CN102634730B

CN102634730B - 一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条及其制造方法

Info

Publication number: CN102634730B
Application number: CN201210132587.2A
Authority: CN
Inventors: 姚赞; 宋洪伟; 万根节; 张弛; 蔡海燕
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2032-04-28
Also published as: CN102634730A

Abstract

一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.81-0.90％，Si：0.70-1.60％，Mn：0.60-0.90％，Ni：0.02-1.20％，W：0.00-0.25％，Al：0.015-0.030％，Cr：0.00-0.70％，V：0.00-0.15％，Ca：0.002-0.006％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。本发明盘条及其制备方法，无须盐浴处理，可采用常规拉拔工艺生产，经拉拔、镀锌后的成品钢丝强度高于1860MPa，扭转值达到14次，可以适应特大跨度桥梁建设需要。

Description

一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条及其制造方法

技术领域

本发明涉及高碳钢盘条生产技术，特别涉及一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条及其制造方法，该盘条经拉拔、镀锌、稳定化处理后强度可达1860MPa以上，同时具有良好的强韧性配合，可用于生产大跨径桥梁缆索。

背景技术

悬索桥和斜拉索桥是目前跨越海湾、峡谷、大江、大河的大跨度桥梁设计的首选形式。悬索桥指的是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的缆索作为上部结构主要承重构件的桥梁，从缆索垂下许多吊杆，吊住桥面。斜拉索桥由拉索、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。

随着社会和技术的发展，悬索桥和斜拉索桥跨度不断增加，世界上已建成的悬索桥跨径接近2000米，而斜拉索桥的跨径也已超过1000米。随着桥梁跨径的增加，对桥梁缆索用关键原材料镀锌钢丝提出了更高的性能要求，研究超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝已成为人们关注的重点。

目前桥梁缆索用镀锌钢丝强度等级由1670MPa发展到目前广泛应用的1770MPa，并逐步向1860MPa级别推进。

现有镀锌钢丝如中国专利CN101376951A和CN101311288B提供的成分合金只能满足1670和1770MPa桥梁缆索用镀锌钢丝生产，无法达到1860MPa的强度要求。为使成品钢丝强度达到更高的等级，常用的办法是添加Nb、V、Cr、Zr、B等合金化元素或者是提高盘条中Si元素含量，通过元素固溶、碳氮化物析出和细化晶粒的途径强化材料。虽然通过以上方法有利于提高桥梁缆索用镀锌钢丝的强度，但将使得钢丝的另一重要指标扭转值无法保证。

目前改善高强度镀锌钢丝扭转性能的方法主要有以下几种：

1、热轧后对高硅盘条进行整卷的盐浴淬火处理，使盘条通条具有均匀一致的索氏体组织，从而改善成品钢丝的扭转，如美国专利US20060137776A1、US20090229711A1和日本专利JP60208463A所述合金盘条。

2、对盘条拉拔工艺进行改进，增加中间铅浴热处理工序，对盘条进行两次拉拔生产镀锌钢丝，如韩国专利KR20080051671中所述。

3、通过控制合金中P元素含量到0.01％以下，并防止其凝固过程中的偏析，降低P对钢丝扭转性能的严重破坏，如中国专利CN101565797B中所述。

然而上述方案均存在较大的不足，主要表现为：盐浴处理过程将对环境和工人健康造成极大的危害，且设备投资太大。对盘条采用两次拉拔工艺，并进行中间铅浴热处理将增加钢丝生产难度和时间，导致能耗和成本升高，同时还存在铅污染的问题。控制合金中P元素含量到0.01％以下，将极大地增加炼钢的难度，降低成材率，增加材料成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条及其制造方法，无须盐浴处理，可采用常规拉拔工艺生产，经拉拔、镀锌后的成品钢丝强度高于1860MPa，扭转值达到14次，可以适应特大跨度桥梁建设需要。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条，其成分重量百分比为：C：0.81-0.90％，Si：0.70-1.60％，Mn：0.60-0.90％，Ni：0.02-1.20％，Al：0.015-0.030％，Ca：0.002-0.006％，P≤0.015％，S≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。

