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      1. 李曉剛:建立完整耐蝕鋼牌號體系 為國家工程建設保駕護航
        2019-06-06 13:29:15 作者:王元 來源:《腐蝕防護之友》 分享至:

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        李曉剛 北京科技大學教授

         

        工業是國民經濟的命脈,工業強則國強。進入新世紀以來,隨著經濟和人類社會的進步,工業化進程突飛猛進,工業的任務發生了巨變。鋼鐵工業如同一切工業之母直接決定了整個國家的工業化基礎,作為重要的工業基礎材料,鋼鐵產品正滿足社會各層面的需求。然而,腐蝕失效是影響工業裝置和基礎設施服役壽命和結構安全性的決定性因素,全世界每年因腐蝕而損耗的鋼鐵材料占鋼材產量的 1/6,我國因腐蝕造成的直接和間接損失高達每年 2 萬億元。因此,開發高性能耐蝕鋼鐵材料和重視鋼鐵結構安全服役至關重要且迫在眉睫。為了全面了解我國高性能低合金結構鋼的研究進展及其牌號建設,記者特邀請到北京科技大學李曉剛教授做相關方面的精彩解讀。


        李曉剛,北京科技大學教授、中國腐蝕與防護學會常務副理事長、國家環境材料腐蝕平臺主任,曾以第一完成人身份獲得國家科技進步獎 2 項和省部級獎多項。他在高性能耐蝕鋼鐵材料研究方面有較高的造詣。近期,以李曉剛教授為第一完成人的“新型系列耐腐蝕結構鋼開發關鍵技術創新及產業化”項目喜獲了江蘇省科技進步一等獎。


        發展高性能低合金結構鋼 為國家工業發展保駕護航

         

        工業和信息化部、發展改革委、科技部、財政部聯合印發的《新材料產業發展指南》明確指出高性能鋼鐵材料等產品結構的不斷優化是國家重點工程建設順利實施的有效支撐。“成也低合金鋼,敗也低合金鋼”,低合金鋼生產是提高鋼鐵產品性能的關鍵,是裝備安全運行的前提保障。


        低合金結構鋼是在碳素鋼的基礎上,通過加入少量合金元素(通常≤5%)并在熱軋、控軋或熱處理狀態下,具有高強度、高韌性,較好的焊接性、成型性和耐腐蝕性等特征的鋼材,以型、帶、板、管等鋼材形狀,主要用于制造橋梁、船舶、車輛、海上石油平臺、鍋爐、高壓容器、化工容器、管道、重型機械、埋地管道、大型鋼結構、鋼筋和基礎設施等。低合金結構鋼的生產工藝以及材料所具有的水平,是一個國家鋼鐵材料水平的重要標志,在一定程度上顯示了國家綜合競爭實力的高低,因此頗受世界各國的重視。


        李曉剛教授表示,低合金結構鋼集高強度、高韌性、良好的焊接性能和冷成型性能、低的冷脆轉變溫度、良好的耐蝕性此五大優異性能于一身。隨著改革開放和國民經濟的高速發展,我國低合金高強度結構鋼得到發展迅猛,據統計,2015 年我國低合金高強結構鋼應用已經超過 5000 萬噸,海洋開發、礦山開采、能源資源開發、交通建設、水利建設、工業基礎設施改造、公共基礎設施建設、西氣東輸、西電東輸、南水北調建設等,都用到大量的低合金高強度結構鋼。其中,腐蝕問題一直是制約低合金高強度結構鋼發展的瓶頸問題,成為了企業高品質結構鋼開發的老大難問題,而腐蝕失效是影響基礎設施和工業裝置服役壽命和結構安全性的決定性因素,因此,開發新型高性能耐蝕低合金鋼結構鋼迫在眉睫!


