CN112501498A - 一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法。盘条直径13.0‑13.5mm，抗拉强度1450‑1500MPa，面缩率≥30％，伸长率≥10％。盘条含有C、Si、Mn、Cr、Al等基本合金成分，V、Cu、Ni等可选成分。盘条生产依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→炉外精炼→大方坯连铸→开坯→高线轧制→风冷→盐浴处理”等工艺过程。连铸中间包钢水过热度12～25℃，采用电磁搅拌、动态轻压下等措施减小凝固偏析，采用大方坯两火成材轧制工艺，相变之前强冷，抑制网状渗碳体形成，盐浴处理后盘条组织：索氏体≥95％，网碳≤1级。本发明盘条可用于生产1×7‑15.20‑2300MPa的预应力钢绞线。

Description

一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金和金属制品领域，特别涉及一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法。
背景技术
预应力钢绞线是国家基础建设中应用广泛的一种重要承载材料，具有强度高、韧性好、耐疲劳、低松弛等特点，其与混凝土具有极强的握裹力，大量应用于高层建筑、公路桥梁、城市高架、铁道工程、核电站、大型体育场馆、机场、港口、水坝、矿山坑道等工程建设项目。目前我国每年使用预应力钢绞线材料约300万吨，绝大部分产品的强度级别都局限在1860MPa，极大地制约了混凝土结构的尺寸和规模。随着国家新基建大型工程的不断开工，超大跨径预应力混凝土构件的需求越来越迫切，需要预应力钢绞线具有更大的承载能力。提高强度级别是提高承载能力的重要措施，而开发高强度预应力钢绞线的关键是解决原材料问题，需要提供高强度、高延性的盘条。
本发明提出了一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其制造方法，采用该盘条生产的2300MPa级别1×7-15.20mm预应力钢绞线产品，将进一步拓展混凝土结构的应用范围，使大跨径、超大跨径混凝土构件的广泛应用成为可能，并且可以节省大量的建筑材料，符合国家经济建设低碳、环保、可持续发展的要求，具有极大的市场前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法，通过控制C、Si、Mn、Cr、Al等元素含量提高钢的强度，采用大方坯连铸、两火成材轧制的工艺降低成分和组织偏析，采用盐浴处理工艺提高盘条索氏体百分含量，达到提高盘条强度和组织均匀性，满足2300MPa预应力钢绞线需求。
本发明一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法的技术方案，包括：成分设计、连铸工艺控制、轧制和冷却工艺控制、盐浴处理工艺控制。本发明盘条的应用目标为2300MPa级别预应力钢绞线，要求绞线直径为15.10-15.50mm，抗拉强度≥2300MPa。为此，必须开发相应的高强度盘条。本发明所述盘条，直径为13.0-13.5mm，初始抗拉强度为1450-1500MPa。该盘条加工到5.06-5.24mm后，钢丝强度可达到2280-2450MPa，满足2300MPa预应力钢绞线的强度要求。同时，盘条还要具备较好的塑性，以确保拉丝稳定，满足预应力钢绞线的塑韧性、抗松弛性能等指标要求，为此，本发明规定盘条断面收缩率Z≥30％，断后伸长率A≥10％。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法，所述盘条化学成分以质量百分比计包括：C 0.90～0.95％、Si 1.00～1.20％、Mn 0.40～0.60％、Cr 0.20～0.40％、Al 0.01～0.03％，以及余量的铁和不可避免的杂质。可选组分V 0.02～0.05％、Cu 0.01～0.05％、Ni 0.01～0.05％中的任意一种及以上。
