CN106735021A

CN106735021A - 一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺

Info

Publication number: CN106735021A
Application number: CN201611007526.8A
Authority: CN
Inventors: 宋金平; 李林; 杨利委; 赵张发
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2016-11-16
Filing date: 2016-11-16
Publication date: 2017-05-31

Abstract

本发明公开了一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，该连铸工艺有效避免发生漏钢，合适的保护渣及合理的冷却工艺，避免铸坯出现表面纵裂纹，采用结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌，改善钢的各元素成分偏析，大幅度提高高强紧固件耐候钢铸坯质量，生产稳定。

Description

一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种连铸工艺，具体的说是一种新型免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺。

背景技术

耐候钢的开发研究早在1910年就开始了，Buck D.M.首先开发了能够抑制在大气中锈蚀的含铜钢，从1916年起，美国材料试验协会以及英国钢铁协会组织实施了大规模的钢材耐候性露天试验，获知Cu、Cr、P等元素对于提高钢材耐候性最有效，Ni、Mo、Al、V、Ti等元素也有一定的效果；耐候钢并不是不发生锈蚀，而是在使用的初期阶段与普通钢一样生锈，只是两者在其后的锈蚀速度不同而已，普通钢随着锈蚀的进展，锈层膨胀变厚，Fe₃O₄形成并开始产生裂缝，随后锈层发生剥离，从而进一步加剧锈蚀向内部进展，而耐候钢在干燥与潮湿的环境交替变化中，钢材表面上形成由Cu、Cr、P等元素浓缩后的致密且连续的安定锈层；

耐候钢的抗大气腐蚀机理和主要合金元素的作用：耐候钢较普碳钢有良好的抗大气腐蚀能力，其中合金元素起到了决定性作用，使钢铁材料在锈层和基体之间形成一层约50～100μm厚的致密且与基体金属粘附性好的非晶态尖晶石型氧化物层；由于这层致密氧化物膜的存在，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，从而大大提高了钢铁材料的耐大气腐蚀能力；并且，由于锈层的稳定，使得非裸露用耐候钢的涂装层不易脱落，研究表明，依耐候钢成分不同，钢构件使用环境不同，耐候钢的抗大气腐蚀能力可比普通钢提高2～8倍，涂装性可提高1.5～10倍，包括:l)降低锈层的导电性能，自身沉淀并覆盖钢表面;2)影响锈层中物相结构和种类，阻碍锈层的生长;3)推迟锈的结晶;4)加速钢均匀溶解;5)加速Fe²⁺向Fe³⁺的转化，并能阻碍腐蚀产物的快速生长;6)合金元素及其化合物阻塞裂纹和缺陷，进一步研究结果表明，耐候钢中加入的合金元素对其耐大气腐蚀性能的影响不尽相同；

C:对钢的耐大气腐蚀不利，同时C影响钢的焊接性能、冷脆性能和冲压性能等；

Si:与其他元素如Cu、Cr、P、Ca配合使用可改善钢的耐候性；

Mn:对耐蚀性的影响还没有一致认识，较多学者认为，Mn能提高钢对海洋大气的耐蚀性，但对在工业大气中的耐蚀性没有什么影响，耐候钢中Mn含量一般为0.5%～2%；

P:是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一，一般P含量在0.08%～0.15%时耐蚀性最佳，当P与Cu联合加入钢中时，显示出更好的复合效应，在大气腐蚀条件下，钢中的P是阳极去极化剂，它在钢中能加速钢的均匀溶解和Fe²⁺的氧化速率，有助于在钢表面形成均匀的FeOOH锈层，促进生成非晶态经基氧化铁FeOx(OH)_3-2x致密保护膜，从而增大了电阻，成为腐蚀介质进入钢基的保护屏障，使钢内部免遭大气腐蚀，当磷形成PO₄ ^3－时还起到缓蚀作用；

