CN101376951A - 高强度桥梁斜拉索及悬索镀锌钢丝用盘条及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种1670MPa级桥梁斜拉索及1770MPa级桥梁悬索镀锌钢丝用盘条，包括以下化学元素(wt％)：C：0.8－0.85，Si：0.12－0.32，Mn：0.6－0.9，P≤0.025，S≤0.025，Cr≤0.2，V≤0.04，Cu≤0.2，其余为不可避免的杂质元素。本发明还提供这种盘条的制造方法。本发明提供的这种盘条抗拉强度Rm：1170～1250MPa、断后伸长率A≥8％、断面收缩率Z≥30％(经过时效后的断面收缩率≥35％)，用其生产的镀锌钢丝完全满足1670MPa级桥梁斜拉索(及1770MPa级桥梁悬索)镀锌钢丝的技术要求。

Description

高强度桥梁斜拉索及悬索镀锌钢丝用盘条及其制造方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，更具体地，本发明涉及桥梁缆索镀锌钢丝。

背景技术

悬索桥和拉索桥是现代大跨桥梁的重要的结构形式，特别是在跨越峡谷、海湾、大江、大河等不易修筑桥墩的地方架设大跨径的特大桥梁时，往往都选择悬索桥和斜拉桥的桥型。

悬索桥由悬索、塔架、锚锭、吊杆、加劲梁和桥面组成，桥面荷载经加劲梁、吊杆传给悬索，再由悬索传至塔架和两端的锚锭。斜拉桥由拉索、索塔、主梁、和桥面组成，桥面荷载经主梁传给拉索、再由拉索传到索塔。

悬索桥和斜拉桥的受力体系主要包括：①桥面体系；②支承桥面体系的缆索系统；③支承缆索系统的桥塔；④对于悬索桥，还包括固定缆索系统的锚绽。

支承桥面体系的缆索系统中的桥梁斜拉索(悬索)镀锌钢丝是整个桥梁的关键承重部件，必须具备高强度、高动载疲劳寿命(≥200万周次)、高韧性，要达到上述要求，盘条必须满足以下几点：第一，盘条成分设计必须合理；第二，盘条成分要均匀；第三，夹杂物级别(含量)尽可能低；第四，严格控制S、P、H、O、N含量及残余元素；第五，盘条索氏体含量要高；第六，严格控制盘条的脱碳层深度。

桥梁斜拉索(悬索)镀锌钢丝用盘条，在国外有生产能力的国家有日本、德国等少数几个国家，尤以日本盘条为最优。而在我国，此类盘条的生产尚为空白，目前国内市场主要由日本盘条垄断。

通过检索国内外专利数据库，用于桥梁缆索镀锌钢丝用材料的化学元素主要有以下几种，如表1所示：

表1：主要化学元素(wt％)

在中国国内桥梁工程竞标过程中，日本新日铁盘条主要以高碳高硅盘条为主，主要化学元素含量如表2所示：

表2：日本新日铁桥梁斜拉索(悬索)镀锌钢丝用盘条主要化学元素(wt％)

目前，国际上在实际应用中，通过调整化学成分来提高预应力钢丝、钢绞线及桥梁缆索镀锌钢丝用盘条原始强度的途径主要有二种，一种是通过添加微量合金元素(Mn、Cr、V等)来强化盘条的原始强度，一种是添加硅(Si)元素来强化盘条的原始强度，而用添加硅(Si)元素来强化盘条的原始强度仅为日本新日铁一家，国内外其它厂家均通过添加微量合金元素(Mn、Cr、V等)来强化盘条的原始强度，如日本神户制钢、德国撒斯特、英钢联、宝钢股份等国内外著名厂家。

桥梁缆索镀锌钢丝不仅要有高的抗拉强度，还要有良好的塑性指标及疲劳寿命等，除了盘条化学成分是满足上述指标的基础外，还必须要有良好的纯净度——气体含量(氢、氧、氮)、有害元素(硫、磷)及残余元素(铜等)低，及非金属夹杂物级别(或含量)低，同时盘条的索氏体含量要高(通常要求≥90％)。

为了能在确保镀锌钢丝抗拉强度的前提下，确保镀锌钢丝的高动载疲劳寿命(≥200万周次)和高韧性，且降低成本，本发明者对各合金元素在钢中的作用进行了分析，并改进了制造工艺，从而完成了本发明。

