CN109468530B - 2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条及生产方法 - Google Patents

2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条及生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条，该产品的化学成分按重量百分比计为：C：0.90‑1.10％，Si：0.20‑0.60％，Mn：0.30‑0.90％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.10‑0.40％，Al：0.010‑0.070％，V：0.02‑0.15％，Cu：≤0.05％，Ca：20‑40ppm，N：20‑90ppm，其它为Fe及不可避免的残余元素；盘条索氏体组织含量≥95％，抗拉强度通圈极差≤70MPa(均匀性)，盘条经过拉拔、镀锌后，镀锌钢丝抗拉强度≥2000MPa，扭转次数≥12次。该盘条的工艺流程，铁水预处理、转炉或电炉炼钢、LF精炼、RH脱气处理—390*510大方坯连铸—坯料再加热—坯料轧制—中间坯表面精整—中间坯再加热—中间坯轧制—盘条在线EDC水浴韧化处理—盘条收集打包。

Description

2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条及生产方法
技术领域
本发明属于钢丝生产技术领域，更具体的是涉及≥2000MPa级高强度大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条及生产方法。
背景技术
数据显示，桥梁缆索钢丝强度每提高100MPa，其自重可以减轻10％，缆索直径相应减小，迎风阻力相应减小，从而降低了大桥受风力和风向的影响。
随着钢铁企业技术的不断进步，大桥缆索用镀锌钢丝强度记录不断更新，从1670Mpa级、1770Mpa级、1860Mpa级、1960Mpa级到目前的2000Mpa级。在强度级别满足要求的同时，对钢丝扭转指标也具有严格的要求，扭转指标的高低直接反应了材料韧性的好差，该指标直接关系到桥梁的安全性。
为保障大跨度桥梁的轻量化与安全性，对悬索、斜拉索等桥梁缆索制品的抗拉强度、扭转次数、疲劳寿命等指标提出了更高的要求。所以，钢铁企业生产大桥缆索用盘条在成分设计方面要具有创新性，在盘条生产工艺流程方面要具有创新性，在盘条韧化热处理方面要具有创新性，生产的盘条经过拉拔、镀锌后强度和韧塑性应具有最佳匹配。
目前国内生产用于制造该类型镀锌钢丝的盘条成分设计普遍采用高C高Si成分体系，盘条韧化热处理普遍采用stelmor风冷工艺或在线风冷+离线盐浴(或铅浴)热处理工艺。由于风冷工艺对盘条冷却速率低，组织索氏体含量在90％以下，盘条通圈抗拉强度极差在100MPa左右，生产规格上限只能达到Φ13.0mm，生产的符合镀锌钢丝指标要求的盘条也只能满足1860MPa级别，国内还未见用于2000MPa级别的盘条在线批量生产实例；采用盘条在线风冷+盘条离线盐浴(或铅浴)热处理工艺，需要将盘条风冷到室温，然后盘条放线成直条进加热炉重新奥氏体化加热，出炉后经过盐浴或铅浴冷却，此工艺能耗高，对环境影响大，生产效率低，不符合国家提倡的低能耗、绿色环保型生产工艺。
目前，国内公开发表的专利信息有：中国专利公开号为CN 104624680A涉及到离线EDC的生产，材料进入EDC前需要将盘条重新加热奥氏体化，能源消耗较大，且该专利生产成品为制绳用钢丝，并没有实际应用到大桥缆索用镀锌钢丝的生产。
专利公开号为CN 102719643A的专利涉及到将热轧盘条快速放入到铅槽或盐槽中进行盘条的索氏体化，盘条冷却介质为铅液或盐液，对设备腐蚀性较大，对环境有一定的污染，生产的盘条主要用于制造钢丝绳，并没有实际应用到大桥缆索用镀锌钢丝的生产。
专利公开号为CN 107587071A的专利涉及到≥2100MPa桥梁缆索用钢及生产方法，该专利盘条成分C：0.92-0.94％，Si：0.70-0.90％，Mn：0.45-0.55％，P≤0.01％，S≤0.01％，Cr：0.07-0.09％，Nb：0.04-0.08％，Al：0.16-0.20％，N：0.0040-0.0080％，B：0.0010-0.0015％，Zr：0.0020-0.0050％，该成分设计为高Si成分设计，添加微量Cr，并添加Nb、B、Zr。生产工艺为将连铸坯纵向火焰切割，增加了生产成本，且该专利叙述吐丝后盘条风冷后待用。与本申请提出的盘条成分设计和生产工艺完全不同。
