CN111424209A - 一种强度2100MPa级预应力钢绞线及生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种强度2100MPa级预应力钢绞线及生产工艺，其化学成分按质量百分比包括C：0.84～0.90％、Si：0.10～1.00％、Mn：0.30～0.90％、Cr：0.10～0.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al：0.01～0.08％、V：0.01～0.10％、其余为Fe和不可避免的杂质。通过特殊的成分设计，并采用本发明所述生产方法所得盘条，偏析为较低水平，组织均匀，无影响使用的网状碳化物和马氏体等淬火组织，在保证高强度的同时依然保持了良好的塑性；实现一火材降低生产成本。所得
13mm和
14mm规格盘条经拉拔、捻股、稳定化处理后，绞线强度分别可达到2000MPa～2100MPa和2100MPa～2200MPa，可分别用于生产2000MPa和2100MPa级别高强度预应力钢绞线。
Description
技术领域
本发明涉及冶炼技术领域，尤其涉及一种预应力钢绞线。
背景技术
目前国家主流预应力钢绞线为1860MPa级，从九十年代开始延续使用至今未进行升级换代，且预应力钢绞线市场容量巨大，开发前景广阔。
目前，主流1860MPa级别的预应力钢绞线所用盘条使用的是
或
规格YL82B，盘条强度在1160MPa左右。如果绞线级别由1860MPa提高到2000MPa和2100MPa，强度分别提高了140MPa和240MPa，相应的原料盘条强度也要相应提高，而对于大规格高碳钢盘条，在大幅度提高强度的同时，还需要保证良好的塑性和组织，强度提高越大，生产难度越大。因此，发明一种2000MPa和2100MPa级高强度预应力钢绞线用盘条的生产方法势在必行。
发明内容
本发明是为了解决现有技术中大规格高碳钢盘条，在大幅度提高强度的同时，还需要保证盘条良好的塑性和组织，生产难度极大的问题，提供了一种强度2100MPa级预应力钢绞线及生产工艺，解决了上述问题。
本发明提供了一种强度2100MPa级预应力钢绞线，其化学成分按质量百分比包括C：0.84～0.90％、Si：0.10～1.00％、Mn：0.30～0.90％、Cr：0.10～0.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al：0.01～0.08％、V：0.01～0.10％、其余为Fe和不可避免的杂质。
C：是保证盘条强度和组织的化学元素，本发明中为保证产品强度，碳含量不低于0.84％，同时为控制连铸坯偏析、控制组织和提高盘条塑性，碳含量不应高于0.90％。
Si：在钢中以固溶形态存在，具有极强的强化作用，同时Si具有抑制渗碳体的形成，因此添加0.10～1.00％的Si，以更好的保证盘条强度和控制组织。
Mn、Cr、V可提高钢的淬透性，可细化盘条组织和片层结构，提高强度和塑性。
Al是有效的脱氧元素，弥散细小的氧化铝和细化组织，但粗大的氧化铝会严重降低盘条拉拔和钢丝疲劳性能。
P、S在钢绞线用盘条中属于有害元素，应加以控制。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线，作为优选方式，钢绞线直径为13～14mm。
本发明提供了一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，包括如下步骤：
S1、转炉炼钢：将原料经高炉熔炼为铁水，将铁水脱硫后进行顶底复吹转炉冶炼，转炉控制终点P元素含量≤0.015％，S元素含量≤0.010％；
S2、精炼：将钢水送入LF炉精炼进行铝脱氧和高碱度渣系以及超低氧生产工艺，LF炉精炼后的钢水进入RH炉进行真空脱气，RH真空处理时间≥25min，控制钢中O含量≤20ppm，N含量≤80ppm；
S3、连铸：采用保护浇注、结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌和轻压下相结合的控制手段，控制中心碳偏析，连铸过程中钢水的过热度为16～25℃；