因此，本发明的第一个目的在于提供一种1670MPa级桥梁斜拉索及1770MPa级桥梁悬索镀锌钢丝用盘条。

本发明的第二个目的在于提供这种1670MPa级桥梁斜拉索及1770MPa级桥梁悬索镀锌钢丝用盘条的制造方法。

发明内容

一种桥梁斜拉索镀锌钢丝用盘条，其特征在于，包含以下化学元素(wt％)：C：0.8-0.85，Si：0.12-0.32，Mn：0.6-0.9，P≤0.025，S≤0.025，Cr≤0.2，V≤0.04，Cu≤0.2，其余为不可避免的杂质元素。

各合金元素含量及其作用：

钢中的化学元素是确保材料力学性能的基本保证。本发明通过添加微量合金元素Cr、V来提高盘条的原始强度。

铬是强碳化物形成元素，它基本上是置换渗碳体内的铁原子而形成合金渗碳体(Fe.Cr)3C。增强了Fe和C的亲和力，从而提高奥氏体的稳定性，阻止热轧时晶粒长大，提高索氏体化形成能力。

钒也是强碳化物形成元素，与铬具有相近的特性，钒的添加含量甚微，一般都在0.01～0.08％范围内。但其与氮的亲和力大于铝。因而炼钢时N与Al含量必须严格控制，控制不当会减少阻止晶粒长大的氮化铝，形成实际粗晶粒，尤其共析钢左右的含碳量，使其韧性下降。

钢中碳元素的均匀性：对高碳钢而言，碳在钢中的均匀性，对材料力学性能、金相组织的均匀性至关重要，因此对钢坯中心碳和中心碳偏析(钢坯中心碳/钢水熔炼碳)作如下控制：钢坯中心碳：≤0.92％；钢坯中心碳偏析(钢坯中心碳/钢水熔炼碳)：≤1.1。

夹杂物(含量)控制：夹杂物是影响钢材疲劳寿命的主要因素之一，为此，对钢中夹杂物的控制要求如下：按GB/T10561标准检验：A≤2.0级、B≤1.5级、C≤1.5级、D≤1.5级；按JISG0555标准检验：夹杂物含量总和≤0.1％。

控制S、P、H、O、N含量及残余元素：对钢水的S、P、H、O、N含量及残余元素控制如下：S≤0.004％、P≤0.015％、H≤2PPm、O≤15PPm、N≤40PPm、Cu≤0.06％。

盘条金相组织：盘条索氏体含量≥90％，不应有网状渗碳体和淬火组织(马氏体和屈氏体区域)。

盘条脱碳层深度：盘条应进行脱碳层深度检验，盘条一边总脱碳层(铁素体+过渡层)的深度不得大于0.07mm。

本发明还提供1670MPa级桥梁斜拉索及1770MPa级桥梁悬索镀锌钢丝用盘条的制造方法，包括冶炼及浇铸、初轧、高线轧制，其特征在于，冶炼步骤中的炉外精炼步骤采用钢包精炼炉法和真空循环脱气法相结合，其中真空循环脱气法中真空度<2τ、保持15分钟以上、纯脱气时间大于5分钟、终温度为1520±20℃；浇铸步骤中采用直径50mm水口、本体注速≥7分钟、补注时间≥2分钟；高线轧制步骤中斯太尔摩线控制冷却采用快速冷却方式。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为浇铸步骤中注余残钢量≥2吨。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为钢包精炼炉法中纯吹Ar渣洗时采用底吹Ar方式，纯渣洗时间为≥3分钟，F〔O〕(自由氧)控制在≤10ppm。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为高线轧制步骤中精轧机组进口温度为980±25℃、减定径机组进口温度为950±25℃、吐丝温度为920±20℃。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为斯太尔摩线控制冷却中斯太尔摩辊式运输线采用辊子直径为Φ13—Φ11mm、每段辊道速度控制为0.86-1.39m/s、每台风机风量控制为0-100％。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为冶炼步骤中注余残钢量≥1吨。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为冶炼步骤中转炉冶炼过程中留钢操作后渣厚<150mm，炉后配碳目标为0.6-0.8％。

