流技术，共同开发耐候钢品种系列。

1988年～1990年，宝钢研制成功与日本耐候钢NAW系列相当的。B490NQR，在工艺上采用了铁水预脱硫及钢水精炼等先进技术，使该品种有良好的韧性、延性、焊接性等，用作铁路货车的制造，获得成功。几乎在同时，宝钢又开发出冷轧Cu-P耐候钢B460NQ，用作铁路客车车厢制造，获得成功。这两个品种的开发成功和用户使用成功，为宝钢产销研各部门积累了耐候钢经验。

根据铁道部对高耐候钢的需求，宝钢在199l～1994年研制了与美国Cor-Ten A相对应的Cu-P-Cr-Ni系的高耐候钢，B480CNQR就是这一时期的产物。该钢种首先用于要求较高的铁道客货车和铁道集装箱，获得成功。这一钢种最终成为宝钢占领国内集装箱板市场、打破集装箱行业钢材依赖进口的高附加值产品。这时期还开发了CuPCrNi系的冷轧高耐候钢B450NQ，也成功用于铁道客车和地铁客车的制造，特别是成功用于长春客车厂中标的伊朗地铁车的车厢外板、顶板和地板。

1980年之后，宝钢开始按照铁道部标准研制稀土处理的Cu-P系耐候钢09CuPTiRE，并为之专门开发了三台新型喂丝机及先进的喂丝工艺，经过一年多的努力，宝钢09CuPTiRE以其良好的质量、稳定的性能得到了车辆厂的好评。同一时期，按照铁道部标准，宝钢还开发了与B480GNQR、B450NQ属同类钢的09CuPCrNi和05CuPCrNi等。1999年5月，由铁道部车辆局装备部主持，宝钢邀请铁道部耐候钢认证小组、铁道部运输局、物资总公司、工业总公司、铁科院、铁道部各车辆厂对宝钢铁道车辆用耐候钢进行了认证，宝钢耐候钢至此取得了进入铁道行业的许可证，市场机会得到了极大加强。

2.2 集装箱用耐候钢

近几年，集装箱制造行业以惊人的速度向中国大陆转移，到2001年，已有世界90％以上的集装箱在国内生成，为国家创汇28亿美元，成为一个对我国国民经济有重要影响的行业。当初，集装箱制造业在我国新兴时，完全依赖从国外进口钢材和半成品，在国内组装。正是由于宝钢成功开发集装箱用钢B480GNQR，才实现了集装箱的国产化，加快了这一行业向中国转移的过程。

前面提到，B480GNQR是与美国Cor-Ten A钢相当的CuPCrNi系高耐候钢，宝钢研制该钢种开始是为了铁路车辆制造。经过成分和工艺的适当调整，B480CNQR成功用于集装箱制造业，其生产量迅速扩大，特别是宝钢攻克2.0mm和1.6mm厚度规格B480CNQR轧制难关后，1997、1998、1999年的年产量分别达45万吨、53.6万吨、85万吨，2000年更是达到创记录的92.7万吨，为宝钢创造了巨大的经济效益。

2.3 其它耐候钢

实际上，耐候钢的应用领域远不止铁道车辆和集装箱领域，在宝钢二期投产后，开发的耐候钢产品还包括耐硫酸露点腐蚀钢、有深冲性能的公路客车用耐候钢、灰浆输送管用耐磨蚀耐候钢和轻钢结构用建筑耐候钢等。

3 宝钢耐候钢产品研究的现状

3.1 铁道车辆用钢

3.1.1 传统铁道车辆用钢质量的改进

经过多年的选择试用，铁道车辆用耐候钢逐渐集中在09CuPTiRE、09CuPCrNi和05CuPCrNi等几个品种上面。并且，铁道部以铁路用钢标准的形式对成分、性能及交货状态予以规定。2000年7月和2001年3月，铁道部分别发布了铁道车辆用耐候钢供货技术条件和对其作部分修改的“3月通知”，提出了稀土含量、低温冲击韧性、屈强比和金相检验等严格的指标，显示出铁道部对耐候钢系列产品的技术要求大幅度提高。