S:对耐候起不良作用，作为残余元素，其含量被控制在小于0.04％以下。

Cr:能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。耐候钢中Cr含量一般为0.4%～1%(最高1.3%)。当Cr与Cu同时加入钢中时，效果尤为明显；最近MasatoYamashita等人研究指出，Cr含量提高利于细化α－FeOOH，当锈层/金属界面的α－FeOOH中Cr含量超过5%时，能有效抑制腐蚀性阴离子，特别是Cl^－离子的侵入;同时T.Kamimura等人认为，添加Cr元素还可以阻止干湿交替过程中干燥时Fe³⁺、Fe²⁺的还原反应，从而提高钢的耐候性，但在Cl^－离子含量较高的地区，添加Cr元素被认为是有害的；

Ni：是一种比较稳定的元素，加入Ni能使钢的自腐蚀电位向正方向变化，增加了钢的稳定性；

Cu：在钢中加入0.2%一0.4%的Cu时，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都具有较普碳钢优越的耐蚀性能，关于Cu对改善钢的耐大气腐蚀性能作用机理，说法不一，主要有两种机制:一为Tomashov提出的促进阳极钝化论，认为钢与表面二次析出的Cu之间的阴极接触，能促使钢阳极钝化，并形成保护性较好的锈层;另一是Cu富集说，认为Cu在基体与锈层之间形成Cu、P为主要成份的的阻挡层，它与基体结合牢固，因而具有较好的保护作用；这些解释都是基于Cu在钢的表面及锈层中的富集现象，因此这两种机制可能同时起作用，值得注意的是，Cu有抵消钢中S的有害作用的明显效果，其作用特点是钢中S含量愈高，合金元素Cu减低腐蚀速率的相对效果愈显著，一般认为这是Cu和S生产难溶的硫化物所致；

Mo:当钢中含0.4%一0.5%Mo时，在大气腐蚀环境(尤其是工业大气)下钢的腐蚀速率可能降低二分之一以上；

耐大气腐蚀钢中耐蚀合金元素的作用特点，是经长期使用后，才显示出来的，耐蚀效果研究还表明，可以提高钢的抗大气腐蚀性能的合金元素应满足以下条件:l)在铁中的溶解度大于锈层中的溶解度;2)可以和铁形成固溶体;3)可以提高钢的电位；

近二、三十年来，我国在修建跨越大江、大河及海湾桥梁时，钢桥以其高强、快速及跨越能力大而成为不可替代的桥型，得到迅猛的发展，但钢结构桥梁必须解决锈蚀问题，人们曾在涂装的耐久性上动了不少脑筋，并取得了成功，使得涂装的使用期限大大地延长，即使这样，再次涂装仍无法避免，涂装费用仍很可观，而且无法从根本上消除隐患，因而人们设想从材质上下功夫，开发一种难以锈蚀的而且一次性造价不太高的桥梁用的钢种，即耐候钢，耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢，耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素制造而成，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性；其耐候性为普碳钢的2~8倍，涂装性为普碳钢的1.5~10 倍，耐候钢并非不锈钢，初期同普通碳钢一样也会锈蚀，后期情况则不同，耐候钢锈蚀一段时间后由于钢表面Cu、P 等微量元素富集，形成一层致密的非晶态锈层组织，并与基体结合得非常牢固，这层稳定化锈层能够在一定程度上抵御大气中水气及有害离子的侵入，防止基体金属进一步腐蚀，耐候钢在使用时，可以涂装、裸用或进行稳定化处理，涂装时的要求与普通碳钢相同；