公开专利号为CN107299280A的专利涉及到2000MPa级缆索钢丝用热处理盘条及生产方法。该专利盘条成分C：0.85％-1.0％，Si：0.80-1.50％，Mn:0.30-0.80％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cr：0.20-0.80％，Al：0.010-0.080％，该专利成分设计为高Si成分设计，并添加一定的Mn、Cr、Al等合金元素。生产工艺为连铸坯经过轧制成盘条，盘条重新加热奥氏体化后采用离线盐浴进行热处理，生产成本高，生产效率低。与本申请提出的盘条成分设计和生产工艺完全不同。
公开专利号为CN 102936688B的专利涉及到抗拉强度≥2000MPa的桥梁缆索用线材及生产方法，该专利化学成分为C：0.95-1.20％，Si：0.10-0.48％，Mn：0.60-1.00％，P≤0.025％，S≤0.015％，Cr：0.10-0.50％，Al：0.05-0.15％，N：0.0100-0.0300％，该专利成分设计为中、低Si成分设计，并适当添加了Mn、Cr、Al合金，同时添加了非合金元素N。生产工艺为连铸坯经过轧制成盘条，盘条吐丝后进行风冷冷却。与本申请提出的盘条成分设计和生产工艺完全不同。
发明内容
本发明发明人开发出一款2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条及生产方法，能充分弥补以上不足，盘条成分设计新颖，采用高C，中低Si成分体系，并考虑到氢对延迟断裂的影响，添加了微量合金，精确控制稀有元素。盘条冷却方式采用在线EDC水浴韧化热处理，该生产工艺适用于生产Φ12.0mm-Φ16.0mm的桥梁缆索镀锌钢丝用盘条，采用该盘条生产的大桥缆索用镀锌钢丝抗拉强度≥2000MPa，扭转次数≥12次，盘条索氏体组织含量≥95％，抗拉强度通圈极差≤70MPa(均匀性)，该成分的产品及生产工艺填补了国内外的生产空白。
本发明具体的技术方案为：一种2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条，该产品的化学成分按重量百分比计为：C：0.90-1.10％，Si：0.20-0.60％，Mn：0.30-0.90％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.10-0.40％，Al：0.010-0.070％，V：0.02-0.15％，Cu：≤0.05％，Ca：20-40ppm，N：20-90ppm，其它为Fe及不可避免的残余元素；
上述热轧盘条的成分中，C含量进一步为0.95％-1.10％；Si含量进一步为0.40％-0.60％；Mn含量进一步为0.60％-0.90％；Cr含量进一步为0.30-0.40％；Al含量进一步为0.030％-0.070％；V含量进一步为0.05％-0.15％；Ca含量重量百分比为25-40ppm，N含量重量百分比为40-90ppm。
本申请采用独特的化学成分设计，除添加碳、硅、锰、铬等基本元素外，特意添加了铝、钒等合金元素，精确控制钙、氮元素含量，对磷、硫、铜元素的最低含量进行了限定。化学元素的设置依据如下：
碳(C)：碳是钢中的主要强化元素，一方面起间隙固溶强化作用；另一方面与碳化物形成元素形成化合物析出，起到析出强化作用。本发明中碳的重量百分比为0.90-1.10％，充分考虑了碳在奥氏体中的溶解量及后续EDC水浴冷却强度，冷却能力越强越能抑制二次渗碳体的析出，起到固溶强化提高盘条强度的作用。
硅(Si)：硅具有极高的固溶强化能力，能显著提高钢的冷加工硬化指数。在相变过程中，Si主要分配在铁素体中，从而提高渗碳体的稳定性，阻碍冷拔钢丝热镀锌过程中渗碳体片层的球化，减少热镀锌过程中强度损失，本发明中Si的重量百分比为0.20-0.60％。
锰(Mn)：锰倾向分配在渗碳体相中，而Si-Mn原子间距较小时，Si、Mn原子之间存在强烈的斥力，铁素体中Si含量较高时，Mn原子被排斥到渗碳体中。锰易在钢中产生偏析，冷却过程中容易形成低温马氏体组织，考虑到以上方面，本发明中Mn的重量百分比为0.30-0.90％。
