这种钢让“鸟巢”成为100%中国制造

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“鸟巢钢”的技术要求达到了低合金高强度钢之最,厚度、强度、韧性、焊接性等各种性能都是最高要求,制造起来并不容易。它在整个鸟巢中的用量只有400多吨,与整个建筑11万吨的用钢量相比所占比例微乎其微,但正是这种特殊的钢材支撑起鸟巢的结构。

出品 | 网易新闻

作者 | 一闻,钢铁行业研究人员

今年9月,北京冬奥组委发布消息,国家体育场(鸟巢)将成为2022年北京冬奥会开闭幕式举办场馆,这座2008年北京奥运会的标志性建筑,再次赢得世界瞩目。

作为世界上最大的钢结构体育场馆和世界上跨度最大的单体钢结构工程,“鸟巢”的建设共使用各类钢材11万吨,其中不得不提到的就是被称为“鸟巢钢”的Q460E-Z35钢材,它在整个“鸟巢”中的用量只有400多吨,占的比例微乎其微,但正是这400多吨钢的国产化,让“鸟巢”真正成为100%中国制造。

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(一)不可替代的“鸟巢钢”,曾经主要依赖进口

“鸟巢”设计奇特新颖,看似杂乱无章的“钢枝条”采用钢桁架编织而成,外部钢结构总重达4.2万吨,最大跨度343米。而这全部重量最终要靠24根呈V字形挺立的立柱支撑,每根柱子都要承受来自多角度的拉扯力。整个钢结构像长有24只脚的钢铁巨无霸,完全依靠自身力量站起,达成了全世界建筑业的一大壮举。

(24根桁架柱是“鸟巢”的核心支撑材料)

(鸟巢钢结构门式桁架示意图)

“鸟巢”设计之初,桁架柱使用哪种钢材经历了一番讨论。由于结构设计和大跨度等因素的影响,如果使用强度低的钢材,厚度至少要达到220毫米,而钢板越厚,焊接越难,尤其是断面增大之后,在焊接过程中容易产生缺陷,在受力比较复杂的情况下,会带来一系列的问题。

此外,钢材出厂后并不是直接使用到建筑上,而是焊成方形柱或矩形柱来使用,如果用低强度的钢,需要把柱子焊的很大,不利于加工制作。在高强度钢材中,高合金钢材虽然强度大,但可焊性差,并且在低温下对压力的承受力不如低合金钢材。

最终,110毫米厚、强度超过普通钢材一倍的低合金高强度钢Q460E-Z35成为不可替代的最佳之选。

(“鸟巢”用Q460E-Z35样品)

“鸟巢”是国内首次应用Q460级别高强度钢材的建筑。之前,Q460钢材仅用在机械方面,如大型挖掘机等。这是因为,建筑结构用钢和工程机械用钢不尽相同,建筑结构用钢首先要具有良好的抗震性。强度低的钢材延伸率高,能像弹簧一样在受到强大外力影响时,通过变形吸收外力的能量,防止断裂,更有利于提高抗震性能。

Q460钢材被公认为是建筑结构用钢的顶级产品,曾经只有韩国和日本等极少数国家才能生产。当时在“鸟巢”的建设中,如果从国外进口Q460钢材,不但交货期长而且价格昂贵,还可能导致“鸟巢”施工再度延期,更重要的是,奥运工程全部“中国制造”的梦想将就此破灭。

那么,这种Q460钢材的生产究竟难在哪儿呢?

(二)“鸟巢钢”生产难在哪?集各种最高要求于一身

中国造的高楼大厦千千万,用的钢材不计其数,为什么Q460E-Z35就生产不了?

