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李晓刚:建立完整耐蚀钢牌号体系 为国家工程建设保驾护航

2018-10-19 12:48:02
作者:王元
来源:中国腐蚀与防护网

为了全面了解我国高性能低合金结构钢的研究进展及其牌号建设,记者特邀请到北京科技大学李晓刚教授做相关方面的精彩解读。他在高性能耐蚀钢铁材料研究方面有较高的造诣。

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    工业是国民经济的命脉,工业强则国强。进入新世纪以来,随着经济和人类社会的进步,工业化进程突飞猛进,工业的任务发生了巨变。钢铁工业如同一切工业之母直接决定了整个国家的工业化基础,作为重要的工业基础材料,钢铁产品正满足社会各层面的需求。然而,腐蚀失效是影响工业装置和基础设施服役寿命和结构安全性的决定性因素,全世界每年因腐蚀而损耗的钢铁材料占钢材产量的1/6,我国因腐蚀造成的直接和间接损失高达每年2 万亿元。因此,开发高性能耐蚀钢铁材料和重视钢铁结构安全服役至关重要且迫在眉睫。为了全面了解我国高性能低合金结构钢的研究进展及其牌号建设,记者特邀请到北京科技大学李晓刚教授做相关方面的精彩解读。


    李晓刚,北京科技大学教授、中国腐蚀与防护学会常务副理事长、国家环境材料腐蚀平台主任,曾以第一完成人身份获得国家科技进步奖2 项和省部级奖多项。他在高性能耐蚀钢铁材料研究方面有较高的造诣。近期,以李晓刚教授为第一完成人的“新型系列耐腐蚀结构钢开发关键技术创新及产业化”项目喜获了江苏省科技进步一等奖。


    发展高性能低合金结构钢 为国家工业发展保驾护航

 

    工业和信息化部、发展改革委、科技部、财政部联合印发的《新材料产业发展指南》明确指出高性能钢铁材料等产品结构的不断优化是国家重点工程建设顺利实施的有效支撑。“成也低合金钢,败也低合金钢”,低合金钢生产是提高钢铁产品性能的关键,是装备安全运行的前提保障。


    低合金结构钢是在碳素钢的基础上, 通过加入少量合金元素( 通常≤ 5%)并在热轧、控轧或热处理状态下,具有高强度、高韧性,较好的焊接性、成型性和耐腐蚀性等特征的钢材,以型、带、板、管等钢材形状,主要用于制造桥梁、船舶、车辆、海上石油平台、锅炉、高压容器、化工容器、管道、重型机械、埋地管道、大型钢结构、钢筋和基础设施等。低合金结构钢的生产工艺以及材料所具有的水平,是一个国家钢铁材料水平的重要标志,在一定程度上显示了国家综合竞争实力的高低,因此颇受世界各国的重视。


    李晓刚教授表示,低合金结构钢集高强度、高韧性、良好的焊接性能和冷成型性能、低的冷脆转变温度、良好的耐蚀性此五大优异性能于一身。随着改革开放和国民经济的高速发展,我国低合金高强度结构钢得到发展迅猛,据统计,2015 年我国低合金高强结构钢应用已经超过5000 万吨,海洋开发、矿山开采、能源资源开发、交通建设、水利建设、工业基础设施改造、公共基础设施建设、西气东输、西电东输、南水北调建设等,都用到大量的低合金高强度结构钢。其中,腐蚀问题一直是制约低合金高强度结构钢发展的瓶颈问题,成为了企业高品质结构钢开发的老大难问题,而腐蚀失效是影响基础设施和工业装置服役寿命和结构安全性的决定性因素,因此,开发新型高性能耐蚀低合金钢结构钢迫在眉睫!


    另外,大型海洋石油平台、南海岛礁建设、奥运场馆、中央电视台新址结构、上海世博会、水坝电站、超高层建筑等国家重大工程对低合金结构钢提出了新的需求和要求。大型高层钢结构建筑受力复杂,要求安全可靠,能够抵抗突发灾害(如水、火、地震、风暴等),尤其是深海探测、极地建筑、大型LNG船等要求更高。因此,除了有足够的屈服强度和抗拉强度外,还要求具有低的屈强比、抗低温能力、良好的冷变形能力和高的塑性变形能力,以防止局部超载失稳的情况下发生瞬间的断裂。又如为提高客车的安全性,将使用强度级别为590-780MPa 的高强钢为货、客车制造的大梁板和车轮用板,客车车身骨架也将大量使用610MPa级别的高强钢板。


    因此,发展低成本、轻量化、高性能的低合金高强度结构钢是提高产品竞争力的必由之路,也是钢铁大国向钢铁强国转变的重要一环!


