一、研究的背景与问题
国家发改委、国家能源局于2022年2月10日发布《关于完善能源绿色低碳转型体制机制和政策措施的意见》中提出，深化能源领域体制机制改革创新，加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系，促进能源高质量发展和经济社会发展全面绿色转型，为科学有序推动如期实现碳达峰、碳中和目标和建设现代化经济体系提供保障。针对清洁能源长期安全使用条件，配套的专项钢铁材料研发，将整体提高能源绿色低碳转型和供应安全保障水平。
在国家“双碳”目标下，大力研发高强高耐蚀型钢铁材料是我国加快钢铁产业绿色低碳转型的重要方向。在钢铁的使用过程中，腐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。钢铁腐蚀现象遍及国民经济和国防建设各个领域，给国民经济造成重大损失。据工业发达国家统计，每年由于钢结构腐蚀造成的经济损失，占国民经济生产总值的2%~4%；目前，全世界因钢结构腐蚀造成的经济损失达数万亿美元。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300亿元；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。
广西是滇黔高原向东南沿海丘陵的过渡地带，地理环境复杂，气候多样，一省横跨三个气候区，北部属中亚热带季风气候区，南部属南亚热带季风气候区，最南端属于北热带区，境内既有钦州、北海及防城港沿海大气含盐离子地区，又有河池、柳州重工业污染地区，特殊的地理与气候环境导致大部分地区出现了严重的钢铁材料腐蚀现象，给当地经济建设带来极大威胁。因此，广西壮族自治区“十四五”规划将钢铁材料在高腐蚀服役环境的应用发展作为核心内容，支持钢铁材料绿色制造冶炼工艺的攻关与免涂装高强高耐蚀型热轧钢产品的开发。
本项目在此背景下，以广西柳州钢铁集团有限公司为牵头单位，在高耐蚀型热轧钢板带研发方面，开展基于微合金化技术的高强高耐蚀型钢合金设计及组织调控，进行纳米析出相/基体双细化调控技术及其强韧性机理研究；在产业化推广应用方面，完成广西地区海岸及工业气候条件下耐蚀型钢的腐蚀失效机理研究及其寿命预测，形成冶-铸-轧一体化协同制备技术、超低韧脆转变温度组织控制技术、Ti-Nb复合低合金化技术等热轧耐蚀型钢专项工业技术，并形成锈层稳定处理的专有技术。
本项目以免涂装高强高耐蚀型热轧钢研发及应用为导向，拟通过机理研究→中试实验→工业化试制→应用示范，将理论分析研究与工业生产实践相结合，开发冶-铸-轧一体化协同制备工艺技术，开展成分设计与强韧性匹配调控、高纯净均质化冶炼方法、氧化夹杂物控制技术、组织控制原理、超低韧脆转变温度组织控制技术、耐腐性能评价和耐蚀钢应用性能等研究工作，研发出3种以上抗拉500~700MPa级别系列免涂装高耐蚀结构钢材料，完成产业化生产与腐蚀应用评价，实现先进耐候钢本地化供应和地区外辐射供给，培养一批具备高品质免涂装高强高耐蚀型热轧钢研发应用相关基础理论和实际经验的高水平研究生人才，助力广西钢铁产业转型升级和“双碳”目标的实现。具体完成以下目标技术：
（一）开发免涂装高强高耐蚀型热轧钢产品，针对耐蚀型热轧钢铸坯内部质量问题，研究连铸坯钢带P中心偏析行为及关键因素对P偏析的影响规律，提出消除耐蚀型热轧钢连铸坯钢带P中心偏析的关键技术；
（二）针对耐蚀型热轧钢铸坯表面开裂问题，研究连铸坯钢带表面“铜脆”起皮缺陷产生原因及其关键影响因素的作用机制，揭示耐蚀型热轧钢板材变形开裂的微观机理，揭示“弱冷+低过热度+恒/高拉速+高矫直温度”浇铸工艺对铸坯质量稳定性的作用机制，提出防控铸坯钢带表面开裂、提升表面质量的关键技术；
（三）针对耐蚀型热轧钢带的轧制成形性问题，研究炼钢成分和轧制工艺对轧制组织和强度的影响机制，提出优化耐蚀型热轧钢板形控制与尺寸精度的工艺途径；
（四）针对免涂装高强高耐蚀型热轧钢的强韧化问题，开展Ti-Nb复合微合金化技术的系统研究，结合热轧专项技术研究耐蚀型热轧钢微观组织的演变规律，揭示Ti-Nb复合微合金化技术的强韧化机理，提出改善耐蚀热轧钢综合性能的工艺途径；
（五）针对耐蚀型热轧钢的腐蚀与寿命问题，结合广西地区气候特点研究耐蚀型热轧钢在不同腐蚀环境下的腐蚀行为，阐明其耐腐蚀机制，提出相应的腐蚀寿命预测方程式，提出锈层稳定化的判据，发展有效的锈层稳定化处理技术。
二、解决问题的思路与技术方案
针对本项目拟开展的研究内容和研究方法，采用的技术路线如图1所示。研究范围包括高耐蚀型热轧钢所涉及的、高强度高韧耐蚀型热轧钢的组织性能调控原理及关键技术研发、绿色免涂装高强高耐蚀型热轧钢在复杂大气环境下的腐蚀行为研究、高耐蚀型热轧钢带质量控制技术及其生产应用研究等关键问题，实现全生产流程设计，一体化组织实施。