S4、轧制：采用一火成材工艺轧制，轧钢过程连铸坯加热温度1000～1220℃，保温2～3h后开轧，轧制速度30～40m/s，过程温度和吐丝温度为850～950℃，吐丝后采用超大功率风机进行控制冷却；
S5、盘条经过酸洗、磷化处理、拉拔及绞合后制成钢绞线。
铁水经过KR脱硫或颗粒镁脱硫处理，最大限度降低S含量；转炉出钢采用双渣法吹炼，严格控制转炉出钢下渣量。
LF炉精炼采用铝脱氧和高碱度渣系以及超低氧生产工艺，降低钢水中的平衡氧含量；LF精炼后的钢水进RH炉进行真空脱气，进一步提高钢水的纯净度。
连铸全程采用保护浇注、结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌和轻压下相结合的控制手段，控制中心碳偏析，连铸过程中钢水的过热度为16～25℃。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，作为优选方式，步骤S5中酸洗时间≥15～17min。
以清洗表面氧化层，防止严重的氧化皮造成盘条表面不光滑，给后续拉拔带来困难，以及氧化层在拉拔的过程中刮伤钢丝表面或压入钢丝内，使生产出的钢丝表面质量及力学性能达不到要求。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，作为优选方式，步骤S5中磷化处理时间≥4～6min。
相对延长的磷化时间以保证盘条表面形成足够致密的磷化模，从而建立其良好的拉拔润滑条件，以降低拉丝模的受损及避免多道次拉拔后润滑条件恶化对拉丝成品的影响。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，作为优选方式，步骤S5中拉拔次数≥9道；平均每道拉丝的压缩率为16±1％；拉丝模压缩角为9～11°；定径带长度为钢丝直径的30～45％。
降低每道拉丝的压缩率以保证成品钢丝的弯曲性能满足规范要求，降低拉丝模的压缩角度可以降低摩擦系数，从而避免钢丝截面上应力分布及变形不均匀的情况。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，作为优选方式，步骤S5中拉拔的速度为2.5～3.5m/s。
减低拉拔速度以保证拉拔时钢丝有足够的冷却条件及润滑条件。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，作为优选方式，步骤S5中拉拔所得的边丝直径为5.02±0.03mm，强度不低于2100MPa；步骤S5中中心丝直径5.22±0.03mm，强度不低于2000MPa，边丝和中丝最少承受10次弯曲试验。
本发明所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，作为优选方式，步骤S5中6根边丝与1根中丝进行绞合，绞合捻距为公称直径的12～16倍范围，张力为公称破断力的36～38％，稳定化处理时温度为370℃～380℃之间。
本发明有益效果如下：
(1)偏析为较低水平，组织性能更加均匀，无影响使用的网状碳化物和马氏体等淬火组织，在保证高强度的同时依然保持了良好的塑性；
(2)通过在转炉吹炼、LF精炼+RH精炼、连铸、盘条冷却工序创新，实现对高碳钢中心碳偏析、网状碳化物、淬火组织技术难点的控制。
附图说明
图1为一种强度2100MPa级预应力钢绞线制备流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
一种强度2100MPa级预应力钢绞线，其化学成分按质量百分比包括C：0.86％、Si：0.30％、Mn：0.80％、Cr：0.013％、P：0.003％、S：0.15％、Al：0.032％、V：0.037％，其余为Fe和不可避免的杂质，钢绞线直径为13或14mm。
优选的钢绞线生产的原材料采用直径为Φ14mm、强度不低于1400MPa的风冷热轧盘条；优选的采用的盘条牌号为QS92Si-HT,C含量为0.9％～0.95％。