    回顾低合金结构钢百年历程 开启创新发展新篇章

 

    腐蚀是金属材料在特定环境中,与环境交互作用,发生了化学或电化学反应使其性能下降的过程。任何材料,特别是金属材料或钢铁材料,都必须在特定的环境下使用,材料若不是在设计允许的环境条件下使用,必将发生过快过早的腐蚀破坏,轻则造成经济损失,重则导致重大环境污染和人员伤亡事故。


    李晓刚教授表示,腐蚀带来巨大损失使人类早已意识到腐蚀控制的重要性。早在1867-1874 年, 美国开始发展含铬结构钢,这是低合金结构钢概念和品种开始萌芽的阶段;1902-1906年,借助于发展含铬结构钢的经验,美国开始发展含镍结构钢,并逐渐发展成为新品种和新体系;1915 年,美国开始发展以含锰、低碳(≤ 0.1%)和低硫(≤ 0.015%)为主要特征低合金高强度钢,以为进一步提高低合金高强度钢的性能;近几十年来,对低合金高强度钢,通过进一步降低碳质量分数、微合金化和控制轧制而发展了一系列新型低合金高强度结构钢,主要有以下四种:微合金化低碳高强度钢、低碳贝氏体型钢、低碳索氏体型钢、针状铁素体贝氏体型钢,在美国这类钢叫做高强度低合金钢。俄罗斯及东欧各国称为低合金建筑钢,日本命名为高张力钢。国内首先是把低合金钢划入了普钢范围,概念上的区别导致了产品质量差异。在名称上几经变化,如低合金建筑钢、普通低合金钢、低合金结构钢,至1994 年叫做低合金高强度结构钢(GB/T1591-94)。到目前为止,低合金钢的名称仍然未完全标准化。国家标准GB/T1591-2001 中规定,我国的低合金结构钢分为8 个强度等级,Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690, 质量上分为A、B、C、D、E 等级,在国家重点工程设计中,规定必须应用低合金高强度钢。


    我国是1957 年在鞍钢试制成功第一炉低合金钢16Mn,随后研制出16Mn系列的桥梁用、船用、锅炉用、压力容器用、汽车用低合金钢。1966 年,低合金钢产量141 万吨,占钢产量8%;至1979 年,低合金钢产量254 万吨,仍占钢产量8%。1997 年,低合金钢产量2368 万吨,占钢产量22%。2013 年我国低合金高强钢结构钢应用已经超过2530 万吨。目前我国钢产量已10 亿吨,钢材数量不再是需求的主要矛盾,钢材品种结构不合理成为矛盾的焦点。行业的主要任务是提高产品市场竞争力,拓展低合金钢品种列入国家发展战略。上世纪90 年代初,发达国家低合金高强度钢产量占其总钢产量的15%以上,我国仅占整个钢材产量的5.8%,且强度级别低、钢的成分波动大、钢中杂质多、力学性能不稳定,在国际竞争中处于劣势,导致我国每年大量进口低合金高强度钢板材。经过20 余年的发展,不少普碳钢企业意识到高品质低合金结构钢生产是提高产品技术含量和附加值的关键,特别是近年来有关高纯净、细晶化“超级钢”概念的提出与基础研究的推动,使企业设备、工艺和产品有了长足的发展,低合金结构钢在技术、数量、质量上有了很大提高,竞争力显着增强。


    近二十年来,我国的低合金结构钢的高纯净细晶化理论研究取得了长足的进步,由此带动了低合金结构钢生产设备、工艺和品种的快速发展,强韧性得到明显提升。然而,由于对其耐蚀性能及调控理论研究的缺乏,其综合性能与世界一流水平尚有一定差距。例如,近年来美国的主流海工钢中厚板通过合金化和微观组织调整,生产的高性能钢(High Performance Steel, HPS) 强度已超过700MPa,强韧性、焊接性与耐蚀性兼具,已大量投入到海洋建设中,其低合金钢屈服强度正向1000MPa 发展。我国海洋工程低合金结构钢发展较慢,主流中厚板钢种强度刚刚达到690MPa,并向780MPa 发展,但其焊接性与耐蚀性都较差,与国外海洋耐蚀钢相比仍存在巨大差距。新型高性能结构钢的开发通过低碳含量(≤ 0.08%),采用TMCP,调质,析出强化或采用加速冷却或直接淬火工艺等先进冶金生产工艺,钢材的强度、焊接性能、低温韧性、抗脆断性能、高温蠕变性能、疲劳性能以及持久强度等方面都较普通钢材得到较大改善,但其耐蚀性仍然是制约耐蚀结构钢品质提升的瓶颈,原因在于:(1)环境腐蚀数据积累与环境加速试验评价技术缺乏,即诱发腐蚀的环境学主要因素及其机理研究不充分,相关的评价技术没有建立;(2)涉及成分设计和组织调控的微区腐蚀机理研究薄弱,即诱发腐蚀的材料冶金学的微观机理研究不充分,有关结构钢合金化、夹杂物、相结构和晶粒度及其畸变对腐蚀的影响及其协同作用机理认识不清楚,这些已经成为发展高品质耐蚀结构钢钢的障碍。(3)低合金结构钢构件主要在大气、海水、土壤、微生物等自然环境中服役,也可能在盐、碱、H2S 和其他工业环境中工作。低合金结构钢在以上实际环境中会发生化学的、电化学的、物理的并兼有应力的作用而导致腐蚀破坏,常常出现均匀腐蚀、电偶腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀或腐蚀疲劳、微生物腐蚀等腐蚀类型。目前研发低合金结构钢钢耐蚀性的主要问题在于:对以上腐蚀类型的腐蚀机理及其评价技术缺乏,涉及成分设计和组织调控的微区腐蚀机理研究薄弱,对诱发腐蚀的材料冶金学的微观机理研究不充分,有关结构钢合金化、夹杂物、相结构和晶粒度及其畸变对腐蚀的影响及其协同作用机理认识不清楚,这些原因已经严重阻碍了我国高品质耐蚀低合金结构钢的发展。