        另外,大型海洋石油平臺、南海島礁建設、奧運場館、中央電視臺新址結構、上海世博會、水壩電站、超高層建筑等國家重大工程對低合金結構鋼提出了新的需求和要求。大型高層鋼結構建筑受力復雜,要求安全可靠,能夠抵抗突發災害(如水、火、地震、風暴等),尤其是深海探測、極地建筑、大型 LNG船等要求更高。因此,除了有足夠的屈服強度和抗拉強度外,還要求具有低的屈強比、抗低溫能力、良好的冷變形能力和高的塑性變形能力,以防止局部超載失穩的情況下發生瞬間的斷裂。又如為提高客車的安全性,將使用強度級別為 590-780MPa 的高強鋼為貨、客車制造的大梁板和車輪用板,客車車身骨架也將大量使用610MPa級別的高強鋼板。因此,發展低成本、輕量化、高性能的低合金高強度結構鋼是提高產品競爭力的必由之路,也是鋼鐵大國向鋼鐵強國轉變的重要一環!


        回顧低合金結構鋼百年歷程 開啟創新發展新篇章

         

        腐蝕是金屬材料在特定環境中,與環境交互作用,發生了化學或電化學反應使其性能下降的過程。任何材料,特別是金屬材料或鋼鐵材料,都必須在特定的環境下使用,材料若不是在設計允許的環境條件下使用,必將發生過快過1則導致重大環境污染和人員傷亡事故。


        李曉剛教授表示,腐蝕帶來巨大損失使人類早已意識到腐蝕控制的重要性。早在 1867-1874 年,美國開始發展含鉻結構鋼,這是低合金結構鋼概念和品種開始萌芽的階段;1902-1906年,借助于發展含鉻結構鋼的經驗,美國開始發展含鎳結構鋼,并逐漸發展成為新品種和新體系;1915 年,美國開始發展以含錳、低碳(≤ 0.1%)和低硫(≤ 0.015%)為主要特征低合金高強度鋼,以為進一步提高低合金高強度鋼的性能;近幾十年來,對低合金高強度鋼,通過進一步降低碳質量分數、微合金化和控制軋制而發展了一系列新型低合金高強度結構鋼,主要有以下四種:微合金化低碳高強度鋼、低碳貝氏體型鋼、低碳索氏體型鋼、針狀鐵素體貝氏體型鋼,在美國這類鋼叫做高強度低合金鋼。俄羅斯及東歐各國稱為低合金建筑鋼,日本命名為高張力鋼。國內首先是把低合金鋼劃入了普鋼范圍,概念上的區別導致了產品質量差異。在名稱上幾經變化,如低合金建筑鋼、普通低合金鋼、低合金結構鋼,至 1994 年叫做低合金高強度結構鋼 (GB/T1591-94)。到目前為止,低合金鋼的名稱仍然未完全標準化。國家標準 GB/T1591-2001 中規定,我國的低合金結構鋼分為8 個 強 度 等 級,Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690, 質量上分為 A、B、C、D、E 等級,在國家重點工程設計中,規定必須應用低合金高強度鋼。


        我國是 1957 年在鞍鋼試制成功第一爐低合金鋼 16Mn,隨后研制出 16Mn系列的橋梁用、船用、鍋爐用、壓力容器用、汽車用低合金鋼。1966 年,低合金鋼產量 141 萬噸,占鋼產量 8%;至 1979 年,低合金鋼產量 254 萬噸,仍占鋼產量 8%。1997 年,低合金鋼產量 2368 萬噸,占鋼產量 22%。2013 年我國低合金高強鋼結構鋼應用已經超過2530萬噸。目前我國鋼產量已10億噸,鋼材數量不再是需求的主要矛盾,鋼材品種結構不合理成為矛盾的焦點。行業的主要任務是提高產品市場競爭力,拓展低合金鋼品種列入國家發展戰略。上世紀 90 年代初,發達國家低合金高強度鋼產量占其總鋼產量的 15%以上,我國僅占整個鋼材產量的 5.8%,且強度級別低、鋼的成分波動大、鋼中雜質多、力學性能不穩定,在國際競爭中處于劣勢,導致我國每年大量進口低合金高強度鋼板材。經過 20 余年的發展,不少普碳鋼企業意識到高品質低合金結構鋼生產是提高產品技術含量和附加值的關鍵,特別是近年來有關高純凈、細晶化“超級鋼”概念的提出與基礎研究的推動,使企業設備、工藝和產品有了長足的發展,低合金結構鋼在技術、數量、質量上有了很大提高,競爭力顯著增強。