本发明提供的制造方法中，一种优选的实施方式为初轧步骤中待轧时间控制在3小时内、大剪切头率≥12％、单锭大剪收得率≤85.5％。

综上所述，制造工艺可以采用如下流程：脱硫铁水、转炉、炉外精炼、钢锭浇注、初轧均热、开坯、大剪切头尾、6VH连轧轧制142²、飞剪定尺剪切、钢坯表面机械清理、高线加热炉加热、高线控制轧制、高线斯太尔摩线控制冷却、盘条表面检查、取样检验、盘条打捆、挂标牌、入库、出厂。

其中，各主要步骤的工艺要求如下：

1.冶炼及浇铸步骤：

1)使用厂内返回废钢，控制Cu、Ni、Mo等混杂元素；

2)入炉铁水控制扒渣等级；

3)铁水量应保证注余残钢量≥1吨；

4)转炉温度按低[P]、低[N]冶炼基准操作；

5)吹炼过程中进行微正压操作；吹止碳≥0.03％；出钢进行留钢操作，渣厚<150mm；炉后配碳使用低氮碳粉；转炉出钢仅加脱氧铝；

6)炉后配碳目标：0.50～0.80％；

7)炉外精炼钢包精炼炉法(LF)：分批加入石灰、脱硫渣、发泡剂等渣样，使炉渣流动性良好；在LF操作过程中造好泡沫渣埋弧，防止增氮；采用Al渣及钙质脱氧化剂强化脱氧，按接近目标上限调整AL的成份；在成份配好、温度调整好进行纯吹Ar渣冼时，适当控制吹Ar压力及吹Ar流量，以弱搅拌为准，避免钢水翻动至裸露，确保炉渣脱氧效果；采用底吹Ar，纯渣洗时间保持3分钟左右；Si、Mn等可调整到目标范围内，配碳应考虑电极增碳，为保险起见，LF炉可预留几个碳由RH调整；在LF开始及结束测定自由F〔O〕，使LF终F〔O〕控制在≤10ppm；

8)炉外精炼真空循环脱气法(RH)：真空度<2 τ，保持15分钟以上；控制C-CR加入量<500Kg，力争在RH处理前期加入，最后一批C—CR加入量<300Kg；纯脱气时间大于5分钟；进行RH终F[O]测定；RH终温度控制为1520℃±20℃；

9)浇注及整脱模：锭模清扫干净；浇注采用Φ50mm水口，控制本体注速≥7分钟，补注时间≥2分钟；注余残钢量≥2吨；钢锭严禁放冷；整脱模应准备好Ar封砖，浇钢时采用吹Ar保护，并控制好Ar流量，以防止卷渣，以锭模内钢水不裸露为准。

2.初轧步骤：1)均热炉加热；2)待轧时间控制在3小时内；3)确保在线热火焰清理投入，进行四面清理；4)确保大剪切头率≥12％，单锭大剪收得率≤85.5％；5)钢坯进行表面机械清理。

3.高线轧制步骤：1)钢坯加热炉出炉温度：1080±25℃；2)在线温度控制：精轧机组进口温度：980±25℃，减定径机组进口温度：950±25℃，吐丝温度：920±20℃；3)斯太尔摩线控制冷却：采用快冷方式，其中保温罩全部打开，辊道速度控制和风机风量分别控制如下(表3、4)：

表3 辊道速度控制(米/秒)

表4 风机风量控制(％)

有益效果：

通过对材料优化设计及制造工艺设计，本发明所提供的钢丝盘条，其力学性能如下：抗拉强度Rm：1170～1250MPa；断后伸长率A≥8％；断面收缩率Z≥30％(经过时效后的断面收缩率≥35％)。用其生产的镀锌钢丝完全满足1670Mpa级桥梁斜拉索(及1770MPa级桥梁悬索)镀锌钢丝的技术要求(表5)。

表5 国标GB/T17101对Φ7.0mm 1670MPa级镀锌钢丝主要技术指标

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在权利要求书的范围内。

实施例1

根据表6所示化学元素的含量进行脱硫铁水、转炉、炉外精炼、钢锭浇注，随后进行初轧均热、开坯、大剪切头尾、6VH连轧轧制142²、飞剪定尺剪切、钢坯表面机械清理、高线加热炉加热、高线控制轧制、高线斯太尔摩线控制冷却、盘条表面检查、取样检验、盘条打捆、挂标牌、入库、出厂。随后进行元素含量测定(见表10)、钢坯中心碳和中心碳偏析测定(见表11)、夹杂物控制测定(见表12)、索氏体含量与脱碳层深度控制测定(见表13)。