铬(Cr)：铬添加可提高渗碳体的稳定性，阻碍冷拔钢丝热镀锌过程中渗碳体片层的球化，减少热镀锌过程中的强度损失。添加Cr元素还可以细化珠光体片层间距，有利于盘条塑性指标的提高，并且同时提高材料在拉丝过程中的加工硬化率。铬可降低钢中碳的活度，又是碳化物形成元素，因而能提高钢中碳的扩散激活能。本发明中碳的重量百分比为0.10-0.40％。
钒(V)：钒是碳化物形成元素，在轧制末期及相变过程中钒能起到细化晶粒及析出强化作用。最新研究表明，钒的碳(氮)化物相能够捕捉基体中氢原子，形成氢陷阱，避免高强钢中氢的危害，本发明中钒的重量百分比为0.02-0.10％。
氮(N)：氮主要起到时效强化作用，与添加的微量合金Ti、Al、V形成氮化物析出，提高盘条强度，本发明中控制氮含量为20ppm-90ppm。
磷、硫、铜(P、S、Cu)：该三种元素在本发明盘条中属于有害元素，应严格控制其含量。
钙(Ca)：钙对炼钢过程中形成的夹杂物起到变性作用，形成低熔点易变形的7Al2O3·12CaO化合物，提高盘条塑性及后续的拉拔加工性能，考虑到炼钢过程中Al2O3含量，Ca添加量为20-40ppm。
上述2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条的生产方法，参见流程：钢水冶炼—390*510大方坯连铸—坯料再加热—坯料轧制—中间坯表面精整—中间坯再加热—中间坯轧制—盘条在线EDC水浴韧化处理—盘条收集打包。
主要步骤如下
(1)钢水冶炼：包括铁水预处理、转炉或电炉炼钢、LF精炼、RH脱气处理，铁水在KR预处理中进一步降低P、S含量；转炉或电炉冶炼则采用高碱度渣系进行冶炼，控制出钢终点C≥0.45％；LF冶炼时控制白渣保持时间≥20分钟；RH控制高真空度≥5个循环周期，并保证总真空时间≥7个循环周期；
(2)连铸
采用中间包电磁感应加热，控制过热度≤20℃，采用凝固末端轻压下技术，总压下量为坯料厚度的5～12％，连铸出390*510大方坯坯型；
(3)坯料轧制
坯料采用两次加热，两次轧制工艺，大方坯加热温度≥1200℃，总加热时间≥12小时；将坯料轧制成150-200方中间坯，中间坯料进缓冷坑缓冷，入坑温度≥500℃，时间≥24小时，坯料出坑后对表面进行精整处理，防止表面缺陷遗留给盘条；中间坯再加热温度为1000℃-1200℃，总加热时间≥3小时，出炉后轧制成规定尺寸盘条；
(4)盘条在线EDC水浴韧化处理
坯料经过高速线材轧机轧制成规定直径的盘条，按以下工艺参数进行生产：
(4.1)盘条吐丝温度为820℃-910℃；
(4.2)盘条吐丝后经过在线热弛豫，热弛豫温度为810℃-890℃，热弛豫时间为10s-60s；
(4.3)盘条在线热弛豫后通过水浴冷却，水浴温度93℃-100℃，水浴冷却时间为20s-100s；
(4.4)盘条经过EDC水浴冷却后出水温度为510℃-610℃；
(4.5)盘条出水后进行热收集，热收集温度为190℃-410℃，热收集保温时间为30min至3h。
为了提高冷却均匀性，盘条在线EDC水浴韧化处理的EDC水箱冷却水中加入RX(卤代烃)介质，所述卤代烃，C原子数为2～6，所述卤素为溴、碘，卤代烃的浓度为5-80ppm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明盘条化学成分为中低Si含量，含量为0.20％-0.60％。在2000MPa及以上级别钢丝强度的提高往往靠添加Si元素来实现，盘条冷却工艺往往采用风冷后铅浴或盐浴。本发明采用中低Si成分设计，以满足盘条采用EDC水浴冷却生产；严格控制有害元素P、S、Cu，特别是S含量控制低于0.005％；添加微量合金元素Cr、Al、V等碳和(或)氮化物，起到析出强化作用，另外析出的弥散的细小颗粒能起到固氢作用，对防止氢的延迟断裂起到有利的效果；在冶炼过程中适当添加Ca起到对夹杂物的变性作用；适当控制N含量，形成氮化物析出起到析出强化的作用。
2、连铸采用中间包电磁感应加热技术，保证过热度在≤20℃范围内，保证坯料横断面成分均匀性。
3、采用390*510大方坯经两次加热两次轧制，总压缩比为99.9％，提高了横断面成分及组织均匀性，显著提高了晶粒度级别，从而提高产品强度。
