耐候鋼是指通過添加少量合金元素（如Cu、P、Cr、Ni、Mn、Mo、Al、V、Ti、Re等）使鋼的耐大氣腐蝕性獲得明顯改善,耐候鋼屬于低合金高強度鋼。耐候鋼表面形成的保護性銹層可以有效阻止腐蝕性介質的滲入和傳輸,其耐大氣腐蝕的能力為普通碳素鋼的2~8倍,涂裝性可提高1.5~10倍,廣泛用于制造車輛、橋梁、塔架、集裝箱等鋼結構中。與不銹鋼相比,耐候鋼只含有微量的合金元素,價格比不銹鋼低。耐候鋼在國外發展較早,美國自1933年開始研發了一系列耐候鋼產品,主要用于橋梁的建造[1]。GB/T 4171—2008《耐候結構鋼》對Q355GNH鋼的力學性能要求如表1所示（表中b為彎心直徑）。

1. 試驗方案

1.1 試驗鋼的化學成分

耐候鋼較普碳鋼具有良好的耐大氣腐蝕能力,其中合金元素起到了決定性作用,包括：降低銹層的導電性能,可以自身沉淀并覆蓋鋼表面；影響銹層中物相結構和種類,阻礙銹層的生長；延緩銹的結晶過程；加速鋼的均勻溶解過程；加速Fe2+向Fe3+的轉化,并能阻礙腐蝕產物的快速生長[2]；合金元素及其化合物會阻塞裂紋和缺陷。在耐候鋼中加入不同合金元素對其耐大氣腐蝕性能的影響不完全相同。Cu元素具有優越的耐腐蝕性能,Cu元素在鋼的表面及銹層中存在富集現象,可抵消鋼中S元素的有害作用。P元素是提高鋼耐大氣腐蝕性能最有效的合金元素之一,當P元素與Cu元素復合加入鋼中時,顯示出更好的復合效應。Cr元素能在鋼表面形成致密的氧化膜,提高鋼的鈍化能力,當Cr元素與Cu元素同時加入鋼中時,效果尤為明顯。Ni元素是一種比較穩定的元素,加入Ni元素能使鋼的自腐蝕電位向正方向變化,增強鋼的穩定性[3],耐候鋼的化學成分分析結果如表2所示。

1.2 熱軋工藝

耐候鋼中含有Cu、P、Cr、Ni等元素,這些元素在一定程度上起到固溶強化和細晶強化的作用。在保證單相奧氏體區的情況下,終軋溫度越低,越易獲得細小的鐵素體[4],性能越強。試驗鋼的厚度為3.68mm,出爐溫度為1226℃,終軋溫度為845℃,卷取溫度為552℃。

1.3 精煉路徑

采用冷彎加工Q355GNH耐候鋼時,需要提高其品質,減少夾雜缺陷,某鋼廠從3爐R精煉模式轉2爐R精煉模式,造成R精煉爐生產緊張,為了生產及物流平衡,對耐候鋼開展R精煉爐轉L精煉爐處理,不同精煉路徑下Q355GNH耐候鋼的化學成分如表3所示。

R精煉模式的原理如圖1所示。早期R精煉模式的冶金功能以脫氫為主,目前R精煉模式的冶金功能已得到了充分發展,其主要冶金功能包括：① 脫氫,真空脫氣裝置的脫氣效率很高,對于完全脫氧的鋼水,其脫氫率可不小于60%,而未完全脫氧鋼水的脫氫率可不小于70%,在一定真空度下,脫氫效率取決于鋼水的循環次數；② 脫氮,由于鋼中氮的溶解度是氫的15倍,且硫和氧影響脫氮速率,因此R精煉模式真空脫氣的脫氮效果不明顯,通常效率為0~10%,但在強脫氧、大氬氣流量、確保真空度的條件下,也能使鋼水中的氮減少20%左右；③ 脫氧,在真空條件下,由于碳、氧反應非常激烈,產生的CO氣體很快被抽走,故R精煉模式真空脫氣的脫氧效果比較好,一般經過R精煉模式真空處理的鋼水,全氧質量分數可保持在（2~5）×10−5；④ 脫碳,R精煉模式最主要的功能是脫碳,金屬中的氧和渣中的FeO用于脫碳,經過R精煉模式處理,可將鋼中的碳質量分數降到2×10−5以下；⑤ 去除夾雜物,采用R精煉模式處理,可使氧質量分數低于1.5×10−5,此外,合金收得率比較高,被氧化的合金元素少；⑥ 成分控制精確,合金加料系統能快速、準確、均勻地將所需合金加入到真空室內,使鋼中成分控制在非常小的范圍；⑦ 加熱,采用化學加熱法（如鋁熱法）對鋼水加熱,能使鋼水的升溫速率超過3.5℃/min,滿足后續精煉處理的需要和連鑄溫度的需求。