图1 项目技术路线
三、主要创新性成果
1、无镍或低镍热轧耐蚀钢高表面质量控制及高效率生产技术。
通常为了保证新型高耐候钢的耐腐蚀性，需要采用高“Cr”“含Cu、Ni”的微合金成分设计。Cr和Cu含量的增加会加剧钢开裂的风险，钢表面的Cu会发生迁移而出现富集，导致钢表面出现热脆，称之为“铜脆”，“铜脆”现象是热轧耐蚀钢最为典型的表面质量问题，一般情况下会采用镍合金化抑制“铜脆”，然而镍合金价格昂贵，对成本影响较大。因此，本项目提出无镍或低镍的成分设计思路并应用在集装箱板中，创新性大幅降低加热预热到二加热段的炉气温度至铜的熔点以下，之后快速升温保证轧制顺行，同时调整炉内气氛为若还原性，利用加热工艺优化提高耐蚀钢表面质量的稳定性，同时缩短了钢坯在加热炉的加热时间，提高了生产效率。优化后由“铜脆”引起的严重表面质量问题发生率从0.88%降至基本完全消除，且加热时间缩短约30min。基于该项研究获得专利有《无镍型铜磷系耐候钢铸坯的生产方法》和《无镍型铜磷系耐候钢铸坯》。
图2 实际典型加热温度曲线（红色曲线）
2、Ti-Nb复合、高P高Cr经济型高强高耐蚀钢组织性能调控技术及工艺控制。
结合热轧专项技术揭示耐蚀型热轧钢微观组织的演变规律，阐明Ti-Nb微合金化技术的强韧化机理、高P高Cr（以P代Cr）经济型高强高耐蚀钢组织性能调控机理，提出改善耐蚀型热轧钢综合性能的工艺途径，实现耐蚀型钢板带产品高强轻量化；结合广西地区气候腐蚀环境阐明耐蚀型热轧钢的腐蚀行为，揭示不同大气腐蚀环境（以海洋大气、工业大气为主）协同作用下的腐蚀机制，提出耐蚀型热轧钢相应的腐蚀寿命预测方程式。针对上述理论，开展耐蚀型热轧钢铸坯P中心偏析、表面“铜脆”产生机制等工艺技术控制方法研究，研发高P高性能耐蚀型热轧钢冶炼、连铸、轧制和冷却过程中的关键共性技术，满足下游用户成型需求并进行推广应用，利用该项技术，成功开发出屈服强度550MPa、690MPa级高强度耐候钢产品。基于该项研究获得专利有《一种改善耐候钢P中心偏析的控制方法》《一种屈服强度550MPa级高强度耐候钢的制造方法》等。
图3 典型高性能耐蚀钢的静态CCT曲线
图4 典型高性能耐蚀钢的动态CCT曲线
3、高性能耐蚀型热轧钢在复杂大气环境下的腐蚀机理及服役性能评价
结合广西地区的地理环境与气候特点展开耐蚀型热轧钢的腐蚀行为研究，揭示海洋大气和工业大气环境下的腐蚀机制，提出耐蚀型热轧钢相应的腐蚀寿命预测方程式，挖掘耐候合金元素的协同作用机理，提出锈层稳定化的判据，发展有效的锈层稳定化处理技术。基于该项研究曾发表论文《550NH耐候钢在3种典型大气环境中的初期腐蚀行为》。
图5 镀锌护栏Q235B钢、高耐蚀护栏LG500EW钢试验24天后腐蚀速率
图6 从左至右依次为DXQ235钢腐蚀4天、腐蚀8天、腐蚀16天、腐蚀24天和腐蚀32天宏观形貌图
图7 从左至右依次为LG500EW钢腐蚀4天、腐蚀8天、腐蚀16天、腐蚀24天和腐蚀32天宏观形貌图
图8 镀锌护栏XRD
图9 高耐候钢XRD
4、高性能耐蚀热轧钢免涂装使用技术应用
耐候钢中添加的Cu、P、Cr、Ni等合金元素改变了锈层的成分和结构，促进了内层α-FeOOH的形成，而抑制了疏松的Fe3O4的形成。α-FeOOH晶体呈纤细针状且紧密堆积，该锈层具有保护特性。因此暴露在户外大气环境中的耐候钢表面随着时间的推移会形成保护性锈层，起到了“以锈治锈”的作用。然而致密锈层生成的过程是漫长的，以耐候高速护栏为例，其稳定锈层完全成型需数年时间，这严重影响了产品的美观与用户的使用体验。于是，该项目通过使用锈蚀剂、固锈剂等手段，使耐候钢在短时间内快速形成稳定致密锈层，解决了耐蚀钢在锈层生成阶段出现锈蚀不均匀，锈蚀液倒挂等情况。
四、应用情况与效果
柳钢普通集装箱板牌号为SPA-H，2024年销量已达173万吨，产品主要销往华南、华东市场，终端用户包括中集集团、上海寰宇、广东富华、新华昌商贸、百世康智造等数十家企业。
高强轻量化是集装箱板的发展趋势，柳钢目前高强箱板的牌号包括LC450、LC550、LC700等牌号，2023年至今在中集集团、上海寰宇、广东富华的累计使用量已超过5万吨，整体使用效果较好，多家终端均反馈柳钢高强箱板产品质量达到国内第一梯队。柳钢连续两年获中集集团优秀供应商。
目前柳钢已与广西交投、云南水电十四局等企业初步形成免涂装耐候钢的供货及应用，其中与广西交投合作的耐候公路护栏成功应用于桂柳改高速的试验路段，属于国内耐候公路护栏的首批次应用，产品获广西交投认可，目前在着手进行广西地方标准的编制及批量推广应用。
信息来源：广西柳州钢铁集团有限公司
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