4、本发明适合生产的盘条直径范围扩大到Φ12.0mm-Φ16.0mm。
5、盘条在入水前进行在线热驰豫。根据规格不同，热驰豫时间为10s-60s，进行相变前碳化物、氮化物的析出强化，并充分降低位错密度。
6、盘条出水后控制收集温度范围190℃-410℃，保温时间控制在30min-3h。起到在线退火、消除内应力及充分释放盘条内可扩散氢的作用。
7、盘条的冷却介质为水和RX介质混合液体，在冷却过程中产生的水蒸汽对环境无污染对人体健康无影响，符合国家提倡的绿色环保生产方法。
8、盘条经过拉拔、镀锌后，镀锌钢丝抗拉强度≥2000MPa，扭转指标≥12次。
附图说明
图1为本发明实施例1中EDC水浴韧化热处理金相显微组织图片；
图2为本发明实施例2中EDC水浴韧化热处理SEM图片。
具体实施方式
以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例1
炼钢分厂生产牌号为XC95LS，钢水经转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气，熔炼化学成分重量百分比为：C：0.90-1.0％，Si：0.40-0.60％，Mn：0.70-0.90％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.30-0.40％，Al：0.030-0.070％，V：0.06-0.15％，Cu：≤0.05％，Ca：25-40ppm，N：50-90ppm，其它为Fe及不可避免的残余元素。
连铸时，控制钢水过热度为15℃，连铸坯尺寸为390*510mm，坯料采用轻压下工艺，压下量为20mm，大方坯采用热装工艺生产，在炉加热温度1200℃，保温时间12小时，轧制成中间坯，尺寸为200方，中间坯料入保温坑温度500℃，保温24小时后出坑，对表面质量进行检查，经表面精整消除表面缺陷，而后入加热炉加热，加热温度1200℃，保温时间3小时，出炉后轧制成Φ14.0mm盘条。
盘条经过高速线材轧制成规定规格后吐丝，按以下工艺参数进行在线EDC水浴韧化处理：盘条吐丝温度为820℃-910℃；盘条吐丝后经过在线热弛豫，热弛豫温度为810℃-890℃，热弛豫时间为10s-60s；盘条在线热弛豫后通过水浴冷却，水浴温度93℃-100℃，水浴冷却时间为20s-100s；盘条经过EDC水浴冷却后出水温度为510℃-610℃。盘条出水后收集温度在190℃-410℃，保温时间在30min-3h，得到直径为Φ14.0mm的盘条。
经本发明水浴韧化处理生产出来的盘条抗拉强度Rm≥1450MPa，断面收缩率Z≥35％，通圈极差≤70MPa，金相组织索氏体含量≥95％。经过拉拔钢丝规格为Φ7.0mm，镀锌后钢丝抗拉强度Rm≥2050MPa，镀锌后钢丝扭转次数≥12次。
实施例2
炼钢分厂生产牌号为XC99LS，钢水经转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气，熔炼化学成分重量百分比为：C：0.94-1.04％，Si：0.30-0.50％，Mn：0.70-0.90％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cr：0.30-0.40％，Al：0.040-0.070％，V：0.08-0.15％，Cu：≤0.05％，Ca：25-40ppm，N：40-80ppm，其它为Fe及不可避免的残余元素。
钢水过热度为15℃，连铸坯尺寸为390*510mm，坯料采用轻压下工艺，压下量为22mm，大方坯采用热装工艺生产，在炉加热温度1220℃，保温时间14小时，然后轧制成中间坯，尺寸为160方，中间坯料入保温坑温度500℃，保温30小时后出坑，对表面质量进行检查，并进行精整，除去表面缺陷，后入加热炉再加热，加热温度1200℃，保温时间4小时，出炉后轧制成Φ14.5mm盘条。
盘条经过高速线材轧制成规定规格后吐丝，按以下工艺参数进行在线EDC水浴韧化处理：盘条吐丝温度为880℃；盘条吐丝后经过在线热弛豫，热弛豫温度为860℃，热弛豫时间为10s-60s；盘条在线热弛豫后通过水浴冷却，水浴温度93℃-100℃，水浴冷却时间为20s-100s；盘条经过EDC水浴冷却后出水温度为550℃。盘条出水后收集温度为300℃，保温时间为2.5h。