    李晓刚教授强调,唯有对低合金结构钢的腐蚀环境和腐蚀类型的正确而全面的认识,开拓创新,这才是发展高品质低合金结构钢的首要关键问题,这将在很大程度上改变行业的用钢面貌,也会有力促进我国钢铁工业现代化建设的发展。


    推进耐蚀低合金结构钢牌号建设 引领行业发展潮流

 

    急国家所急,研国家所需。为了解决目前我国钢铁产业发展中的“瓶颈”和“短板”问题。李晓刚教授团队从2008 年开始,利用国家科技基础条件平台、国家自然科学基金、973 和863 等基础课题的大量腐蚀数据和规律机理研究成果,与南钢研究院开展了产学研全面合作,研发了10 多种系列化耐蚀钢材新品种,突破国际技术壁垒,进一步提升了我国耐蚀结构钢成分和组织调控水平,实现了产业化规模生产,产生了重大的经济效益和社会效益。


    李晓刚教授表示,低合金耐蚀钢在碳素钢的基础上为改善钢的耐蚀性能,添加适量的一种或几种合金元素的低合金钢。该钢种的主要特点是,在不同腐蚀环境中的耐蚀性能明显优于碳素钢和其他普通低合金钢。但是为改善钢的耐蚀性能添加的合金元素。往往使钢的强度提高的同时韧性和焊接性变坏,阻碍了其开发应用和发展,因此,低合金耐蚀钢的研究虽然已有半个多世纪的历史,但尚未形成完整的标准体系,仍处于发展之中。


    低合金耐蚀钢按其耐蚀性特点和使用领域可分为耐大气腐蚀低合金钢、耐海水腐蚀低合金钢,耐盐卤腐蚀低合金钢、耐硫化物应力腐蚀低合金钢、抗氢腐蚀低合金钢和抗硫酸露点腐蚀低合金钢。


     目前为止,虽然合金元素小于5%的低合金结构钢应用领域较广,比如压力容器、管道、海上建筑、车辆、机械等等,但我们国家还没有真正意义上低合金耐蚀钢的牌号。翁宇庆院士在2013年曾指出,目前我国面对海洋服役环境下钢材对耐蚀性的要求,我国还没有能全面达标的品种,也就是说我国目前还没有真正意义上耐蚀性能全面达标的低合金耐蚀钢。


    国富民强,材料先行。李晓刚教授强调,中华民族要实现强国梦,要改善人民生活、增强国家实力,就必须重视新型材料的研发、产业化与应用。低合金结构钢就是这一类重要的材料,它代表了整个国家钢铁研究技术发展水平。


    目前,我们国家耐蚀性低合金结构钢的划分乱象丛生,只要符合国家1591 标准的结构钢便是耐蚀性低合金结构钢,但在我们国家标准1591 里面,只对它成分、性能及一些统计性能做了要求,并没有对它的耐蚀性做任何规定,这就导致了目前我们国家的耐蚀性低合金结构钢其实没有真正意义上的牌号。


    从而导致了钢厂在生产耐蚀性结构钢方面没有明确的依据,在销售产品过程中没有任何约束,这是低合金耐蚀结构钢发展的一个非常重要的症结所在。


    因此,要发展低合金耐蚀结构钢,就必须建设完整牌号标准体系。这是一个重要的发展趋势,对我们国家整体耐蚀材料水平的提升至关重要的,对国家重大工程的开发也同样具有重大意义。


    那么如何做好耐蚀低合金结构钢牌号建设呢?