        近二十年來,我國的低合金結構鋼的高純凈細晶化理論研究取得了長足的進步,由此帶動了低合金結構鋼生產設備、工藝和品種的快速發展,強韌性得到明顯提升。然而,由于對其耐蝕性能及調控理論研究的缺乏,其綜合性能與世界一流水平尚有一定差距。例如,近年來美國的主流海工鋼中厚板通過合金化和微觀組織調整,生產的高性能鋼(High Performance Steel, HPS) 強度已超過 700MPa,強韌性、焊接性與耐蝕性兼具,已大量投入到海洋建設中,其低合金鋼屈服強度正向 1000MPa 發展。我國海洋工程低合金結構鋼發展較慢,主流中厚板鋼種強度剛剛達到 690MPa,并向780MPa 發展,但其焊接性與耐蝕性都較差,與國外海洋耐蝕鋼相比仍存在巨大差距。新型高性能結構鋼的開發通過低碳含量(≤0.08%),采用TMCP,調質,析出強化或采用加速冷卻或直接淬火工藝等先進冶金生產工藝,鋼材的強度、焊接性能、低溫韌性、抗脆斷性能、高溫蠕變性能、疲勞性能以及持久強度等方面都較普通鋼材得到較大改善,但其耐蝕性仍然是制約耐蝕結構鋼品質提升的瓶頸,原因在于:(1)環境腐蝕數據積累與環境加速試驗評價技術缺乏,即誘發腐蝕的環境學主要因素及其機理研究不充分,相關的評價技術沒有建立;(2)涉及成分設計和組織調控的微區腐蝕機理研究薄弱,即誘發腐蝕的材料冶金學的微觀機理研究不充分,有關結構鋼合金化、夾雜物、相結構和晶粒度及其畸變對腐蝕的影響及其協同作用機理認識不清楚,這些已經成為發展高品質耐蝕結構鋼鋼的障礙。(3)低合金結構鋼構件主要在大氣、海水、土壤、微生物等自然環境中服役,也可能在鹽、堿、H 2 S 和其他工業環境中工作。低合金結構鋼在以上實際環境中會發生化學的、電化學的、物理的并兼有應力的作用而導致腐蝕破壞,常常出現均勻腐蝕、電偶腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕、應力腐蝕或腐蝕疲勞、微生物腐蝕等腐蝕類型。目前研發低合金結構鋼鋼耐蝕性的主要問題在于:對以上腐蝕類型的腐蝕機理及其評價技術缺乏,涉及成分設計和組織調控的微區腐蝕機理研究薄弱,對誘發腐蝕的材料冶金學的微觀機理研究不充分,有關結構鋼合金化、夾雜物、相結構和晶粒度及其畸變對腐蝕的影響及其協同作用機理認識不清楚,這些原因已經嚴重阻礙了我國高品質耐蝕低合金結構鋼的發展。


        李曉剛教授強調,唯有對低合金結構鋼的腐蝕環境和腐蝕類型的正確而全面的認識,開拓創新,這才是發展高品質低合金結構鋼的首要關鍵問題,這將在很大程度上改變行業的用鋼面貌,也會有力促進我國鋼鐵工業現代化建設的發展。


        推進耐蝕低合金結構鋼牌號建設 引領行業發展潮流

         