如图1所示，强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺包括如下步骤：
S1、将原料经高炉铁水送至KR或颗粒镁脱硫，再送至顶底复吹转炉进行冶炼。高炉铁水经脱硫后，转炉采用双渣法吹炼，可降低钢水中的杂质元素含量，转炉终点P元素含量0.010％左右，S元素含量0.003％左右；转炉出钢采用滑板挡渣，严格控制下渣量，防止下渣回P以及污染钢水；
S2、LF炉采用铝脱氧和高碱度渣系，降低钢水中的平衡氧含量；RH真空处理时间29min，钢中O含量6ppm左右，N含量35ppm左右；
S3、连铸：连铸步骤采用全程保护浇铸，避免钢水二次氧化，最终降低连铸坯的夹杂物数量。连铸过程中钢水的过热度21℃，并采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、自动配水及轻压下控制连铸坯成分偏析，连铸坯偏析指数1.06；
S4、轧制：采用一火成材工艺轧制。坯料加热至1000～1220℃，保温时间2～3h，控制加热炉气氛以减轻表面脱碳；连铸坯出炉后进行高压水除磷，确保将氧化铁皮清除；过程温度和吐丝温度为850～950℃左右，
规格轧制速度30～40m/s，吐丝后采用超大功率风机进行控制冷却，最大限度的增加相变前冷却速度，并控制出风机的终点温度。通过轧制过程的控温和控制冷却，来控制盘条显微组织的晶粒尺寸及片间距，获得理想的索氏体组织，避免产生影响使用的网状碳化物和马氏体等淬火组织；
S5、盘条经过酸洗、磷化处理、拉拔及绞合后制成钢绞线。
盘条规格、抗拉强度、面缩如下表：
优选的盘条酸洗时，酸洗时间不得低于17-20min，以清洗表面氧化层，防止严重的氧化皮造成盘条表面不光滑，给后续拉拔带来困难，以及氧化层在拉拔的过程中刮伤钢丝表面或压入钢丝内，使生产出的钢丝表面质量及力学性能达不到要求；
优选的酸洗之后的盘条需经过磷化处理，且磷化处理时间不得低于5-8min，相对延长的磷化时间以保证盘条表面形成足够致密的磷化模，从而建立其良好的拉拔润滑条件，以降低拉丝模的受损及避免多道次拉拔后润滑条件恶化对拉丝成品的影响；
优选的经过磷化处理后的盘条需进行拉拔工序，拉拔次数为不少于10道；优选的平均每道拉丝的压缩率为16±1％；优选的拉丝模压缩角为10-11°；优选的定径带长度为钢丝直径的25-35％；降低每道拉丝的压缩率以保证成品钢丝的弯曲性能满足规范要求，降低拉丝模的压缩角度可以降低摩擦系数，从而避免钢丝截面上应力分布及变形不均匀的情况；
优选的钢丝拉拔的速度为2.5～3.5m/s，减低拉拔速度以保证拉拔时钢丝有足够的冷却条件及润滑条件；
优选的经拉拔之后所得的边丝直径为5.02±0.03mm，强度不低于2100MPa；中心丝直径5.22±0.03mm，强度不低于2000MPa，且边丝和中丝的弯曲试验次数不低于10次；
优选的采用6根边丝与1根中丝的组合进行绞合，绞合捻距为公称直径的12～16倍范围，优选的张力为公称破断力的38～42％，稳定化处理时温度为380℃～395℃之间，以保证经过绞合及稳定化处理后钢绞线结构紧密，性能达到国家标准的相应要求。
盘条经拉拔、捻股、稳定化处理后，得到的绞线规格、抗拉强度指标见下表：
本实施例所述生产方法所得盘条，强度适中，组织均匀，无影响使用的网状碳化物和马氏体等淬火组织。不同规格盘条经拉拔、捻股、稳定化处理后，绞线强度可达到2000～2100MPa，可用于生产2000MPa级高强度预应力钢绞线。
铁路预应力混凝土桥梁设计时，结构的尺寸厚度主要受预应力管道的构造要求限制，以时速160km客货共线铁路32m双线简支箱梁为例，1860MPa级预应力体系方案箱梁跨中截面腹板厚度360mm，底板厚度280mm。采用2100MPa等级预应力体系后，对箱梁的截面尺寸进行了如下优化：箱梁跨中截面腹板厚度340mm，底板厚度270mm。
不同钢绞线强度下单孔时速160km客货共线铁路32m双线简支箱梁主要材料用量如下表：
采用2100MPa强度钢绞线后，混凝土、钢绞线和锚固单元用量均有不同程度下降。混凝土用量减少1.8％，钢绞线用量和锚固单元用量减少14.2％。
