一、研究的背景與問題
建筑圍護用鋼是航空樞紐、會展中心、體育場館、工業(yè)建筑、物流倉儲等大中型建筑工程的重要材料，高耐蝕產(chǎn)品的應用是實現(xiàn)高端建筑長壽、環(huán)保、低碳的重要發(fā)展方向之一。過去20年，雖然我國的涂鍍行業(yè)實現(xiàn)了高速發(fā)展，和國外的差距逐漸縮小，但長期以來鍍層以純鋅為主，缺少鋅鋁鎂系高耐蝕鍍層；在彩涂方面，雖然實現(xiàn)了家電彩涂無鉻，但是建筑無鉻一直處于空白。為了應對建筑行業(yè)的上述發(fā)展需求，鋼鐵行業(yè)需要提供高耐蝕鍍層、全無鉻彩涂的升級產(chǎn)品，因此開發(fā)高耐蝕高鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板及其彩涂產(chǎn)品對實現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品高端化，引領建筑圍護用鋼升級具有非常重要的意義。
高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板開發(fā)在鍍層開發(fā)、熱鍍技術、涂覆技術方面存在以下難點：
1、鍍液多元成分復雜，鍍液冶金機理、鍍層組織控制認識不全面；
2、Mg元素化學穩(wěn)定性差，鍍液易氧化，鍍層易黑變，表面質量控制難度大；
3、常規(guī)無鉻處理彩涂板耐蝕性及涂層附著性差，制約了全無鉻彩涂鋼板建筑行業(yè)應用。
二、解決問題的思路與技術方案
本項目由寶鋼股份牽頭，聯(lián)合湛江鋼鐵、武鋼有限、寶鋼國際、寶鋼工程、北京科技大學、梅山鋼鐵，通過產(chǎn)-學-研-用聯(lián)合攻關，聚焦鍍層、熱鍍、涂覆三方面的難點，開展了高耐蝕鍍層設計與開發(fā)、熱鍍工藝與裝備開發(fā)、無鉻涂層與裝備開發(fā)三大任務攻關，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的高耐蝕高鋁鋅鋁鎂鍍層及其熱浸鍍和無鉻涂層成套技術，滿足了低碳綠色建筑要求，廣泛應用于機場等重點工程。
圖1 項目總體思路
三、主要創(chuàng)新性成果
1，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的高耐蝕高鋁鋅鋁鎂鍍層，引領了我國建筑圍護用鋼升級。
（1）多元合金鍍層設計
研究了Mg對鍍層耐蝕性、鍍液氧化、鍍液Fe含量、鋅鍋沉沒件的影響，確定了鍍層主成分，完成了多種條件下的耐蝕性評估，與鋁鋅鍍層相比，實現(xiàn)了平面耐蝕性提升50%，切口耐蝕性提升100%，C3環(huán)境失效壽命承諾由20年提升至30年。
圖2 高鋁鋅鋁鎂鍍層（AM）與鋁鋅鍍層（AZ）耐蝕性對比 a）循環(huán)腐蝕（封邊，680C）；b）循環(huán)腐蝕（不封邊，430C）；c）大氣腐蝕切口（江津、4年）；d）AM和AZ平面耐蝕性對比（中性鹽霧，封邊）
（2）Zr微合金化
首次發(fā)現(xiàn)了添加微量Zr元素提高鍍層極表層Al/Zn比及延緩擴蝕的作用，中性鹽霧條件下的，幅度可以達到38%-60%?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，確定了鍍層Zr微合金化設計方案，進一步降低了處理膜源自切口的失效蔓延。
圖3 Zr對高鋁鋅鋁鎂鍍層的影響 a）Zr對鍍層表面Al/Zn的影響）；b）不含Zr鍍層表面Zn元素面分布；c）含Zr鍍層表面Zn元素面分布
（3）Cr微合金化
首次揭示了鍍液中Cr和Fe的溶度積關系，確定了Cr在鍍液中的飽和溶解度，當鍍液中Fe、Cr同時存在時會形成Al-Fe-Cr-Si金屬間化合物。發(fā)現(xiàn)了Cr會在鍍層表面和鍍層/基板界面合金層中富集，具有進一步延緩白銹和紅銹的作用。確定了Cr的添加范圍，實現(xiàn)了Cr微合金化。
圖4 Cr對高鋁鋅鋁鎂鍍液的影響 a）鍍液中Cr、Fe飽和溶解度相互影響；b）AM-Cr相圖計算結果；c）底渣析出物元素面分布
2，開發(fā)了高鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板熱浸鍍成套技術，研制了鋅灰抑制與鍍后冷卻系列裝備，率先實現(xiàn)了百萬噸級穩(wěn)定制造。
（1）鍍層表面質量控制技術