进一步，还包含W、Cr、V中的一种以上，W：0.00-0.25％，Cr：0.00-0.70％，V：0.00-0.15％，重量百分比计。

本发明钢的成分设计中：

C，是保证盘条及镀锌钢丝高强度所必需的化学成分，盘条在高温轧制后的控冷过程中将形成以索氏体为主的显微组织，该组织中渗碳体片层将起到强化材料的作用。在该合金成分体系下，当盘条碳含量低于0.81％时材料的强度将无法达到要求。提高合金碳含量将有利于控冷过程中盘条中形成更大体积分数的渗碳体，从而使得材料强度提高。但当钢中碳含量过高时将导致合金凝固过程中成分偏析加剧，材料韧性恶化。因此，C含量的范围选择为0.81-0.90％。

Si，冶炼过程中Si元素常作为脱氧剂加入钢中，同时固溶于铁素体相中的Si将起到强化材料的作用。此外，盘条冷却相变过程中Si元素还将在铁素体相和渗碳体相界面富集，经过大减面率拉拔的钢丝在铅浴脱脂和热镀锌过程中，Si元素在相界面的富集将减缓大变形渗碳体片层的分解，减小钢丝强度的损失。但过高的Si将增大C的石墨化倾向，同时降低钢的韧性。为使得镀锌钢丝具有高的强韧性配合，需将合金中Si元素含量控制在0.70-1.50％。

Mn，在炼钢过程也常作为脱氧剂添加，同时Mn易与钢中的有害元素S结合形成MnS，降低其危害。此外，Mn还是钢中常用的强化元素，主要起到固溶强化的作用，但当Mn含量过高时将增大钢晶粒粗化的和成分偏析倾向，因此选择Mn的范围在0.60～0.90％。

Ni，通过添加Ni元素，控制盘条热轧后斯太尔摩空冷过程中奥氏体组织转变，提高盘条索氏体含量至95％以上，同时细化渗碳体片层结构，改善盘条拉拔性能，防止钢丝早期拉拔过程中出现显微缺陷降低成品扭转值。此外，细化的片层结构可以降低钢丝扭转过程微观应力集中，提高扭转性能。但过高的Ni将增加材料合金成本，因此将Ni含量控制在0.02～1.20％范围。

W，添加有利于提高钢的淬透性和强度，同时还可防止拉拔钢丝在450℃左右铅浴和镀锌过程中有害元素在晶界和片层相界面的富集使材料脆化降低扭转性能，因此钢中添加0.00-0.25％W。

Al，是炼钢过程中最有效的脱氧元素，同时弥散分布的Al₂O₃颗粒将阻碍加热过程中合金奥氏体晶粒的长大，有利于细化盘条晶粒。但当钢中Al含量过高时，将形成粗大的Al₂O₃夹杂，将显著降低盘条的拉拔性能，因此Al选择的范围为0.015～0.03％。

P、S元素含量过高将显著降低成品镀锌钢丝的扭转性能，因此需要在炼钢过程中加以控制，为改善成品钢丝的韧性将P、S含量控制在0.015％以下。

Ca，钢中脆性夹杂物的存在将极大的降低钢丝扭转值，扭转测试初期就将在夹杂物处形成裂纹，造成材料非正常断裂。通过添加Ca元素对钢中脆性夹杂物进行改性，降低其熔点，使其易于在炼钢过程中上浮除去。同时还有利于细化盘条中夹杂物尺寸，提高盘条的拉拔性能和成品钢丝扭转值。当钢中Ca元素含量过低时，无法充分发挥其作用，过高则会增加成本，因此Ca元素优选的控制范围为0.002-0.006％。

此外，进一步添加Cr元素将有利于提高钢的奥氏体稳定性，细化盘条的索氏体片层结构，提高盘条及成品钢丝的强度。微合金化的V元素在热轧过程主要固溶于奥氏体中，将在后续冷却过程中以VN和VC的形式沉淀析出强化盘条。因此选择Cr元素的范围为0.00-0.50％，V元素的范围为0.00-0.15％。