简单来说,因为这种钢板的技术要求达到了低合金高强度钢之最,厚度、强度、韧性、焊接性等各种性能都是最高要求。

(桁架柱使用的Q460E-Z35钢性能要求苛刻)

Q460E-Z35中的“Q”代表钢材的屈服强度,“460”表示屈服强度为460兆帕,普通钢材屈服强度只有235兆帕,比Q460小将近一半。“E”代表质量等级为最高级,“Z35” 代表厚度方向(Z向)性能级别。这种钢集刚强、柔韧于一体,从而保证了“鸟巢”在承受460兆帕的外力后,依然可以恢复到原有形状,也就是说能抵抗唐山大地震那样的地震波。

Q460E-Z35最大厚度达到110毫米,超过《国家低合金高强度结构钢标准》(GB/T1591)中Q460钢板的最大厚度100毫米;要求强度460兆帕,是低合金高强结构钢中强度最高的级别;要求保证-40℃低温韧性,属于该类钢冲击试验温度最低的等级;要求抗层状撕裂性能达到Z35,是国家标准中的最高级别。

同时,为了保证钢结构的抗震性能,还要求这种钢具有极低的屈强比和高延伸率:屈强比≤0.83、延伸率≥20%,而无论是国内还是国外,460兆帕级别钢板的延伸率要求都是≥17%。

(当时国家标准对Q460钢的性能要求)

所有的这些要求单是其中一项就已经是高标准,更何况要让一种钢板符合所有要求,而且这些要求也已经超过当时最先进钢铁企业的生产要求和产品标准。

比如,德国生产的符合ENl0113标准的DILLI-MAX460,其最大厚度为80毫米,屈强比仅能保证≤ 0.88,伸长率仅保证≥17%;日本生产的BT-HT440,屈强比及伸长率虽能满足要求,但抗层状撕裂性能仅保证Z25的要求。

所以,为了实现Q460E-Z35钢材的国产化,北京奥组委发了愁。

(三)国产攻关:精料、精炼、精轧、精整

为了实现“鸟巢”100%中国制造的夙愿,北京奥组委专门召集国内大型钢铁企业进行座谈、征求意见。最终,拥有“共和国功勋轧机”——4200毫米特厚板热连轧机的舞阳钢铁公司承担下了Q460E-Z35钢板研发生产任务。

(被誉为“共和国功勋轧机”的4200毫米轧机)

为了保证按时保质完成攻关任务,舞钢实行了“精料、精炼、精轧、精整”的方针,采用了微合金化成分设计、洁净钢冶炼、大钢锭无缺陷浇铸、严格的控轧控冷、热处理等一系列工艺技术保证措施,确保钢板各项性能全部达到“鸟巢”的设计规范。

微合金元素含量增加会提高钢材强度,但同时会降低钢材焊接性,给后期使用造成巨大困难。为此,科研人员不断改进工艺,在保证低碳当量的基础上,摸索出了微合金元素的合理含量,解决了高强度与易焊性的矛盾。

为了保证一定的压缩比,Q460E-Z35钢板全部采用钢锭成材,而钢锭厚度增大后,凝固过程中易产生偏析、疏松、气孔等质量缺陷。舞钢专门研究开发了大钢锭无缺陷浇铸工艺,大幅度改善了大钢锭的内部质量。

(大钢锭浇铸)

作为钢材的组织成分,晶粒越细,钢材的韧性越好。但随着钢板厚度的增加,轧制后冷却速度降低,不利于细化晶粒。针对这一问题,研究人员通过降低轧制温度和增加压下量,使晶粒的表面积更大并在表面再结晶,从而保证钢板的低温韧性。

2004年9月,Q460钢第一次试制开始进行,钢板除了强度不符合标准外,其他指标全都合格;2005年3月,第二次试制进行,强度和其他指标达到要求,但低温冲击韧性实验的结果却不能满足要求;2005年5月,第三次试制完成,低温冲击韧性的问题得到解决,产品终于达到“鸟巢”的使用要求;2005年7月,为“鸟巢”量身定制的Q460E-Z35开始批量生产,100%中国制造的目标全面完成。

在“鸟巢”建设完成以后,修建“鸟巢”所剩余的全部钢材被制成“鸟巢第一榀钢雕”收藏品,以纪念中国奥运史上的这一壮举。奥运会结束后,舞钢因其贡献获得了北京奥运会特别贡献奖。

(完全采用建造“鸟巢”的剩余钢材按1:100的标准比例打造的“鸟巢第一榀钢雕” )

结语

完全钢铁结构的“鸟巢”从设计变为现实,是建筑业的奇迹,而“鸟巢钢”Q460钢材在中国科研人员的努力下从无到有,实现自主生产,更是金属材料业的壮举。

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编辑| 史文慧

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