    李晓刚教授表示,应从六个方面来实施:


    第一、大量腐蚀数据的积累。关于腐蚀数据积累方面,他们做了很多相关性的工作,国家野外环境腐蚀平台多年来积累了大量关于低合金结构钢方面的腐蚀数据。


    第二、做好腐蚀机理研究。就是要针对诱发低合金结构钢在各种场合下、环境下的腐蚀原因、腐蚀机理进行澄清、理清。由于腐蚀大部分起源于微纳米尺寸的一些缺陷,因此,要从微纳米的角度上来研究低合金结构钢的腐蚀起源问题和机理问题,才能在微纳米技术上进行成分组织调控,保证低合金结构钢的质量、水平以及等级的控制。


    第三、做好评价标准、评价技术的建设。实际上就是要发展基于室内外相关性一致基础上的腐蚀评价技术,当然这种腐蚀评价技术是指室内的加速腐蚀试验,那么这种室内的加速腐蚀试验一定要和场外的某一个典型的环境即低合金结构钢所要使用的环境密切关联或者有相关性。这样,在实验室里可以短期地对某一个环境条件下的低合金结构钢的构建进行评价。


    第四、制定完整标准规范,即是所谓的牌号建设。这一步至关重要,比如说345 的低合金钢,那么A 级的,它的耐蚀性达到多高的要求就可以成为耐蚀材料?那么它的耐蚀性提升到多高的水平就可以成为是优质的耐蚀低合金结构钢?这些都取决于我们前面的数据积累、机理研究和评价标准。这个标准的制定和牌号的认证是我们目前要抓的一个主要工作。在该项工作完成之后,再让权威部门和钢厂结合起来,对该类低合金结构钢进行认证。


    第五、重大工程的示范应用和在线检测大数据的积累。经权威部门认证完成之后,这些材料就首发到国家的重大工程建设中,经过密切的跟踪、检测和应用。在应用过程中间,也可以做到进一步完善前面的数据积累工作,完善前面的机理研究工作,完善前面的标准评价工作即试验评价工作,完善前面的标准制定工作。这也叫做产业化的示范和在线大数据的跟踪监测。


    第六、全方位、大面积地推动最终成果的产业化应用。即是以上五个步骤工作完成之后,可以动员我们钢铁企业大面积、全方位地生产该类新牌号的耐蚀低合金结构钢,为我们完全实现该类产品产业化铺平道路。


    后记:


    路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。作为高性能钢铁材料的重要产品之一耐蚀低合金结构钢的开发至关重要,它是我国钢铁发展的重要方向和迫切需求。唯有勇于创新,方能傲立潮头。我们相信做好耐蚀低合金结构钢的牌号建设,定会能推动我国钢铁工业向前再迈一大步,使之屹立于世界之林,引领世界钢铁行业的发展潮流!


    人物简介

 

    李晓刚,北京科技大学教授、博导;国家材料环境腐蚀平台主任;中国腐蚀与防护学会常务副理事长;教育部腐蚀与防护重点实验室主任。“海洋腐蚀 973 项目”首席科学家;国际腐蚀理事会理事。


    我国材料环境腐蚀与防护领域主要学术带头人之一。长期坚持材料环境腐蚀机理应用基础研究,获得了钢铁、高分子等材料在大气、土壤、海洋环境的腐蚀规律;领导创建了国内最大的材料环境腐蚀试验与共享的规范化平台和数据量最大的腐蚀数据库;发展了环境腐蚀试验系列化新技术,为解决航天、海洋、石油等国家重大工程的材料腐蚀难题提供了技术支撑,解决了“天宫一号”重大腐蚀难题,为其按时发射提供了重要科学依据,对发展我国材料环境腐蚀学科做出了创造性贡献。


    2005 年起担任国家科技基础条件平台 - 材料环境腐蚀平台负责人;是“海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”973 项目首席科学家。与合作者共同发表 SCI 和 EI 收录论文 339 篇,引用总数 6000 多次,代表作为 nature 杂志的 share corrosion data;出版专着 9 部(第一作者 7 部),译着 1 部,主持编辑出版国内首部“腐蚀学科进展报告”;主编教育部规划教材1 部;授权国家专利35 项。培养博士后5 名、已毕业博士49 名、已毕业硕士78 名。获国家科技进步二等奖2 项(排名第一);省部级科技进步一等奖 5 项(排名第一);获行业 1 等奖 5 项(4 项排名第一)。获“全国优秀科技工作者”、“北京市百名科技领军人物”称号,获执行“十一五”国家重大科技计划优秀团队奖。在国际同行中已经具有重要的影响力。

 

 

 

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责任编辑:王元

 

 


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标签: 李晓刚, 耐蚀钢牌号, 耐蚀钢, 北京科技大学

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