以下对本发明的一种2300MPa预应力钢绞线用盘条中所含组分的作用及其用量的选择具体分析说明：
C是钢中不可缺少又十分经济的最基本的强化元素之一，C含量每增加0.01％，盘条强度约增加10MPa。但过量的C会在中心偏析处以先共析渗碳体的形式析出，甚至形成网状渗碳体，降低盘条的塑性，造成拉拔断丝。本发明采用大方坯连铸两火成材工艺和轧后盐浴处理工艺两个手段，降低凝固偏析、提高材料组织的均匀性，拓展了C含量容许上限。因此，本发明中C含量的控制范围：0.90-0.95％。
Si是铁素体强化元素，能够通过置换固溶强化提高铁素体的强度，同时Si减少C在奥氏体中的溶解度，促使C脱溶，以碳化物的形式析出。Si也是一种强烈的脱氧元素，有助于降低钢中的氧含量，减少夹杂物。此外，Si在铁素体/渗碳体界面的富集有助于防止渗碳体在稳定化处理过程中发生分解，提高加工过程中的热稳定性。本发明中Si含量控制范围：1.00-1.20％。
Mn在钢中大部分固溶于奥氏体中，形成置换型固溶体，使基体得到强化，增加钢的强度，同时增加奥氏体的稳定性，降低相变温度。Mn能与S结合生成MnS，消除S的有害作用。但Mn含量过高会使盘条的淬透性增加，容易形成淬火组织。本发明中Mn含量控制为0.40-0.60％。
Cr是碳化物形成元素，它在钢中主要存在于渗碳体片层中，通过置换作用形成合金渗碳体，有助于抑制稳定化处理过程中渗碳体溶解，减小钢丝强度损失。Cr能提高奥氏体的稳定性，阻止热轧时晶粒的长大，另外Cr的添加使得钢的连续冷却转变曲线右移，在相同的冷速下可以细化珠光体片层间距。但Cr含量过高容易出现淬火组织，不利于组织控制。本发明中，Cr含量控制为0.20-0.40％。
Al的加入主要是为了脱氧，能减少钢中的自由氧含量，还有细化晶粒的作用。本发明中Al的含量控制为0.01-0.03％。
V、Cu、Ni为可选成分。V是强碳化物形成元素，能够抑制热轧时奥氏体晶粒的长大。V在相变初期易于奥氏体晶界上形成VC颗粒，降低了晶界上C元素的含量从而可以有效的抑制网状渗碳体的产生；另外V在相变过程中会在珠光体中的铁素体间析出，对盘条起到析出强化作用，有利于提高盘条的强度。V含量过高容易出现淬火组织，不利于组织控制。本发明中，控制V含量为0.02-0.05％。Cu有助于提高材料的耐腐蚀能力，同时还能提高强度，但过多的Cu会引起热脆性，导致表面质量问题，本发明中，控制Cu含量为0.01-0.05％。Ni有助于提高材料的低温韧性，还能提高强度，防止Cu引起的热脆性，但过多的Ni会显著提高淬透性，容易产生中心马氏体组织，造成拉拔断丝。本发明中，控制Ni含量为0.01-0.05％。
所述一种2300MPa预应力钢绞线用盘条生产方法包括：大方坯连铸工序、轧制和冷却工序、盐浴处理工序。
1)大方坯连铸工序
由凝固原理可知，连铸坯最终凝固的位置溶质含量最高，不可避免地会存在成分偏析，冷却后形成异常组织。在本发明中，采用横截面为300mm×390mm大方坯连铸，通过控制连铸过程来减弱成分偏析。连铸中间包钢水过热度控制在12-25℃，全保护浇铸，减小液面波动，保持拉速恒定，拉速控制在0.65-0.75m/min，通过结晶器电磁搅拌(750A，1.5Hz)、末端电磁搅拌、铸坯动态轻压下22-28mm等措施进一步减小凝固偏析。本发明对连铸坯偏析的要求为：连铸坯横截面偏析处最高碳含量≤1.00％，最大偏析比≤1.06。
2)轧制和冷却工序
对于过共析钢，网状碳化物组织的控制非常重要，严重的网状碳化物组织会破坏钢基的连续性，在拉拔过程中容易产生微裂纹，造成断丝。轧制完成后可以采用快速冷却的方法来抑制网状碳化物的形成。
本发明提供了2300MPa预应力钢绞线用盘条的轧制和冷却工艺，其生产流程为“大方坯加热→开坯→小方坯修磨→小方坯加热→高线轧制→风冷”。轧制工艺特征在于：大方坯加热开坯、小方坯加热轧制的两火成材工艺可以保证大变形量条件下成分的均匀性，降低中心偏析程度。高线开轧温度为1030-1070℃，精轧机入口温度为900-940℃，吐丝温度为870-890℃。斯太尔摩风冷工艺特征在于：风冷线前10台风机风量均设为100％，11、12号风机风量分别设为60-80％、30-50％，其余风机关闭。相变前强冷，平均冷速≥9.0℃/s，可以抑制网状渗碳体形成，相变过程及相变后弱冷，防止形成马氏体组织。集卷温度为560-590℃。本发明对热轧盘条组织的要求为：索氏体组织百分比≥85％，网状碳化物≤2级，晶粒度≥7.5级。