为了维持宝钢在铁道车辆用钢市场的优势地位，稳定宝钢铁道车辆用耐候钢的供货质量，2000年以来的研究工作主要集中在如何满足不断提高的铁路标准上。

对于09CuPTiRE，首先要解决的问题是稀土加入量。随着现在炼钢水平的提高，硫含量已经能够控制在较低水平，稀土的加入是否对钢铁耐腐蚀性能有促进也存在争议，因此钢铁材料的稀土处理已很难讲是一种提高耐候钢质量的先进而有效的手段了。但铁道部规定从2002年7月起将09CuPTiRE中的稀土加入量改为稀土含量，提高了要求。由于宝钢和其它钢厂一样，存在着稀土丝质量(如断丝)、稀土在钢中分布的偏析等问题，导致检测出的稀土量不足，造成了稀土含量不足的板坯库存。虽然经过努力，稀土含量命中率正逐步提高，但此问题尚未得到根本解决。目前，正在探讨将结晶器喂稀土改为RH炉喂稀土的新工艺，但还需考虑水口结瘤等问题。09CuPTiRE目前最厚做到14mm，接近高P含量焊接耐候钢的极限规格，通过多次的成分和工艺调整，解决了低温冲击和焊接性能的要求。

09CuPCrNi不存在加稀土问题，性能也一直比较稳定。2001年下半年开始，铁路车辆出现以相对较高强度的Cu-P-Cr-Ni系高耐候钢取代09CuPTiRE，以达到铁路车辆减重和延长使用寿命的目的。宝钢在较短时间内试制成功该钢种，并将规格从原来09CuPCrNi的6mm扩展到12mm，在国内率先提供低温冲击和焊接性能优良的厚规格09CuPCrNi-A供齐齐哈尔车辆厂试制新车型获得成功。宝钢技术中心还派专人到该厂跟踪和指导焊接加工。该厂用宝钢09CuPCrNi-A试制的新车型已经通过铁道部认证。09CuPCrNi-A厚规格试制成功后，该钢种新试订货量大幅攀升，有取代09CuPTiRE成为当前铁路车辆用钢的主导钢种之势。

3.1.2 高强度铁道车辆用钢

近年来，铁道部在原有设施的基础上，对火车速度进行了三次较大幅度的提高。火车提速后必然对铁路路基等设施的要求提高，而铁道部不希望提速以牺牲火车载重量为代价。在这种情况下，减轻铁道车辆自重，降低铁道车辆自重系数是必然的。而减轻车辆自重的有效措施之一就是采用高强度铁道车辆用钢。铁道部对采用高强度高耐候钢制造铁道车辆十分重视，200 L年10月和2002年3月分别在宝钢和武钢召开了有铁道部部委、车辆厂和相关钢铁厂参加的研讨会，专题讨论和部署了高强度铁道用钢的研制和应用工作。作为国内最大铁道车辆用钢供应商的宝钢迅速作出反应，开始研制新一代高强度高耐候铁道车辆用钢。

根据铁道部减重的要求，新一代高强都铁道车辆用钢强度级别定在屈服强度400-500MPa，同时要求高耐候、较低屈强比、良好的焊接性能和疲劳性能等。基于这样的要求，宝钢开发了与以往Cu-P-Cr-Ni高耐候钢成分体系不同的高强度高耐候钢系列，屈服强度级别为400MPa、450MPa和500MPa。2003年初，宝钢第一批2000吨性能合格的Q400NQRl和Q450NQRl高强度铁道车辆用钢交付用户试用。这是宝钢第一次批量生产高强度耐候钢，也是用户第一次批量使用高强度耐候钢。同时，宝钢受铁道部委托，在宝钢技术中心办培训班，就高强度耐候钢性能及用户使用技术集中培训国内各大车辆厂技术人员，取得良好效果。经齐齐哈尔车辆厂使用结果表明，宝钢高强度耐候钢有着优良的焊接性能、成形性能和低温冲击性能，满足使用要求。铁道部科学院评定宝钢高强度耐候钢的耐候性能与传统高耐候钢相当，见图1。截止到2003年9月，高强度铁路用钢累计供货近20000吨。同时，宝钢还开发了以上两个级别高强度铁道车辆用钢的配套焊接材料。

2003年上半年，在Q400NQRl和Q450NQRl的基础上，根据市场需要，宝钢先后试制成功屈服强度550MPa和屈服强度700MPa的高强度耐候钢Q550NQRl和Q700NQRl，其中Q550NQRl已经开始小批量生产。至此，宝钢高耐候钢形成了屈服强度290MPa一屈服强度。700MPa的系列，能够满足不同用户的使用要求。