概括而言，耐候钢的优点主要有：

（1）节约桥梁初期成本：同普通钢加涂装相比，大大减少涂装系统的费用，从而节约初期成本，由国外的调查研究结果表明，通常耐候钢的费用比普通钢加涂装低 5%左右；

（2）降低桥梁全寿命成本：耐候钢桥降低对将来维修养护的要求，不仅大大减小维修的直接费用，而且减小包括中断交通或占用铁路的间接费用，这些费用远远超过总费用的5%。

（3）减少工厂和现场涂装，加快建造速度；

（4）耐候钢桥最终呈耐看的深褐色，随时间增长与环境协调；

（5）涂装释放挥发性有机物，而耐候钢可以避免或减少涂装，对环境影响小；

从整个使用期的费用来衡量，一般认为耐候钢桥相比普通钢桥的费用较低，因此，将维护费用较低的耐候钢应用到桥梁中，会有很好的经济效益，有研究美国的耐候钢与普通钢每吨使用量的造价比较，采用等级50的钢材，比较可知，耐候钢比普通钢的制造价格高约5%，但是普通钢的涂漆防护费用却是两者间制造差价的3倍，考虑到使用期间的重新油漆费用比初期油漆费用要高，因此，一般认为从整个使用期间的费用来衡量，耐候钢桥的费用远远低于普通钢桥的费用；

日本建设省土木研究所推算的耐候钢桥与普通钢桥的费用指数，得出使用60年后的普通钢桥的费用为耐候钢桥的约1.5倍，100年后为2倍以上，从整个使用期间的费用来看耐候钢桥显示较好的经济效果；

耐候高强紧固件在美、日、欧已被强制性地要求用于免涂装耐候钢桥的构件连接和安装，美国免涂装耐候钢桥已经超过一万座，在每年新增的近30座钢桥中大部分采用耐候设计，目前我国正在积极推动免涂装耐候钢桥的建造，川藏线藏木大桥采用免涂装耐候的方案已通过审核，大渡河大桥也拟建成免涂装耐候钢桥；为此，要求尽快解决所有耐候钢材配套及相关制造安装技术，目前国内耐候高强紧固件产品还处于空白，急需自主研制，南钢开发NHL10耐侯钢桥紧固件用钢，以适应市场需求，填补国内耐候高强紧固件产品的空白。

但该钢种在连铸生产过程易产生漏钢事故，钢坯表面容易出现表面纵裂纹，连铸过程中易发生漏钢事故主要由于该类钢种含有铬、铜、镍等元素，坯壳易与结晶器铜板发生粘连，从而发生粘结漏钢，因为该钢种的磷、铜、矾等元素含量高，在结晶过程中偏析倾向大，使钢的晶界脆化，易产生裂纹；

目前避免发生漏钢事故，出现表面纵裂纹的主要方法是选用合适的保护渣及合理的一冷、二冷工艺，该钢种合金含量较多，生产过程中应保证二冷段喷嘴严格对中，并适当降低连铸拉速及二冷冷却强度，避免连铸裂纹的产生；铸坯表面缺陷过深，部分铸坯无法通过修磨处理使用，只能报废。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，该连铸工艺有效避免发生漏钢，合适的保护渣及合理的冷却工艺，避免铸坯出现表面纵裂纹，采用结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌，改善钢的各元素成分偏析，大幅度提高高强紧固件耐候钢铸坯质量，生产稳定。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，该连铸工艺包括以下步骤：

（1）铸机开始浇注前，将保护渣放入保护渣烘烤炉进行烘烤，烘烤温度控制在140±10℃，烘烤时间为40±10min，确保保护渣干燥与进行预热，所述结晶器保护渣质量百分比计包括以下组分：SiO₂：30±5%，CaO：22±5%，MgO：2.5±0.5%，Al₂O₃：10.5±1%，Fe₂O₃：2.5±1%，MnO₂：≤1.1%，Na₂O：3.5±1.5%，F^－：3.5±1.5%，C_tot：15.7±1.5%，H₂O(105℃)：≤0.5%，以上各成分的重量百分之和为100%，R：0.7±0.15，其中R是碱度，即CaO/SiO₂的比值；