3)盐浴处理工序
盐浴处理是将盘条加热到奥氏体化温度以上保温一段时间，再进行盐浴等温淬火的一种盘条轧后热处理工艺，该工艺可以大幅度增加盘条索氏体组织百分比，提高盘条的初始强度和组织均匀性。本发明提供了2300MPa预应力钢绞线用盘条的盐浴处理工艺：盘条加热炉温度为900-960℃，盐槽温度为520-560℃，走线速度为2.3-2.9m/min。本发明对盘条组织的要求是：索氏体含量≥95％，网状碳化物≤1级。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过对盘条成分设计、连铸工艺控制、轧制和冷却工艺控制、盐浴处理工艺控制，得到了直径为13.0-13.5mm，初始抗拉强度为1450-1500MPa，断面收缩率Z≥30％，断后伸长率A≥10％的盘条，且制得的盘条可用于生产1×7结构、直径为15.10-15.50mm，抗拉强度≥2300MPa的预应力钢绞线，拓展了混凝土结构的应用范围，并具有极大的市场前景。
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：
一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法，其中各组分的质量百分比为：C：0.93％、Si：1.15％、Mn：0.50％、P：0.0151％、S：0.0035％、Cr：0.31％、Al：0.02％、Cu：0.02％、Ni：0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述盘条的生产方法，包括以下步骤：铁水预脱硫→转炉冶炼→炉外精炼→大方坯连铸→大方坯加热→开坯→小方坯修磨→小方坯加热→高线轧制→斯太尔摩控冷→集卷→P/F线运输→打捆→盐浴处理→打捆。其中，转炉冶炼步骤中出钢温度1646℃，出钢碳含量0.11％，采用底吹氩、炉外精炼及软吹等精炼工艺调整并均匀钢中的化学成分，减少夹杂和气体含量。连铸步骤中采用全保护浇注，连铸坯尺寸300mm×390mm，中包钢水过热度18℃，拉速恒定为0.65m/min，结晶器采用电磁搅拌(搅拌电流为750A，频率为1.5Hz)，连铸采用动态轻压下凝固模型，总压下量为22mm，连铸坯横截面低倍检验，偏析处最高碳含量为0.99％，最大偏析比为1.06。高线轧制步骤中钢坯开轧温度为1052℃，精轧机入口温度920℃，吐丝温度880℃，轧制规格为
Figure BDA0002732120030000051
风冷步骤中风机入口的辊道速度为0.90m/s，前10台风机风量均为100％，11、12号风机风量为70％、40％，其余风机关闭；测定相变前平均冷速为9.3℃/s，集卷温度570℃。经检验，热轧盘条索氏体组织百分比85％，网状碳化物1级，晶粒度7.5级。盐浴处理步骤中，盘条加热炉温度960℃，盐槽温度530℃，走线速度2.7m/min。经检验，盐浴盘条直径为13.1mm，组织中索氏体含量95％，网状碳化物0级。
本实施例得到的盘条，经过15天时效后，其抗拉强度为1480MPa，断面收缩率为32％，断后伸长率11.2％。显微组织为索氏体+极少量珠光体，无网状碳化物和中心马氏体组织，奥氏体晶粒度8.0级，A、B、C、D夹杂物分别为1级、0.5级、0.5级、1级。
该盘条经9道次拉拔至
Figure BDA0002732120030000061
(中心钢丝)和
Figure BDA0002732120030000062
(表面钢丝)，钢丝的抗拉强度分别为2330MPa、2370MPa，断后伸长率分别为5.2％、4.0％，钢丝捻制成1×7结构绞线后进行稳定化处理，控制稳定化处理过程中绞线伸长率1.5％。成品预应力钢绞线性能检测结果：钢绞线直径15.24mm，整根钢绞线最大力Fm＝335kN，抗拉强度Rm＝2390MPa，0.2％屈服力Fp0.2＝304kN，最大力总伸长率Agt＝6.0％，1000h应力松弛率r＝1.6％，性能完全满足2300MPa级预应力钢绞线要求。