表6 高碳钢(0.82％)所含化学元素(wt％)

比较例1

根据表7所示的化学元素比例，按实施例1所述的工艺流程进行生产。元素含量测定见表10、钢坯中心碳和中心碳偏析测定见表11、夹杂物控制测定见表12、索氏体含量与脱碳层深度控制测定见表13。

表7 化学元素(wt％)

比较例2

根据表8所示的化学元素比例，按实施例1所述的工艺流程进行生产。元素含量测定见表10、钢坯中心碳和中心碳偏析测定见表11、夹杂物控制测定见表12、索氏体含量与脱碳层深度控制测定见表13。

表8 化学元素(wt％)

比较例3

根据表9所示的化学元素比例，按实施例1所述的工艺流程进行生产。元素含量测定见表10、钢坯中心碳和中心碳偏析测定见表11、夹杂物控制测定见表12、索氏体含量与脱碳层深度控制测定见表13。

表9 化学元素(wt％)

测试结果

表10 化学元素含量测定(wt％)

表11 钢坯中心碳和中心碳偏析

表12 夹杂物控制

表13 索氏体含量与脱碳层深度控制

工业实用性

用本发明材料通过某金属制品有限公司试制成的Φ7.0mm 1670MPa级镀锌钢丝，并委托某缆索有限公司编成3根Φ7.0mm×73索后，委托中国船舶工业金属结构试验检测中心进行200万周次的动载疲劳强度试验及静载试验，考核由用本发明材料研制的高强度钢丝能否满足斜拉索的技术规范和设计要求，经检验，全部合格要求。

用本发明材料通过某二家金属制品有限公司制成的Φ5.1mm 1770MPa级镀锌钢丝，通过国内权威机构检测，完全满足大桥建设的技术规范和设计要求，已成功应用于中国第一、世界第二的舟山连岛工程西堠门大桥及广东佛山平胜大桥、湖北沪蓉西四渡河大桥、贵州镇胜公路坝陵河大桥等桥梁，填补了中国国内生产空白。

Claims (9)

1.一种1670MPa级桥梁斜拉索及1770MPa机桥梁悬索镀锌钢丝用盘条，其特征在于，包括以下化学元素(wt％)：C：0.8-0.85，Si：0.12-0.32，Mn：0.6-0.9，P≤0.025，S≤0.025，Cr≤0.2，V≤0.04，Cu≤0.2，其余为不可避免的杂质元素。

2.权利要求1所述一种1670MPa级桥梁斜拉索及1770MPa级桥梁悬索镀锌钢丝用盘条的制造方法，包括冶炼及浇铸、初轧、高线轧制，其特征在于，所述冶炼步骤中的炉外精炼步骤采用钢包精炼炉法和真空循环脱气法相结合，其中真空循环脱气法中真空度<2τ、保持15分钟以上、纯脱气时间大于5分钟、终温度为1520±20℃；所述浇铸步骤中本体注速≥7分钟、补注时间≥2分钟；所述高线轧制步骤中斯太尔摩线控制冷却采用快速冷却方式。

3.如权利要求2所述的制造方法，其中所述浇铸步骤中注余残钢量≥2吨。

4.如权利要求2所述的制造方法，其中所述钢包精炼炉法中纯吹Ar渣洗时采用底吹Ar方式，纯渣洗时间为≥3分钟，F(O)控制在≤10ppm。

5.如权利要求2所述的制造方法，其中所述高线轧制步骤中精轧机组进口温度为980±25℃、减定径机组进口温度为950±25℃、吐丝温度为920±20℃。

6.如权利要求2所述的制造方法，其中所述斯太尔摩线控制冷却中斯太尔摩辊式运输线采用的辊子直径为Φ13—Φ11mm、每段辊道速度控制为0.86-1.39m/s、每台风机风量控制为0-100％。

7.如权利要求2所述的制造方法，其中所述冶炼步骤中铁水量应保证注余残钢量≥1吨。

8.如权利要求2所述的制造方法，其中所述冶炼步骤中转炉冶炼过程中留钢操作后渣厚<150mm，炉后配碳目标为0.6-0.8％。

9.如权利要求2所述的制造方法，其中所述初轧步骤中待轧时间控制在3小时内、大剪切头率≥12％、单锭大剪收得率≤85.5％。