一、研究的背景與問題
建筑圍護(hù)用鋼是航空樞紐、會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、工業(yè)建筑、物流倉儲(chǔ)等大中型建筑工程的重要材料，高耐蝕產(chǎn)品的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)高端建筑長(zhǎng)壽、環(huán)保、低碳的重要發(fā)展方向之一。過去20年，雖然我國(guó)的涂鍍行業(yè)實(shí)現(xiàn)了高速發(fā)展，和國(guó)外的差距逐漸縮小，但長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)了家電彩涂無鉻，但是建筑無鉻一直處于空白。為了應(yīng)對(duì)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(jí)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(duì)實(shí)現(xiàn)鋼鐵產(chǎn)品高端化，引領(lǐng)建筑圍護(hù)用鋼升級(jí)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(shù)、涂覆技術(shù)方面存在以下難點(diǎn)：
1、鍍液多元成分復(fù)雜，鍍液冶金機(jī)理、鍍層組織控制認(rèn)識(shí)不全面；
2、Mg元素化學(xué)穩(wěn)定性差，鍍液易氧化，鍍層易黑變，表面質(zhì)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(yīng)用。
二、解決問題的思路與技術(shù)方案
本項(xiàng)目由寶鋼股份牽頭，聯(lián)合湛江鋼鐵、武鋼有限、寶鋼國(guó)際、寶鋼工程、北京科技大學(xué)、梅山鋼鐵，通過產(chǎn)-學(xué)-研-用聯(lián)合攻關(guān)，聚焦鍍層、熱鍍、涂覆三方面的難點(diǎn)，開展了高耐蝕鍍層設(shè)計(jì)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(wù)攻關(guān)，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(shù)，滿足了低碳綠色建筑要求，廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)等重點(diǎn)工程。
圖1 項(xiàng)目總體思路
三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果
1，開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高耐蝕高鋁鋅鋁鎂鍍層，引領(lǐng)了我國(guó)建筑圍護(hù)用鋼升級(jí)。
（1）多元合金鍍層設(shè)計(jì)
研究了Mg對(duì)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(píng)估，與鋁鋅鍍層相比，實(shí)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(duì)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(duì)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(kuò)蝕的作用，中性鹽霧條件下的，幅度可以達(dá)到38%-60%?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，確定了鍍層Zr微合金化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)一步降低了處理膜源自切口的失效蔓延。
圖3 Zr對(duì)高鋁鋅鋁鎂鍍層的影響 a）Zr對(duì)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(guān)系，確定了Cr在鍍液中的飽和溶解度，當(dāng)鍍液中Fe、Cr同時(shí)存在時(shí)會(huì)形成Al-Fe-Cr-Si金屬間化合物。發(fā)現(xiàn)了Cr會(huì)在鍍層表面和鍍層/基板界面合金層中富集，具有進(jìn)一步延緩白銹和紅銹的作用。確定了Cr的添加范圍，實(shí)現(xiàn)了Cr微合金化。
圖4 Cr對(duì)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(jì)算結(jié)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(shù)，研制了鋅灰抑制與鍍后冷卻系列裝備，率先實(shí)現(xiàn)了百萬噸級(jí)穩(wěn)定制造。
（1）鍍層表面質(zhì)量控制技術(shù)
針對(duì)鍍層表面質(zhì)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(shù)；開發(fā)了基于微量Ca添加和N2氣刀的面渣控制技術(shù)，面渣發(fā)生率降低了70%以上；開發(fā)了基于板溫和感應(yīng)加熱器功率的底渣控制技術(shù)，操調(diào)底渣撈渣量下降了75%，實(shí)現(xiàn)了百萬噸級(jí)高鋁鋅鋁鎂鍍層鋼板穩(wěn)定制造。
圖5 高鋁鋅鋁鎂表面質(zhì)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(shù)
針對(duì)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(dòng)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(yīng)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(shù)，實(shí)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(shù)，攻克了黑變、無鉻預(yù)處理、無鉻初涂、高耐蝕涂層等難題，率先實(shí)現(xiàn)了建筑圍護(hù)用鋼全無鉻。
（1）無鉻耐指紋黑變控制技術(shù)
針對(duì)無鉻耐指紋鍍層鋼板的黑變難題，揭示了合金相電位差驅(qū)動(dòng)下的高鋁鋅鋁鎂鍍層無鉻耐指紋膜下黑變機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了黑變誘發(fā)的熱力學(xué)因素是MgZn2相膜下優(yōu)先腐蝕，黑變快速擴(kuò)展的動(dòng)力學(xué)因素是膜下堿化導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物保護(hù)性轉(zhuǎn)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(shù)。
圖7 高鋁鋅鋁鎂無鉻耐指紋膜下黑變機(jī)制
（2）彩涂全面無鉻化技術(shù)
針對(duì)彩涂無鉻預(yù)處理和無鉻初涂的難題，集成了多臺(tái)套無鉻涂層裝備；確定了無鉻預(yù)處理鈍化液配方、涂覆及檢測(cè)工藝，實(shí)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(biāo)之間的平衡問題，實(shí)現(xiàn)低溫高精度板溫連續(xù)檢測(cè)與閉環(huán)控制，率先實(shí)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(shù)
針對(duì)折彎時(shí)涂層裂紋明顯、超厚涂層易起泡、變形部位與化學(xué)品接觸易發(fā)黑等難題，本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了100 μm厚超厚氟碳彩涂板穩(wěn)定制造和應(yīng)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(duì)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(duì)比 a）中性鹽霧試驗(yàn)（圖中h為小時(shí)），b）循環(huán)腐蝕試驗(yàn)（圖中c為循環(huán)次數(shù)，1c=8h）
四、應(yīng)用情況與效果
本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)了大規(guī)模穩(wěn)定制造，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空樞紐、航空樞紐、會(huì)展中心、體育場(chǎng)館、工業(yè)建筑、物流倉儲(chǔ)、光伏、畜牧、鋼鐵、石化等建筑工程，并實(shí)現(xiàn)了向歐美等國(guó)出口，2021-2023年累計(jì)完成銷量近200萬噸，創(chuàng)造了較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
本項(xiàng)目研究成果及相關(guān)技術(shù)有效提升了建筑圍護(hù)用鋼的耐蝕性，引領(lǐng)了高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板技術(shù)的發(fā)展。經(jīng)成果評(píng)價(jià)，該項(xiàng)目達(dá)到“國(guó)際領(lǐng)先水平”，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景，有著巨大的社會(huì)效益。建筑圍護(hù)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(xiàn)。
圖11寶鋼高鋁鋅鋁鎂涂鍍鋼板“第一卷”