3.2 集装箱用钢

高强度热轧钢板应用于运载工具、工程机械等领域，减轻了重量，减少了燃料消耗，降低了运输成本，代表了结构用钢的发展趋势。国内多家箱厂已经开始试用700Mpa级高强集装箱板，而目前，进口700Mpa级高强度集装箱板到岸价700-800美元／吨，大大超过普通箱板(290美元／吨)，是典型的高技术高附加值产品。高强度集装箱板的特点是不仅要求强度高，屈服强度大于700Mpa，抗拉强度800Mpa左右，还要求有与普通箱板(屈服强度350—400Mpa)相当的焊接性能、冷成形性能、打砂性能和油漆涂装性能。以热轧态交货的热轧板要达到屈服强度大于700Mpa，必须在生产过程中实现细晶强化、相变强化和析出强化等的最大限度的综合，同时还必须适应宝钢的设备生产能力，研发难度很大。

通过努力，宝钢技术人员找到了合理的工艺路线，掌握了关键生产技术，试制成功屈服强度700MPa级高强度集装箱板BS700MC并实现批量生产。经用户试用，其成形性能、焊接性能和涂装性能等可与国外产品性能相当。表1和表2给出了宝钢高强度集装箱用钢与国外同类产品的力学性能对比。在试制成功BS700MC之后，通过市场调研发现，屈服强度600MPa的热轧高强度板在工程机械等领域有广泛的应用前景。同时，由于屈服强度700MPa的BS700MC相对于宝钢其它热轧产品强度跨度太大，缺少中间级别产品，给钢种改判和生产计划编排等带来困难。基于以上两方面的需求，在BS700MC的基础上，2001年年底开发成功屈服强度为600MPa的BS600MC。

目前，BS700M(二主要用于集装箱制造。BS600MC主要用于工程机械、特种汽车、火车车厢、保险柜等结构件制造。经历了2001年的试制成功、2002年的市场推广过程，宝钢BS高强度热轧板系列逐渐得到市场认可，用户群扩大到数十家，新试量不断上升，形成了一个全面替代进口的趋势。同时，根据市场的需要，宝钢高强热轧板的规格不断扩大，现在，宝钢已经可以生产最宽1600mm、最厚13mm的BS700MC和BS600MC。

3.3 建筑用耐火耐候钢

建筑用耐火耐候钢的市场发展与建筑钢结构在国内的推广是分不开的。由于钢结构的优越性，如高强高韧性、抗震、轻质而减轻地基的造价、低成本、不消耗土木、可工厂化预制、可拼装、可拆卸、建筑工期短等等，以及国内对应用建筑钢结构观念的改变，建筑行业预测国内建筑市场将迎来钢结构的迅猛发展。钢结构用于建筑的致命弱点就是其耐火和耐腐蚀性能不如传统建筑结构。而使用耐火耐候钢则正好可以弥补这些弱点，减少或不使用耐火或耐腐蚀包覆系统，从而大大节省物力和人力、减少污染、缩短工期、增加建筑有效面积等，是一种具有“绿色环保”、可持续发展的经济类钢材。可以肯定，随着建筑钢结构在我国的发展，耐火耐候钢应具有较大市场潜力的。耐火钢根据其热强化机理，分为智能型(含Nb)和固溶型两种。宝钢开发含Nb建筑用耐火耐候钢的目的就是增加钢的高温强度和耐大气腐蚀性。其特点是耐火性、耐候性和低屈强比。耐大气腐蚀性能为普通钢的2～8倍，并可提高涂装性，涂在耐候钢上的涂层的失效年限远长于普通钢。