实施例2
一种强度2100MPa级预应力钢绞线，其化学成分按质量百分比包括C：0.87％、Si：0.60％、Mn：0.65％、Cr：0.011％、P：0.002％、S：0.30％、Al：0.011％、V：0.023％，其余为Fe和不可避免的杂质，钢绞线直径为13或14mm。
优选的钢绞线生产的原材料采用直径为Φ14mm、强度不低于1200MPa的风冷热轧盘条；优选的采用的盘条牌号为QS87Mn,C含量为0.85％-0.89％。
如图1所示，强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺包括如下步骤：
S1、将原料经高炉铁水送至KR或颗粒镁脱硫，再送至顶底复吹转炉进行冶炼。高炉铁水经脱硫后，转炉采用双渣法吹炼，可降低钢水中的杂质元素含量，转炉终点P元素含量0.010％左右，S元素含量0.003％左右；转炉出钢采用滑板挡渣，严格控制下渣量，防止下渣回P以及污染钢水；
S2、LF炉采用铝脱氧和高碱度渣系，降低钢水中的平衡氧含量；RH真空处理时间29min，钢中O含量6ppm左右，N含量35ppm左右；
S3、连铸：连铸步骤采用全程保护浇铸，避免钢水二次氧化，最终降低连铸坯的夹杂物数量。连铸过程中钢水的过热度21℃，并采用结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、自动配水及轻压下控制连铸坯成分偏析，连铸坯偏析指数1.06；
S4、轧制：采用一火成材工艺轧制。坯料加热至1000～1220℃，保温时间2～3h，控制加热炉气氛以减轻表面脱碳；连铸坯出炉后进行高压水除磷，确保将氧化铁皮清除；过程温度和吐丝温度为850～950℃左右，
规格轧制速度30～40m/s，吐丝后采用超大功率风机进行控制冷却，最大限度的增加相变前冷却速度，并控制出风机的终点温度。通过轧制过程的控温和控制冷却，来控制盘条显微组织的晶粒尺寸及片间距，获得理想的索氏体组织，避免产生影响使用的网状碳化物和马氏体等淬火组织；
S5、盘条经过酸洗、磷化处理、拉拔及绞合后制成钢绞线。
盘条规格、抗拉强度、面缩如下表：
优选的盘条酸洗时，酸洗时间不得低于17-20min，以清洗表面氧化层，防止严重的氧化皮造成盘条表面不光滑，给后续拉拔带来困难，以及氧化层在拉拔的过程中刮伤钢丝表面或压入钢丝内，使生产出的钢丝表面质量及力学性能达不到要求；
优选的酸洗之后的盘条需经过磷化处理，且磷化处理时间不得低于5-8min，相对延长的磷化时间以保证盘条表面形成足够致密的磷化模，从而建立其良好的拉拔润滑条件，以降低拉丝模的受损及避免多道次拉拔后润滑条件恶化对拉丝成品的影响；
优选的经过磷化处理后的盘条需进行拉拔工序，拉拔次数为不少于10道；优选的平均每道拉丝的压缩率为16±1％；优选的拉丝模压缩角为10-11°；优选的定径带长度为钢丝直径的25-35％；降低每道拉丝的压缩率以保证成品钢丝的弯曲性能满足规范要求，降低拉丝模的压缩角度可以降低摩擦系数，从而避免钢丝截面上应力分布及变形不均匀的情况；
优选的钢丝拉拔的速度为2.5～3.5m/s，减低拉拔速度以保证拉拔时钢丝有足够的冷却条件及润滑条件；
优选的经拉拔之后所得的边丝直径为5.02±0.03mm，强度不低于2100MPa；中心丝直径5.22±0.03mm，强度不低于2000MPa，且边丝和中丝的弯曲试验次数不低于10次；
优选的采用6根边丝与1根中丝的组合进行绞合，绞合捻距为公称直径的12～16倍范围，优选的张力为公称破断力的38～42％之间，稳定化处理时温度为380℃～395℃之间，以保证经过绞合及稳定化处理后钢绞线结构紧密，性能达到国家标准的相应要求。
盘条经拉拔、捻股、稳定化处理后，得到的绞线规格、抗拉强度指标见下表：
本实施例所述生产方法所得盘条，强度适中，组织均匀，无影响使用的网状碳化物和马氏体等淬火组织。不同规格盘条经拉拔、捻股、稳定化处理后，绞线强度可达到2100～2200MPa，可用于生产2100MPa级高强度预应力钢绞线。