本发明1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条的制造方法，包括如下步骤：

1)冶炼，

盘条的化学成分重量百分比为：C：0.81-0.90％，Si：0.70-1.60％，

Mn：0.60-0.90％，Ni：0.02-1.20％，W：0.00-0.25％，Al：0.015-0.030％，

Cr：0.00-0.70％，V：0.00-0.15％，Ca：0.002-0.006％，P：≤0.015％，

S：≤0.015％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于

0.05％；经电炉或转炉冶炼后进行LF炉精炼和VD处理，控制钢中

P、S元素含量低于0.015％，真空脱气时间需大于20分钟，同时控

制钢中O含量低于15ppm，N含量低于35ppm，H含量低于2ppm；

出钢前喂入Si-Ca线进行夹杂物变性处理，喂入量为2～3m/吨钢；

2)采用大方坯连铸机浇注成方坯，方坯尺寸为300～550mm；浇铸过程中采用氩气保护，并控制坯料心部碳偏析低于1.08；控制坯料心部碳偏析低于1.08，防止方坯心部出现网状渗碳体和马氏体异常组织；

3)轧制，采用二火成材工艺，

将连铸坯于1100～1200℃温度下初轧开坯为150-250mm方坯料，总压下量大于30％，方坯料经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，入加热炉加热，加热控制在950～1100℃，保温时间为1～4h；

盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为100～120m/s，轧制盘条尺寸规格为Φ8-14.5mm，总压下量大于99％；精轧机组进口温度控制为920～990℃，减定径机组进口温度为920～990℃，吐丝温度为820～960℃；

4)盘条轧制后通过调整斯太尔摩线风机分量控制盘条组织转变，优化盘条组织；斯太尔摩线14台风机分量调整范围为：F1-F8风机风量为70-100％，F9-F12风机风量为65-100％，F13-F14风机风量为0-45％，对盘条进行快速冷却细化组织，经斯太尔摩冷却后盘条组织中索氏体含量高于95％。

进一步，连铸过程中，采用结晶器电磁搅拌和凝固末端轻压下，总压下量大于20mm。

本发明的有益效果：

本发明盘条显微组织主要以索氏体为主(索氏体化率≥95％)，心部碳偏析低于1.08，盘条抗拉强度将达到1280-1450MPa，断面收缩率为35-45％。

采用上述成分和制造方法生产的盘条经拉拔、镀锌、稳定化处理后，可生产出1860MPa等级的桥梁缆索用镀锌钢丝，同时钢丝具有良好的强韧性匹配，扭转值高于14次。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

表1中所示为本发明的实施例1-8的高等级镀锌钢丝盘条产品的化学成分如下。

实施例1-8的盘条的制备方法如下：

该合金经电炉或转炉冶炼后进行LF炉精炼和VD处理；电炉或转炉冶炼过程按低N、低P操作方法进行，吹炼过程正压控制，增加一次扒除旧渣造新渣操作，控制钢中P元素含量低于0.015％。LF处理工程中，造碱性渣充分脱硫，至S元素含量低于0.015％，并进行底吹氩，吹氩压力以钢水不裸露为准，使钢液中夹杂物与渣充分接触脱除；VD真空处理过程采用软吹氩操作，且脱气时间需大于25分钟；最终控制钢中O含量低于15ppm，N含量低于35ppm，H含量低于2ppm；出钢前喂入Si-Ca线进行夹杂物变性处理，喂入量为2m/吨钢；

采用大方坯连铸机在氩气保护下浇注为320×425mm方坯，控制连铸钢包和中间包余钢量，其中钢包余钢量大于10吨，中包余钢量大于5吨。采用结晶器电磁搅拌和凝固末端轻压下，总压下量大于20mm，控制坯料心部碳偏析低于1.08。

随后连铸坯于1150-1200℃温度下初轧开坯为180～230mm方坯料。方坯料经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，入加热炉加热，加热控制在960～1100℃，保温时间为1～2h。

盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为110m/s。在线温度控制为：精轧机组进口温度为920～980℃，减定径机组进口温度为920～980℃，吐丝温度为820～960℃。

轧制盘条尺寸规格为Φ8-14mm，盘条轧制后斯太尔摩线14台风机分量调整范围为：F1-F8风机风量为75-100％，F9-F 12风机风量为65-100％，F13-F14风机风量为0-30％。