        急國家所急,研國家所需。為了解決目前我國鋼鐵產業發展中的“瓶頸”和“短板”問題。李曉剛教授團隊從2008 年開始,利用國家科技基礎條件平臺、國家自然科學基金、973 和 863 等基礎課題的大量腐蝕數據和規律機理研究成果,與南鋼研究院開展了產學研全面合作,研發了 10 多種系列化耐蝕鋼材新品種,突破國際技術壁壘,進一步提升了我國耐蝕結構鋼成分和組織調控水平,實現了產業化規模生產,產生了重大的經濟效益和社會效益。


        李曉剛教授表示,低合金耐蝕鋼在碳素鋼的基礎上為改善鋼的耐蝕性能,添加適量的一種或幾種合金元素的低合金鋼。該鋼種的主要特點是,在不同腐蝕環境中的耐蝕性能明顯優于碳素鋼和其他普通低合金鋼。但是為改善鋼的耐蝕性能添加的合金元素。往往使鋼的強度提高的同時韌性和焊接性變壞,阻礙了其開發應用和發展,因此,低合金耐蝕鋼的研究雖然已有半個多世紀的歷史,但尚未形成完整的標準體系,仍處于發展之中。


        低合金耐蝕鋼按其耐蝕性特點和使用領域可分為耐大氣腐蝕低合金鋼、耐海水腐蝕低合金鋼,耐鹽鹵腐蝕低合金鋼、耐硫化物應力腐蝕低合金鋼、抗氫腐蝕低合金鋼和抗硫酸露點腐蝕低合金鋼。


        目前為止,雖然合金元素小于 5%的低合金結構鋼應用領域較廣,比如壓力容器、管道、海上建筑、車輛、機械等等,但我們國家還沒有真正意義上低合金耐蝕鋼的牌號。翁宇慶院士在 2013年曾指出,目前我國面對海洋服役環境下鋼材對耐蝕性的要求,我國還沒有能全面達標的品種,也就是說我國目前還沒有真正意義上耐蝕性能全面達標的低合金耐蝕鋼。


        國富民強,材料先行。李曉剛教授強調,中華民族要實現強國夢,要改善人民生活、增強國家實力,就必須重視新型材料的研發、產業化與應用。低合金結構鋼就是這一類重要的材料,它代表了整個國家鋼鐵研究技術發展水平。目前,我們國家耐蝕性低合金結構鋼的劃分亂象叢生,只要符合國家 1591 標準的結構鋼便是耐蝕性低合金結構鋼,但在我們國家標準 1591 里面,只對它成分、性能及一些統計性能做了要求,并沒有對它的耐蝕性做任何規定,這就導致了目前我們國家的耐蝕性低合金結構鋼其實沒有真正意義上的牌號。


        從而導致了鋼廠在生產耐蝕性結構鋼方面沒有明確的依據,在銷售產品過程中沒有任何約束,這是低合金耐蝕結構鋼發展的一個非常重要的癥結所在。因此,要發展低合金耐蝕結構鋼,就必須建設完整牌號標準體系。這是一個重要的發展趨勢,對我們國家整體耐蝕材料水平的提升至關重要的,對國家重大工程的開發也同樣具有重大意義。


        那么如何做好耐蝕低合金結構鋼牌號建設呢?


        李曉剛教授表示,應從六個方面來實施:


        第一、大量腐蝕數據的積累。關于腐蝕數據積累方面,他們做了很多相關性的工作,國家野外環境腐蝕平臺多年來積累了大量關于低合金結構鋼方面的腐蝕數據。


        第二、做好腐蝕機理研究。就是要針對誘發低合金結構鋼在各種場合下、環境下的腐蝕原因、腐蝕機理進行澄清、理清。由于腐蝕大部分起源于微納米尺寸的一些缺陷,因此,要從微納米的角度上來研究低合金結構鋼的腐蝕起源問題和機理問題,才能在微納米技術上進行成分組織調控,保證低合金結構鋼的質量、水平以及等級的控制。

         