針對鍍層表面質量控制的難題，研制了鋅灰抑制系列裝備，開發(fā)了鋅灰灰控制技術；開發(fā)了基于微量Ca添加和N2氣刀的面渣控制技術，面渣發(fā)生率降低了70%以上；開發(fā)了基于板溫和感應加熱器功率的底渣控制技術，操調(diào)底渣撈渣量下降了75%，實現(xiàn)了百萬噸級高鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板穩(wěn)定制造。
圖5 高鋁鋅鋁鎂表面質量控制 a）鋅灰抑制系列裝備及爐鼻子鋅灰抑制效果；b）面渣控制效果；c）底渣控制效果
（2）鍍層表界面組織控制技術
針對鍍后冷卻要求高的難題，研制了自穩(wěn)定大氣量可調(diào)節(jié)移動冷卻、自穩(wěn)定固定冷卻、受限空間多行程噴氣冷卻等鍍后冷卻系列裝備；確定了最佳合金層厚度及相應的帶鋼入鋅鍋溫度、帶速、鍍后冷卻等參數(shù)，建立了表面和界面組織控制技術，實現(xiàn)了鍍層表面Mg水解和界面合金層穩(wěn)定控制。
圖6 高鋁鋅鋁鎂鍍后冷卻系列裝備
3，開發(fā)了高鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板無鉻(Cr6+)涂層技術，攻克了黑變、無鉻預處理、無鉻初涂、高耐蝕涂層等難題，率先實現(xiàn)了建筑圍護用鋼全無鉻。
（1）無鉻耐指紋黑變控制技術
針對無鉻耐指紋鍍層鋼板的黑變難題，揭示了合金相電位差驅動下的高鋁鋅鋁鎂鍍層無鉻耐指紋膜下黑變機制，發(fā)現(xiàn)了黑變誘發(fā)的熱力學因素是MgZn2相膜下優(yōu)先腐蝕，黑變快速擴展的動力學因素是膜下堿化導致腐蝕產(chǎn)物保護性轉變。建立了以鍍后冷卻、耐指紋膜膜厚控制、涂后烘烤為核心的黑變控制技術。
圖7 高鋁鋅鋁鎂無鉻耐指紋膜下黑變機制
（2）彩涂全面無鉻化技術
針對彩涂無鉻預處理和無鉻初涂的難題，集成了多臺套無鉻涂層裝備；確定了無鉻預處理鈍化液配方、涂覆及檢測工藝，實現(xiàn)了膜重小范圍精確控制；優(yōu)化了初涂配方及工藝，解決了不同耐蝕性指標之間的平衡問題，實現(xiàn)低溫高精度板溫連續(xù)檢測與閉環(huán)控制，率先實現(xiàn)了寶鋼彩涂板全面無鉻化。
圖8 高鋁鋅鋁鎂無鉻初涂原理示意圖
（3）高耐蝕涂層技術
針對折彎時涂層裂紋明顯、超厚涂層易起泡、變形部位與化學品接觸易發(fā)黑等難題，本項目開發(fā)了高韌性高耐候聚酯、超厚氟碳、畜牧專用系列彩涂產(chǎn)品，實現(xiàn)了100 μm厚超厚氟碳彩涂板穩(wěn)定制造和應用，畜牧用彩涂板滿足了畜牧業(yè)25年漆膜完整性要求。
圖9 涂層改善前后對比 a）高韌性高耐候聚酯彩涂板；b）超厚氟碳彩涂板；c）畜牧用彩涂板
圖10 高鋁鋅鋁鎂鍍層（AM）和鋁鋅鍍層（AZ）普通聚酯彩涂板耐蝕性對比 a）中性鹽霧試驗（圖中h為小時），b）循環(huán)腐蝕試驗（圖中c為循環(huán)次數(shù)，1c=8h）
四、應用情況與效果
本項目開發(fā)的高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板系列產(chǎn)品，已在寶鋼股份寶山、東山、青山三大制造基地實現(xiàn)了大規(guī)模穩(wěn)定制造，產(chǎn)品廣泛應用于航空樞紐、航空樞紐、會展中心、體育場館、工業(yè)建筑、物流倉儲、光伏、畜牧、鋼鐵、石化等建筑工程，并實現(xiàn)了向歐美等國出口，2021-2023年累計完成銷量近200萬噸，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟價值。
本項目研究成果及相關技術有效提升了建筑圍護用鋼的耐蝕性，引領了高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板技術的發(fā)展。經(jīng)成果評價，該項目達到“國際領先水平”，具有廣闊的推廣應用前景，有著巨大的社會效益。建筑圍護使用高耐蝕高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板替代原有的鋁鋅或鍍鋅涂鍍鋼板，全生命周期材料更換更少、用鋼量更少，具有更低的全生命周期成本和碳排放，可為生態(tài)環(huán)境做出積極貢獻。
圖11寶鋼高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板“第一卷”
