CN112090956B - 一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法 - Google Patents

一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开介绍了一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产方法，主要包括三个阶段：1)炼钢及连铸、2)均热及开坯、3)轧制及控冷。由于桥索钢碳含量的不同会导致碳元素偏析控制难度不同，各阶段的主要工艺参数根据盘条碳含量的不同而存在一定的差距。本发明对各阶段的主要工艺参数确定了实施范围，可在保证材料强度的前提下，通过降低钢坯和盘条的偏析程度，稳定控制其扭转性能，适合于高扭转性能要求的桥索钢。

Description

一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法
技术领域
本技术方案属于钢铁材料领域，具体是一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产方法。
背景技术
桥梁缆索被视为桥梁工程的“生命线”，由于桥索服役环境多变导致其强度和韧性均有严格要求，其中钢丝扭转(次/360°)要求≥12次，这对其组织和性能均匀性要求极高。
桥索钢盘条是制作桥梁缆索钢丝的原材料，是一种典型的过共析钢，目前主流的桥索钢碳含量范围为0.82-0.98％，尺寸范围为12.0-15.5mm。为提高钢丝强度进而起到降低桥梁工程自重、提高安全性、节约建造和维护成本的目的，通常对桥索钢盘条进行增碳处理。碳元素的添加一直是钢材强化的主要且常规的手段之一，但随着盘条碳含量的增加，由于碳元素的不均匀分布会盘条贫碳区与富碳区的差距加大，偏析程度会大幅度增加，进而导致网状碳化物的控制难度增大：平均每提高0.01％碳，可相应地提高网状碳化物0.045级。当盘条偏析程度超标时，钢丝会受到遗传影响，出现成分和组织方面的偏析，这会导致钢丝在扭转过程中变形应力集中，造成钢基撕裂，从而加速扭转失效，造成扭转性能不合。
偏析程度越严重对扭转性能的影响越大，桥梁缆索的网状渗碳体级别具有严格要求(≤2.0级)。网状渗碳体的生长依赖碳元素扩散导致的碳波动，碳元素的均匀化可以有效的抑制网碳的析出。为控制桥索中的网状渗碳体级别，一般要求桥索钢钢坯中的最大中心碳偏析≤1.10，最好控制在≤1.05以内，这样可以保证盘条最大中心碳偏析≤1.18，盘条网碳控制难度显著降低。
目前桥索钢的关键控制难点在于同时满足镀层钢丝的强度与扭转性能，强度的提升不可避免的依赖盘条碳含量的提高，这会导致其钢坯及盘条偏析控制难度增加，恶化钢丝的扭转性能，这也是限制桥索钢强度进一步提高的瓶颈。
CN107299280A公开了2000mpa级缆索钢丝用热处理盘条及生产方法,其成分的重量百分含量为：C 0.85～1.0％；Si：0.80～1.5％；Mn 0.30～0.80％；Cr 0.20～0.80％；P≤0.015％；S≤0.010％；Al 0.01～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明通过成分的特殊设计，并通过冶炼－连铸-铸坯修磨-轧钢-离线热处理工艺进行生产，所得盘条索氏体化率超过95％，组织均匀，无网状碳化物和马氏体等淬火组织。所得盘条经拉拔、镀锌(铝)、稳定化处理后，钢丝强度≥2000MPa，可用于生产2000MPa级别桥梁缆索镀锌(铝)钢丝，适用于特大跨度、超高强度要求的桥梁。该专利采用一火成材工艺轧制，轧后采用等温盐浴离线热处理工艺，这也是改善成品盘条偏析的方法之一。
CN109468530A公开了2000mpa级以上大桥缆索镀锌钢丝用热轧盘条及生产方法，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。该专利控制盘条偏析的关键工艺在于在线EDC水浴韧化处理工艺，是一种理论上可行的方法。