经本发明水浴韧化处理生产出来的盘条抗拉强度Rm≥1520MPa，断面收缩率Z≥32％，通圈极差≤70MPa，金相组织索氏体含量≥95％。经过拉拔钢丝规格为Φ7.0mm，镀锌后钢丝抗拉强度Rm≥2100MPa，镀锌后钢丝扭转次数≥12次。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条，其特征在于：该产品的化学成分按重量百分比计为：C：0.90-1.10%，Si：0.20-0.60 %，Mn：0.30-0.90%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：0.10-0.40%，Al：0.010-0.070%， V：0.02-0.15% ，Cu：≤0.05%，Ca：20-40ppm，N：20-90ppm，其它为Fe及不可避免的残余元素；盘条索氏体组织含量≥95%，抗拉强度通圈极差≤70MPa，盘条经过拉拔、镀锌后，镀锌钢丝抗拉强度≥2000MPa，扭转次数≥12次；
该热轧盘条的生产流程： 钢水冶炼—390*510大方坯连铸—坯料再加热—坯料轧制—中间坯表面精整—中间坯再加热—中间坯轧制—盘条在线EDC水浴韧化处理—盘条收集打包；主要步骤如下
（1）钢水冶炼：包括铁水预处理、转炉或电炉炼钢、LF精炼、RH脱气处理，铁水在KR预处理中进一步降低P、S含量；转炉或电炉冶炼则采用高碱度渣系进行冶炼，控制出钢终点C≥0.45%；LF冶炼时控制白渣保持时间≥20分钟；RH控制高真空度≥5个循环周期，并保证总真空时间≥7个循环周期；
（2）连铸
采用中间包电磁感应加热，控制过热度≤20℃，采用凝固末端轻压下技术，总压下量为坯料厚度的5～12%，连铸出390*510大方坯坯型；
（3）坯料轧制
坯料采用两次加热，两次轧制工艺，大方坯加热温度≥1200℃，总加热时间≥12小时；将坯料轧制成150-200方中间坯，中间坯料进缓冷坑缓冷，入坑温度≥500℃，时间≥24小时，坯料出坑后对表面进行精整处理，防止表面缺陷遗留给盘条；中间坯再加热温度为1000℃-1200℃，总加热时间≥3小时，出炉后轧制成规定尺寸盘条；
（4）盘条在线EDC水浴韧化处理
坯料经过高速线材轧机轧制成规定直径的盘条，按以下工艺参数进行生产：
（4.1）盘条吐丝温度为820℃-910℃；
（4.2）盘条吐丝后经过在线热弛豫，热弛豫温度为810℃-890℃，热弛豫时间为10s-60s；
（4.3）盘条在线热弛豫后通过水浴冷却，水浴温度93℃-100℃，水浴冷却时间为20s-100s；
（4.4）盘条经过EDC水浴冷却后出水温度为510℃-610℃；
（4.5）盘条出水后进行热收集，热收集温度为190℃-410℃，热收集保温时间为30min至3h。
2.根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：C含量进一步为0.95%-1.10%。
3. 根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：Si含量进一步为0.40 %-0.60%。
4.根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：Mn含量进一步为0.60%-0.90%。
5.根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：Cr含量进一步为0.30-0.40%。
6.根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：Al含量进一步为0.030%-0.070%。
7.根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：V含量进一步为0.05%-0.15%。
8.根据权利要求1所述的热轧盘条，其特征在于：Ca含量重量百分比为25-40ppm，N含量重量百分比为40-90ppm。
9.根据权利要求1所述的2000MPa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条的生产方法，其特征在于：盘条在线EDC水浴韧化处理的EDC水箱冷却水中加入RX介质。
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