实施例2：
一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法，其中各组分的质量百分比为：C：0.92％、Si：1.14％、Mn：0.51％、P：0.0147％、S：0.0038％、Cr：0.30％、Al：0.02％、Cu：0.03％、Ni：0.03％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述盘条的生产方法，包括以下步骤：铁水预脱硫→转炉冶炼→炉外精炼→大方坯连铸→大方坯加热→开坯→小方坯修磨→小方坯加热→高线轧制→斯太尔摩控冷→集卷→P/F线运输→打捆→盐浴处理→打捆。其中，转炉冶炼步骤中出钢温度1643℃，出钢碳含量0.10％，采用底吹氩、炉外精炼及软吹等精炼工艺调整并均匀钢中的化学成分，减少夹杂和气体含量。连铸步骤中采用全保护浇注，连铸坯尺寸300mm×390mm，中包钢水过热度20℃，拉速恒定为0.65m/min，结晶器采用电磁搅拌(搅拌电流为750A，频率为1.5Hz)，连铸采用动态轻压下凝固模型，总压下量为24mm，连铸坯横截面低倍检验，偏析处最高碳含量为0.98％，最大偏析比为1.06。高线轧制步骤中钢坯开轧温度为1047℃，精轧机入口温度900℃，吐丝温度870℃，轧制规格为
Figure BDA0002732120030000063
风冷步骤中风机入口的辊道速度为0.90m/s，前10台风机风量均为100％，11、12号风机风量为70％、40％，其余风机关闭；测定相变前平均冷速为9.1℃/s，集卷温度580℃。经检验，热轧盘条索氏体组织百分比85％，网状碳化物0级，晶粒度7.5级。盐浴处理步骤中，盘条加热炉温度960℃，盐槽温度535℃，走线速度2.7m/min。经检验，盐浴盘条直径为13.1mm，组织中索氏体含量95％，网状碳化物0级。
本实施例得到的盘条，经过15天时效后，其抗拉强度为1460MPa，断面收缩率为33％，断后伸长率11.6％。显微组织为索氏体+极少量珠光体，无网状碳化物和中心马氏体组织，奥氏体晶粒度8.0级，A、B、C、D夹杂物分别为1级、1级、0.5级、1级。
该盘条经9道次拉拔至
Figure BDA0002732120030000071
(中心钢丝)和
Figure BDA0002732120030000072
(表面钢丝)，钢丝的抗拉强度分别为2300MPa、2340MPa，断后伸长率分别为5.2％、4.4％，钢丝捻制成1×7结构绞线后进行稳定化处理，控制稳定化处理过程中绞线伸长率1.6％。成品预应力钢绞线性能检测结果：钢绞线直径15.24mm，整根钢绞线最大力Fm＝331kN，抗拉强度Rm＝2360MPa，0.2％屈服力Fp0.2＝300kN，最大力总伸长率Agt＝6.4％，1000h应力松弛率r＝1.8％，性能完全满足2300MPa级预应力钢绞线要求。
实施例3：
一种2300MPa预应力钢绞线用盘条及其生产方法，其中各组分的质量百分比为：C：0.91％、Si：1.16％、Mn：0.52％、P：0.0133％、S：0.0033％、Cr：0.30％、Al：0.03％、Cu：0.03％、Ni：0.03％，其余为Fe及不可避免的杂质。
上述盘条的生产方法，包括以下步骤：铁水预脱硫→转炉冶炼→炉外精炼→大方坯连铸→大方坯加热→开坯→小方坯修磨→小方坯加热→高线轧制→斯太尔摩控冷→集卷→P/F线运输→打捆→盐浴处理→打捆。其中，转炉冶炼步骤中出钢温度1645℃，出钢碳含量0.09％，采用底吹氩、炉外精炼及软吹等精炼工艺调整并均匀钢中的化学成分，减少夹杂和气体含量。连铸步骤中采用全保护浇注，连铸坯尺寸300mm×390mm，中包钢水过热度20℃，拉速恒定为0.65m/min，结晶器采用电磁搅拌(搅拌电流为750A，频率为1.5Hz)，连铸采用动态轻压下凝固模型，总压下量为25mm，连铸坯横截面低倍检验，偏析处最高碳含量为0.96％，最大偏析比为1.05。高线轧制步骤中钢坯开轧温度为1050℃，精轧机入口温度910℃，吐丝温度870℃，轧制规格为