CN102936688A公开了抗拉强度≥2000mpa的桥梁缆索用线材及生产方法，其组分及重量百分比含量为：C：0.95～1.2％，Si：0.1％～0.48％，Mn：0.6～1.0％，Cr：0.1～0.5％，V：0.01～0.05％，Cu≤0.05％，Al：0.05～0.15％，N：0.01～0.03％，P≤0.025％，S≤0.015％；其生产步骤：冶炼并连铸成坯；对铸坯进行加热；轧制；再次加热；高速轧制；吐丝；风冷至室温；待用。本发明由于采用连铸大方坯，开轧成小方坯，再送高线轧制，从而使桥梁缆索用线材的金相组织等均匀，晶粒得到更好的细化；且由于采用了大风量的快速冷却等工艺，从而使最终桥索用钢丝的抗拉强度≥2000MPa且稳定，扭转值达到≥15次，冷拉拔中未因钢丝质量问题而产生断丝现象。该专利通过采用大风量快速冷却可以达到提高盘条强度的效果，但在偏析的控制方面未作过多解释。
CN109628837A公开了一种超细贝氏体型桥梁缆索钢及其制备方法，本发明采用形变热处理+等温淬火工艺获得缆索钢。将预变形与低温贝氏体等温相结合，综合利用微合金细化、控轧控冷细化、预变形和低温贝氏体等温等细化技术，获得由无碳化贝氏体、残余奥氏体组成的超细贝氏体组织，其抗拉强度为1800～2100MPa，延伸率为12～20％。超细贝氏体桥梁缆索钢制备工艺流程为：冶炼连铸热轧裁剪奥氏体化预变形低温贝氏体等温；预变形时，首先将裁剪好的热轧重新加热至Ac+50℃进行奥氏体化，保温0.5-1h，然后迅速冷却(冷速大于10℃/s)到220-280℃，进步温扎，压下量20～30％，而后放到220-280℃的盐浴炉中等温3-5h，进行等温贝氏体转变；然后取出空冷至室温。该专利主要创新点在于桥索钢的金相组织为超细贝氏体，贝氏体转变时间过长，且过程控制难度较大，目前不具备现实应用条件，而且贝氏体能够保证材料所需的扭转性能也存在疑问，目前尚未得到证实。
CN105107848A公开了“一种生产高强度桥索钢盘条的方法”，该方法包括：在连铸时，将中包温度的液相线控制在10～20℃，拉速控制在0.3～0.5m/min，连铸获得280*320mm～380*420mm的大方坯；将大方坯二火开坯成150*150mm～200*200mm小方坯；将小方坯轧制成直径为11～14mm的高线；其中，二火开坯的过程中，对加热段温度、均热段温度、空气消耗系数、钢坯在炉时间、炉压、炉内气氛、开轧温度及冷却方式进行控制；高线的轧制过程中，对加热段、均热段、铸坯上下断面温差、在炉时间、开轧温度、精轧机入口温度等进行控制。上述技术方案中，通过连铸工艺的控制与二火开坯及轧制高线的加热工艺及冷却工艺控制的结合，解决了现有技术中高强度桥索钢盘条的马氏体组织级别较高的技术问题，降低了马氏体组织的级别，未涉及扭转性能和偏析控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产方法，可在保证材料强度的前提下，通过降低钢坯和盘条的偏析程度，稳定控制其扭转性能，适合于高扭转性能要求的桥索钢。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，主要包括三个阶段：1)炼钢及连铸、2)均热及开坯、3)轧制及控冷。由于桥索钢碳含量的不同会导致碳元素偏析控制难度不同，各阶段的主要工艺参数根据盘条碳含量的不同而存在一定的差距，各阶段包括的具体工序以及具体工艺及参数为：
1)炼钢及连铸：铁水脱硫→转炉冶炼→吹氩→LF精炼→真空处理→软吹→连铸→铸坯精整等；其中，真空处理时间≥9min；
在连铸步骤中，连铸中包钢水过热度≤30℃(当盘条碳含量≥0.9％，中包钢水过热度≤25℃)，拉速为0.35-0.65m/min；二冷水为0.8-1.2L/kg，轻压下量≥8.5mm(当盘条碳含量≥0.9％，轻压下量≥11.0mm)；连铸大方坯断面尺寸：≥300mm*300mm，优选320mm*420mm；
2)均热(或加热)及开坯：钢坯均热或加热→开坯轧制→表面修磨等；其中，