加速腐蚀试验见图2和图3。耐火性与日本的FR钢相当，可使600℃时屈服强度下降不大于规定的室温屈服强度标准的1／3，见图4。由此可以减少防火涂料和防火包覆的使用，从而减少污染、缩短工期、增加建筑有效面积、降低成本且减少防腐维护。为了保证抗震性，宝钢耐火耐候钢具有国家建筑行业规范要求的高层建筑用钢所具有的低屈强比。同时，为保证建筑用焊接H型钢和冷弯型钢的加工，宝钢耐火耐候钢具有优良的低温冲击性能(见图5)、焊接性能和加工成形性能。目前，宝钢已经向位于上海南京东路的高层住宅中福工程提供建筑用耐火耐候钢5000余吨(B490RNQ，其常温力学性能相当于国标Q345B)，其耐火性经中福工程用钢构件在天津国家固定灭火系统和质量监督检验中心的耐火试验，确认了宝钢的建筑用耐火耐候钢具有优良的耐火性能。按国家标准要求，高层建筑构件的最高耐火极限要达到3小时。用普通钢制作的构件达到3小时的耐火极限(即1100℃高温下，经过3小时构件变形小于40mm)，其防火包覆的厚度至少大于100mm。而用宝钢耐火耐候钢制作的构件，构件的防火包覆的厚度减少了1／2以上，而且经过4小时的1100℃高温承载试验后没有任何变形，超过了建筑消防的最高要求。这一结果得到了有关建筑专家的高度评价。

2003年，宝钢累计向山东万事达住宅工程、北京财富大厦工程、北京摩根银行工程提供耐火耐候钢近10000吨。

4 宝钢耐候钢产品开发展望

耐候钢的耐大气腐蚀性能和经济性决定了耐候钢是有生命力的钢铁材料。社会的发展和科学的技术进步对耐候钢产品的性能和质量提出了更高的要求，不断变化的市场也在呼唤更加价廉物美、用途更加广泛的耐候钢品种。

根据对宝钢设备特点、国内外耐候钢品种及有关市场情况分析，初步认为今后宝钢耐候钢品种开发要注意以下几个方面：

(1)耐候钢的高强度化

对于制造车辆部件、集装箱和其他移动设备而言，采用高强度耐候钢增强减重，会使产品生产成本降低、有效载荷提高，能源消耗减少等，是耐候钢最重要的发展方向。但耐候钢高强化的同时，需考虑刚度问题，并要根据用户的使用要求保证成形性能、焊接性能、低温冲击性能和疲劳性能等。

(2)耐候钢的厚板化

耐候钢厚板在桥梁和建筑钢结构、工程机械及矿山机械等领域应用广泛。其生产和使用与薄板完全不同，需重新考虑成分、工艺体系及用户使用技术。宝钢厚板轧机投产在即，这一工作非常紧迫。

(3)耐候钢的多样化

不同耐候性元素对不同环境的下的腐蚀作用不一样，例如Mo的加入，对降低工业大气腐蚀速率有效，但对海洋性大气的抗腐蚀作用不明显等等。因此，根据腐蚀环境的不同，耐候钢向专用性、特殊用途化发展，其成分体系也相应发生变化，以提高耐候性元素加入的有效性和应用效率。耐海水腐蚀钢、耐海洋性气候腐蚀钢、耐酸性气候腐蚀钢和耐热带气候腐蚀钢等专用钢种是这一类钢种的代表。

(4)新型耐候钢

国外正在研究非C-P或Cu-P-Cr-Ni系的耐候钢，一旦商业化，将能提供比现在耐候钢更加价廉质优的耐候钢，带来耐候钢品种的革命。这一动向值得注意。

(5)表面处理技术

开发与耐候钢基体相配合的涂层材料，其耐腐蚀效果成倍提高。例如，日本开发的将含有百分之几碳酸铬的聚乙烯醇缩丁醛树脂涂在耐候钢表面，人工加快稳定锈层产生，防止或减少了初期流动铁锈的生成，减少了环境污染，提高了耐腐蚀能力。

5 结语

宝钢耐候钢品种从无到有，到今天占领国内大半市场，凝聚了几代宝钢人的智慧和汗水。继续保持宝钢耐候钢在国内乃至国际市场上的优势地位是当代宝钢人义不容辞的责任。宝钢高效的管理体制和先进的生产设备为耐候钢新品种的开发创造了良好条件。相信耐候钢，这一古老但仍在发展中的钢种，将在今后继续作为宝钢的拳头产品之一为宝钢创造巨大的经济效益。

参考文献

l王祖滨，东涛等．低合金高强度钢，原子能出版社，北京，(1996)，196-196．

2徐增华．金属耐蚀材料，腐蚀与防护，22(3)，(2001)，135-138．

3王传雅等．耐候钢的现状及展望，热加工工艺，(5)，(1992)，45-48．

4吉武明英等．汽车用耐腐蚀热轧钢板，世界钢铁，(2)，(1995)，48-54．

5钢铁材料手册总编辑委员会．低合金高强度钢，中国标准出版社，北京，(2001)