（2）连铸采用全保护浇注，大包至中间包、中间包至结晶器全保护浇注，中间包开浇前灌氩气，钢包到中间包采用长水口氩封保护浇注，中间包到结晶器采用整体内装浸入式水口保护浇注，中间包中钢水使用覆盖剂，中间包连续测温；在连铸浇注过程中采用结晶器电磁搅拌，结晶器液面采用全自动液面检测，连铸拉速按中间包过热度自动控制，结晶器及二冷自动配水，结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌；

（3）浇注过程中，保护渣每个流每次加入0.5±0.1kg，循环时间为5±1min，确保结晶器内保护渣的渣面保持稳定，保护渣总渣层厚度在4±0.5cm，维持三层结构，目视渣面不得见红，每隔15±3min，进行一次结晶器渣带清理工作，其中：

保护渣总渣的三层结构从上至下为粉渣层、烧结层和液渣层。

本发明进一步限定的技术方案为：

前述免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺中，连铸采用小方坯连铸机浇注，断面150mm×150mm。

前述免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺中，连铸时一冷及二冷工艺采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.61±0.03L/kg。

前述免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺中，结晶器电磁搅拌参数为电流（300－400）A，频率（2-3）Hz；末端电磁搅拌参数为电流（250－300）A，频率（7-8）Hz。

前述免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺中，保护渣的物理指标为：熔点（℃）：1093±50，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：10±3，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.80±0.2。

本发明的有益效果是：

连铸浇注顺利，铸坯内外部质量良好，表面无裂纹出现，轧制圆钢的钢材性能满足用户要求，已用于免涂装耐候钢桥。

本发明连铸工序中保护渣采用低碳包晶钢保护渣，改善结晶器传热，避免坯壳与结晶器铜板发生粘连引起的粘结漏钢。

该连铸工艺有效避免发生漏钢，合适的保护渣及合理的冷却工艺，避免铸坯出现表面纵裂纹，采用结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌，改善钢的各元素成分偏析，大幅度提高高强紧固件耐候钢铸坯质量，生产稳定。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，该连铸工艺包括以下步骤：

（1）铸机开始浇注前，将保护渣放入保护渣烘烤炉进行烘烤，烘烤温度控制在140℃，烘烤时间为40min，确保保护渣干燥与进行预热，所述结晶器保护渣质量百分比计包括以下组分：SiO₂：35%，CaO：26%，MgO：2.5%，Al₂O₃：11.2%，Fe₂O₃：2.5%， MnO₂： 1.1%，Na₂O：3.5%，F^－：3.5%，C_tot：14.2%，H₂O(105℃)： 0.5%，以上各成分的重量百分之和为100%，R：0.74，其中R是碱度，即CaO/SiO₂的比值；

保护渣的物理指标为：熔点（℃）：1093，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：10，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.80；

（2）连铸采用全保护浇注，大包至中间包、中间包至结晶器全保护浇注，中间包开浇前灌氩气，钢包到中间包采用长水口氩封保护浇注，中间包到结晶器采用整体内装浸入式水口保护浇注，中间包中钢水使用覆盖剂，中间包连续测温；在连铸浇注过程中采用结晶器电磁搅拌，结晶器液面采用全自动液面检测，连铸拉速按中间包过热度自动控制，结晶器及二冷自动配水，结晶器电磁搅拌，末端电磁搅拌，其中：

结晶器电磁搅拌参数为电流300A，频率2Hz；末端电磁搅拌参数为电流250A，频率7Hz；

（3）浇注过程中，保护渣每个流每次加入0.5kg，循环时间为5min，确保结晶器内保护渣的渣面保持稳定，保护渣总渣层厚度在4cm，维持三层结构，目视渣面不得见红，每隔15min，进行一次结晶器渣带清理工作，其中：保护渣总渣的三层结构从上至下为粉渣层、烧结层和液渣层。