        第三、做好評價標準、評價技術的建設。實際上就是要發展基于室內外相關性一致基礎上的腐蝕評價技術,當然這種腐蝕評價技術是指室內的加速腐蝕試驗,那么這種室內的加速腐蝕試驗一定要和場外的某一個典型的環境即低合金結構鋼所要使用的環境密切關聯或者有相關性。這樣,在實驗室里可以短期地對某一個環境條件下的低合金結構鋼的構建進行評價。


        第四、制定完整標準規范,即是所謂的牌號建設。這一步至關重要,比如說 345 的低合金鋼,那么 A 級的,它的耐蝕性達到多高的要求就可以成為耐蝕材料?那么它的耐蝕性提升到多高的水平就可以成為是優質的耐蝕低合金結構鋼?這些都取決于我們前面的數據積累、機理研究和評價標準。這個標準的制定和牌號的認證是我們目前要抓的一個主要工作。在該項工作完成之后,再讓權威部門和鋼廠結合起來,對該類低合金結構鋼進行認證。


        第五、重大工程的示范應用和在線檢測大數據的積累。經權威部門認證完成之后,這些材料就首發到國家的重大工程建設中,經過密切的跟蹤、檢測和應用。在應用過程中間,也可以做到進一步完善前面的數據積累工作,完善前面的機理研究工作,完善前面的標準評價工作即試驗評價工作,完善前面的標準制定工作。這也叫做產業化的示范和在線大數據的跟蹤監測。


        第六、全方位、大面積地推動最終成果的產業化應用。即是以上五個步驟工作完成之后,可以動員我們鋼鐵企業大面積、全方位地生產該類新牌號的耐蝕低合金結構鋼,為我們完全實現該類產品產業化鋪平道路。


        后記:


        路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索。作為高性能鋼鐵材料的重要產品之一耐蝕低合金結構鋼的開發至關重要,它是我國鋼鐵發展的重要方向和迫切需求。唯有勇于創新,方能傲立潮頭。我們相信做好耐蝕低合金結構鋼的牌號建設,定會能推動我國鋼鐵工業向前再邁一大步,使之屹立于世界之林,引領世界鋼鐵行業的發展潮流!


         ●  人物簡介

         

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        李曉剛,北京科技大學教授、博導;國家材料環境腐蝕平臺主任;中國腐蝕與防護學會常務副理事長;教育部腐蝕與防護重點實驗室主任。“海洋腐蝕 973 項目”首席科學家;國際腐蝕理事會理事。


        我國材料環境腐蝕與防護領域主要學術帶頭人之一。長期堅持材料環境腐蝕機理應用基礎研究,獲得了鋼鐵、高分子等材料在大氣、土壤、海洋環境的腐蝕規律;領導創建了國內最大的材料環境腐蝕試驗與共享的規范化平臺和數據量最大的腐蝕數據庫;發展了環境腐蝕試驗系列化新技術,為解決航天、海洋、石油等國家重大工程的材料腐蝕難題提供了技術支撐,解決了“天宮一號”重大腐蝕難題,為其按時發射提供了重要科學依據,對發展我國材料環境腐蝕學科做出了創造性貢獻。


        2005 年起擔任國家科技基礎條件平臺 - 材料環境腐蝕平臺負責人;是“海洋工程裝備材料腐蝕與防護關鍵技術基礎研究”973 項目首席科學家。與合作者共同發表 SCI 和 EI 收錄論文 339 篇,引用總數 6000 多次,代表作為 nature 雜志的 share corrosion data;出版專著 9 部(第一作者 7 部),譯著 1 部,主持編輯出版國內首部“腐蝕學科進展報告”;主編教育部規劃教材 1 部;授權國家專利 35 項。培養博士后 5 名、已畢業博士 49 名、已畢業碩士 78 名。獲國家科技進步二等獎 2 項(排名第一);省部級科技進步一等獎 5 項(排名第一);獲行業 1 等獎 5 項(4 項排名第一)。獲“全國優秀科技工作者”、“北京市百名科技領軍人物”稱號,獲執行“十一五”國家重大科技計劃優秀團隊獎。在國際同行中已經具有重要的影響力。

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