Figure BDA0002732120030000081
风冷步骤中风机入口的辊道速度为0.90m/s，前10台风机风量均为100％，11、12号风机风量为70％、40％，其余风机关闭；测定相变前平均冷速为9.2℃/s，集卷温度570℃。经检验，热轧盘条索氏体组织百分比85％，网状碳化物0级，晶粒度7.5级。盐浴处理步骤中，盘条加热炉温度960℃，盐槽温度535℃，走线速度2.7m/min。经检验，盐浴盘条直径为13.1mm，组织中索氏体含量95％，网状碳化物0级。
本实施例得到的盘条，经过15天时效后，其抗拉强度为1450MPa，断面收缩率为33％，断后伸长率12％。显微组织为索氏体+极少量珠光体，无网状碳化物和中心马氏体组织，奥氏体晶粒度8.0级，A、B、C、D夹杂物分别为1级、0.5级、0.5级、0.5级。
该盘条经9道次拉拔至
Figure BDA0002732120030000082
(中心钢丝)和
Figure BDA0002732120030000083
(表面钢丝)，钢丝的抗拉强度分别为2280MPa、2320MPa，断后伸长率分别为5.6％、4.4％，钢丝捻制成1×7结构绞线后进行稳定化处理，控制稳定化处理过程中绞线伸长率1.5％。成品预应力钢绞线性能检测结果：钢绞线直径15.24mm，整根钢绞线最大力Fm＝328kN，抗拉强度Rm＝2340MPa，0.2％屈服力Fp0.2＝296kN，最大力总伸长率Agt＝7.2％，1000h应力松弛率r＝2.0％，性能完全满足2300MPa级预应力钢绞线要求。
上述实施例仅为说明本发明的技术构思，目的在于让熟悉此项技术的人士了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种2300MPa预应力钢绞线用盘条，其特征在于：盘条直径为13.0-13.5mm，抗拉强度Rm为1450～1500MPa，断面收缩率Z≥30％，断后伸长率A≥10％；盘条化学成分以质量百分比计包括：C 0.90～0.95％、Si 1.00～1.20％、Mn 0.40～0.60％、Cr 0.20～0.40％、Al0.01～0.03％，以及余量的铁和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述盘条，其特征在于：可选组分V 0.02～0.05％、Cu 0.01～0.05％、Ni 0.01～0.05％中的任意一种及以上。
3.一种根据权利要求1-2任一所述的盘条的生产方法，其特征在于：所述生产方法包括：大方坯连铸工序、轧制和冷却工序、盐浴处理工序。
4.根据权利要求3所述的盘条生产方法，其特征在于：所述大方坯连铸工序，采用横截面尺寸为300mm×390mm大方坯连铸，连铸中间包钢水过热度控制在12～25℃，连铸坯动态压下量为22-28mm；连铸坯横截面偏析处最高碳含量以质量百分比计≤1.00％，最大偏析比≤1.06。
5.根据权利要求3所述的盘条生产方法，其特征在于：所述轧制和冷却工序生产流程为“大方坯加热→开坯→小方坯修磨→小方坯加热→高线轧制→风冷”，采用大方坯两火成材的轧制工艺；高线开轧温度1030-1070℃，精轧机入口温度900-940℃，吐丝温度870-890℃；风冷线前10台风机风量均设为100％，11、12号风机风量设为60-80％、30-50％，其余风机关闭；相变前强冷，平均冷速≥9.0℃/s，集卷温度560-590℃；热轧盘条组织：索氏体组织百分比≥85％，网状碳化物≤2级，晶粒度≥7.5级。
6.根据权利要求3所述的盘条生产方法，其特征在于：所述盐浴处理工序盘条加热炉温度为900-960℃，盐槽温度为520-560℃，走线速度为2.3-2.9m/min；盐浴处理后盘条组织：索氏体含量≥95％，网状碳化物≤1级。
7.根据权利要求1和2任一所述的盘条，可用于生产1×7结构、直径为15.10-15.50mm，抗拉强度≥2300MPa的预应力钢绞线。
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