铁路预应力混凝土桥梁设计时，结构的尺寸厚度主要受预应力管道的构造要求限制，以时速160km客货共线铁路32m双线简支箱梁为例，1860MPa级预应力体系方案箱梁跨中截面腹板厚度360mm，底板厚度280mm。采用2100MPa等级预应力体系后，对箱梁的截面尺寸进行了如下优化：箱梁跨中截面腹板厚度340mm，底板厚度270mm。
不同钢绞线强度下单孔时速160km客货共线铁路32m双线简支箱梁主要材料用量如下表：
采用2100MPa强度钢绞线后，混凝土、钢绞线和锚固单元用量均有不同程度下降。混凝土用量减少1.8％，钢绞线用量和锚固单元用量减少14.2％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种强度2100MPa级预应力钢绞线，其特征在于：其化学成分按质量百分比包括C：0.84～0.90％、Si：0.10～1.00％、Mn：0.30～0.90％、Cr：0.10～0.50％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al：0.01～0.08％、V：0.01～0.10％、其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线，其特征在于：所述钢绞线直径为13～14mm。
3.一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、转炉炼钢：将原料经高炉熔炼为铁水，将铁水脱硫后进行顶底复吹转炉冶炼，转炉控制终点P元素含量≤0.015％，S元素含量≤0.010％；
S2、精炼：将钢水送入LF炉精炼进行铝脱氧和高碱度渣系以及超低氧生产工艺，LF炉精炼后的钢水进入RH炉进行真空脱气，RH真空处理时间≥25min，控制钢中O含量≤20ppm，N含量≤80ppm；
S3、连铸：采用保护浇注、结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌和轻压下相结合的控制手段，控制中心碳偏析，连铸过程中钢水的过热度为16～25℃；
S4、轧制：采用一火成材工艺轧制，轧钢过程连铸坯加热温度1000～1220℃，保温2～3h后开轧，轧制速度30～40m/s，过程温度和吐丝温度为850～950℃，吐丝后采用超大功率风机进行控制冷却；
S5、盘条经过酸洗、磷化处理、拉拔及绞合后制成钢绞线。
4.根据权利要求3所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于：步骤S5中所述酸洗时间≥15～17min。
5.根据权利要求3所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于：步骤S5中所述磷化处理时间≥4～6min。
6.根据权利要求3所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于：步骤S5中所述拉拔次数≥9道；平均每道拉丝的压缩率为16±1％；拉丝模压缩角为9～11°；定径带长度为钢丝直径的30～45％。
7.根据权利要求6所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于：步骤S5中所述拉拔的速度为2.5～3.5m/s。
8.根据权利要求7所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于：步骤S5中所述拉拔所得的边丝直径为5.02±0.03mm，强度不低于2100MPa；中心丝直径5.22±0.03mm，强度不低于2000MPa，所述边丝和所述中丝最少承受10次弯曲试验。
9.根据权利要求8所述的一种强度2100MPa级预应力钢绞线生产工艺，其特征在于：步骤S5中，6根所述边丝与1根所述中丝进行绞合，绞合捻距为公称直径的12～16倍范围，张力为公称破断力的36～38％，稳定化处理时温度为370℃～380℃之间。
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