在本实施例中，连铸时一冷及二冷工艺采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.61L/kg。

实施例2

（1）铸机开始浇注前，将保护渣放入保护渣烘烤炉进行烘烤，烘烤温度控制在150℃，烘烤时间为50min，确保保护渣干燥与进行预热，所述结晶器保护渣质量百分比计包括以下组分：SiO₂：31.2%，CaO：22%，MgO：3%，Al₂O₃：11.5%，Fe₂O₃：3.5%， MnO₂： 1.1%，Na₂O：5%，F^－：5%，C_tot：17.2%，H₂O(105℃)： 0.5%，以上各成分的重量百分之和为100%，R：0.71，其中R是碱度，即CaO/SiO₂的比值；

保护渣的物理指标为：熔点（℃）：1143，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：13，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：1；

结晶器电磁搅拌参数为电流400A，频率3Hz；末端电磁搅拌参数为电流300A，频率8Hz；

（3）浇注过程中，保护渣每个流每次加入0.6kg，循环时间为6min，确保结晶器内保护渣的渣面保持稳定，保护渣总渣层厚度在4.5cm，维持三层结构，目视渣面不得见红，每隔18min，进行一次结晶器渣带清理工作，其中：保护渣总渣的三层结构从上至下为粉渣层、烧结层和液渣层。

在本实施例中，连铸时一冷及二冷工艺采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.64L/kg。

实施例3

（1）铸机开始浇注前，将保护渣放入保护渣烘烤炉进行烘烤，烘烤温度控制在130℃，烘烤时间为30min，确保保护渣干燥与进行预热，所述结晶器保护渣质量百分比计包括以下组分：SiO₂：30%，CaO：27%，MgO：2.7%，Al₂O₃：11.2%，Fe₂O₃：3%， MnO₂： 1.1%，Na₂O：4%，F^－：4%，C_tot：16.5%，H₂O(105℃)： 0.5%，以上各成分的重量百分之和为100%，R：0.9，其中R是碱度，即CaO/SiO₂的比值；

保护渣的物理指标为：熔点（℃）：1043，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：7，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.6；

结晶器电磁搅拌参数为电流350A，频率3Hz；末端电磁搅拌参数为电流280A，频率7.5Hz；

（3）浇注过程中，保护渣每个流每次加入0.4kg，循环时间为4min，确保结晶器内保护渣的渣面保持稳定，保护渣总渣层厚度在3.5cm，维持三层结构，目视渣面不得见红，每隔12min，进行一次结晶器渣带清理工作，其中：保护渣总渣的三层结构从上至下为粉渣层、烧结层和液渣层。

在本实施例中，连铸时一冷及二冷工艺采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.58L/kg。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，其特征在于，该连铸工艺包括以下步骤：

（3）浇注过程中，保护渣每个流每次加入0.5±0.1kg，循环时间为5±1min，确保结晶器内保护渣的渣面保持稳定，保护渣总渣层厚度在4±0.5cm，维持三层结构，目视渣面不得见红，每隔15±3min，进行一次结晶器渣带清理工作，其中：保护渣总渣的三层结构从上至下为粉渣层、烧结层和液渣层。

2.根据权利要求1所述的免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，其特征在于：连铸采用小方坯连铸机浇注，断面150mm×150mm。

3.根据权利要求1所述的免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，其特征在于：连铸时一冷及二冷工艺采用弱冷模式，二冷水比水量控制在0.61±0.03L/kg。

4.根据权利要求1所述的免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，其特征在于：结晶器电磁搅拌参数为电流（300－400）A，频率（2-3）Hz；末端电磁搅拌参数为电流（250－300）A，频率（7-8）Hz。

5.根据权利要求1所述的免涂装耐候钢桥用高强紧固件耐候钢的连铸工艺，其特征在于：所述保护渣的物理指标为：熔点（℃）：1093±50，粘度（Pa.s/1300℃，poise）：10±3，粒度（0.15-1mm）：≥90%，容重（g/cm³）：0.80±0.2。