圖 1R精煉模式的原理示意

L精煉模式就是鋼包合金處理站,具有合金微調、鋼水升溫及純凈鋼液的功能,L精煉模式處理原理如圖2所示。L精煉模式的作用為：① 提高控制金屬元素的命中率和收得率；② 通過降低廢鋼和底吹氬氣均勻鋼水溫度,使連鑄溫度控制在一個穩定的狹窄范圍內,實現溫度均勻化；③ 可節約合金,轉爐鋼水出鋼時,可按中下限控制鋼包鋼水成分,再經L精煉模式調整溫度和成分；④ 鋼水溫度調整控制；⑤ 鋼水化學成分調整控制；⑥ 均勻鋼水成分和溫度、凈化鋼液、去除夾雜物。

圖 2L精煉模式處理原理示意

R精煉模式和L精煉模式的差異如表4所示。R精煉模式具備脫氣（脫氫）和脫碳的功能,R精煉模式處理鋼種能滿足連鑄長時間多爐連澆的需求,精煉周期短。L精煉模式不具備脫氣（脫氫）和脫碳的功能,主要具有成分、溫度控制和凈化鋼水的功能。

1.4 組織與性能分析

從熱軋后的鋼板上切取金相試樣,沿軋向研磨和拋光試樣,再用體積分數為4％的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察。按照標準GB/T 228—2010《金屬材料 拉伸實驗 室溫試驗方法》進行拉伸試驗,沿軋向切取標距為50mm的試樣,在室溫下用拉伸試驗機對試樣進行拉伸。按照標準GB/T 232—2024《金屬材料 彎曲試驗方法》進行彎曲試驗。夾雜物按GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》的A法進行檢測。

2. 試驗結果及分析

2.1 氮氣、氫氣的控制

依據GB/T 4171—2008,采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析,R精煉模式和L精煉模式處理后鋼試樣的N元素和H元素質量分數如表5所示。L精煉模式處理相對R精煉模式處理來說,氮氣質量分數略有降低,氫氣質量分數上升明顯。氫氣含量高是因為L精煉處理不能抽真空,不具備脫氫功能。鋼試樣的氫氣含量高對于其進行力學性能測試結果沒有影響。

2.2 力學性能測試

依據GB/T 4171—2008截取拉伸試樣,并對試樣進行力學性能測試,結果如表6所示。由表6可知：R精煉模式轉L精煉模式處理后的力學性能無明顯差異。

2.3 夾雜物控制

按GB/T 10561—2023的A法進行夾雜物檢測,結果如表7所示。由表7可知：R精煉和L精煉處理純凈度控制得均較好,從整體控制看,R精煉處理比L精煉處理的純凈度控制得更好[5]。

2.4 金相檢驗

制備金相試樣,將試樣磨制拋光,并用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕后,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：不同精煉路徑鋼試樣的顯微組織均以鐵素體和珠光體為主。不同精煉路徑鋼試樣的晶粒度均為11級（見表8）[6]。

圖 3不同精煉路徑鋼試樣的顯微組織形貌

3. 結論

（1） L精煉處理后Q355GNH鋼的化學成分、力學性能滿足標準要求,說明該鋼的R精煉轉L精煉處理是可行的。

（2） R精煉和L精煉處理后鋼試樣的純凈度滿足標準要求,且控制水平均較好,從整體控制水平看,R精煉處理比L精煉處理純凈度控制得更好。

（3） L精煉處理比R精煉處理的N元素含量升高,H元素含量降低,兩種精煉模式下該鋼試樣的力學性能測試結果無明顯差異。

（4） R精煉和L精煉后Q355GNH鋼的顯微組織均以鐵素體和珠光體為主,晶粒度評級均為11級,無明顯差異。

文章來源——材料與測試網