表1本发明的合金钢实施例1-8的化学成分(wt％)

本发明的实施例1-8的高等级镀锌钢丝盘条规格、显微组织和力学性能如下表2中所示。

表2实施例盘条规格、显微组织及力学性能

实施例	盘条规格/mm	索氏体化率/％	抗拉强度/MPa	面缩率/％
					1	10	96	1290	45
2	12	95	1300	37
					3	14	95	1320	42
4	11	96	1450	36
					5	13.5	97	1350	40
6	13	96	1390	39
					7	12	99	1330	37
8	14	98	1370	36

实施例1-8的高等级镀锌钢丝盘条经7-9道次拉拔、钢丝镀锌、稳定化处理后，成品钢丝抗拉强度、延伸率、扭转圈数。

表3实施例成品钢丝力学性能

实施例	抗拉强度/MPa	延伸率/％	扭转值/次
				1	1860	5.5	22
2	1900	5.0	20
				3	1910	4.0	15
4	1950	4.5	15
				5	1895	4.5	17
6	1930	4.5	18
				7	1880	5.5	19
8	1915	4.0	14

本发明的高强度盘条经拉拔镀锌后可用于生产1860MPa级桥梁缆索。目前斜拉索桥跨度已超过1000m，而悬索桥跨度也已接近2000m，随着桥梁跨度的增加为降低建设成本、节约材料，均需采用高等级的镀锌钢丝缆索。该盘条的成功开发其市场前景广阔，必将带来巨大的经济效益。

Claims

1.一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条，其化学成分重量百分比为：

C：0.81-0.90％，

Si：0.70-1.60％，

Mn：0.60-0.90％，

Ni：0.02-1.20％，

Al：0.015-0.030％，

Ca：0.002-0.006％，

P：≤0.015％，

S：≤0.015％，

W：0.01-0.25％，

其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％。

2.如权利要求1所述的1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条，其特征是，还包含Cr、V中的一种以上，Cr：0.00-0.70％，V：0.00-0.15％，重量百分比计。

3.一种1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，

盘条的化学成分重量百分比为：C0.81-0.90％，Si0.70-1.60％，Mn0.60-0.90％，Ni0.02-1.20％，Al0.015-0.030％，Ca0.002-0.006％，P≤0.015％，S≤0.015％，W：0.01-0.25％，其余为Fe和不可避免的杂质，杂质元素的总量低于0.05％；经电炉或转炉冶炼后进行LF炉精炼和VD处理，控制钢中P、S元素含量低于0.015％，真空脱气时间需大于20分钟，同时控制钢中O含量低于15ppm，N含量低于35ppm，H含量低于2ppm；出钢前喂入Si-Ca线进行夹杂物变性处理，喂入量为2～3m/吨钢；

2)采用大方坯连铸机浇注成方坯，方坯尺寸为300～550mm；浇铸过程中采用氩气保护，并控制坯料心部碳偏析低于1.08；

3)轧制，采用二火成材工艺，

将连铸坯于1100～1200℃温度下初轧开坯为150-250mm方坯料，方坯料经涡流探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，入加热炉加热，加热控制在950～1100℃，保温时间为1～2h；

盘条高速线材轧制过程中控制轧制速度为100～120m/s，精轧机组进口温度为920～990℃，减定径机组进口温度为920～990℃，吐丝温度为820～960℃；

4)轧制盘条尺寸规格为Ф8-14.5mm，盘条轧制后通过调整斯太尔摩线风机分量控制盘条组织转变，优化盘条组织；斯太尔摩线14台风机分量调整范围为：F1-F8风机风量为70-100％，F9-F12风机风量为65-100％，F13-F14风机风量为0-45％；经斯太尔摩冷却后盘条组织中索氏体含量高于95％。

4.如权利要求3所述的1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条的制造方法，其特征是，所述的盘条化学成分还包含Cr、V中的一种以上，Cr：0.00-0.70％，V：0.00-0.15％，重量百分比计。

5.如权利要求3所述的1860MPa级桥梁缆索镀锌钢丝用盘条的制造方法，其特征是，连铸过程中，采用结晶器电磁搅拌和凝固末端轻压下，总压下量大于20mm。