A、当盘条碳含量≥0.9％，对大方坯采取均热处理：加热温度控制在1250-1320℃，均热保温时间≥8小时，均热炉内保持30-35MPa微正压、炉内气氛保持O2＜1.1％、CO＜2.6％弱还原性；当盘条碳含量＜0.9％，无需对大方坯采取均热处理，直接对大方坯进行常规加热：加热温度范围为1200-1250℃，加热保温时间为200-250min，断面温差≤30℃；
B、对大方坯均热或加热后直接进行开坯轧制，开轧温度1180-1280℃，开坯后为正方坯，正方坯尺寸范围：160mm*160mm至220mm*220mm(其中，当盘条碳含量≥0.9％，正方坯尺寸选用160mm*160mm；当盘条碳含量＜0.9％，正方坯尺寸选用220mm*220mm)；
C、开坯后的正方坯进行全扒皮修磨处理，修磨深度≥1.5mm，修磨深度可适当加大以保证钢坯表面氧化层清除干净；修磨后小方坯角部无尖角，平面总体平整，无凹凸；
3)轧制及控冷：方坯加热→多道次轧制→吐丝→斯太尔摩控冷→集卷等；其中，
A、正方坯加热温度1180±30℃，断面温差≤30℃，钢坯在炉时间180-250min(其中，当盘条碳含量≥0.9％，160mm*160mm正方坯在炉时间范围为180-220min；当盘条碳含量＜0.9％，220mm*220mm正方坯在炉时间范围为210-250min)；
B、高线轧制开轧温度1150±25℃，精轧机入口温度900±20℃，减定径机入口温度910±20℃，吐丝温度920±20℃，20架预精轧出口速度为8.0m/s；盘条成品直径为12.0-15.5mm；
C、斯太尔摩风冷线长97米，共14组风机，1-4#风机风量为210000m3/h，5-10#风机风量为154000m3/h，11-14#风机风量为125000m3/h。斯太尔摩风冷辊道起始速度为45m/min，风机均为全开，1-8#风机辊道速度极差为1.03，9-14#风机辊道速度极差为0.97，8#风机辊道速度达到最大值。斯太尔摩风冷线是控冷的关键设备，采用以上设定参数可以最优的控制盘条组织，即盘条金相组织中索氏体化率≥95％且无马氏体等异常组织，否则可能影响组织类型和比例。
D、当盘条碳含量≥0.9％，盘条集卷后进行如坑缓冷，避免直接风吹，降低盘条内应力，盘条冷却至300℃以下后上PF线空冷；对于碳含量＜0.9％的盘条，可直接上PF线进行空冷。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在桥索钢生产过程中进行本发明所述的工艺处理，首先通过钢水过热度和轻压下的控制，可以保证大方坯偏析程度；对钢坯进行二火成材和均热处理，保证钢坯中的碳元素得到充分扩散，钢坯钢质致密，减低钢坯内部孔洞和裂纹，降低其碳偏析程度；且针对均热过程中可能造成的严重脱碳问题，对开坯后的正方坯进行全扒皮修磨，有效降低了碳扩散过程中造成的脱碳程度；通过对正方坯尺寸进行加热工艺控制，进一步降低了正方坯在轧制加热过程中的脱碳风险，且借助开轧温度、精轧温度、减定径轧制温度、吐丝温度和斯太尔摩风冷工艺的控制，保证盘条金相组织合格且偏析程度低，适合试制高扭转性能的钢丝。
而且，本发明根据桥索钢碳含量的不同，对各阶段的主要工艺控制参数进行分类重点控制，通过该工艺生产12.0-15.5mm盘条的过程中，大方坯最大中心碳偏析≤1.12、正方坯最大中心碳偏析≤1.07、盘条最大中心碳偏析≤1.15、盘条网状碳化物≤2.0级、盘条脱碳层深度≤1.0％D(D为盘条直径)、盘条金相组织中索氏体化率≥95％且无马氏体等异常组织。该控制方法可以优化材料的碳元素均匀性，降低网状碳化物级别，保证盘条的组织均匀性，进而稳定保证试制钢丝的扭转性能。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
桥索钢包括不同的强度的级别，不同的强度级别所需要的原材料(盘条)不同，主要体现在盘条的原始强度上，而盘条的强度依赖其碳含量，因此针对不同的桥索钢强度要求，采用不同的碳含量盘条进行试制。不同碳含量材料试制过程中的偏析控制难度不同，碳含量越高，偏析控制难度越大，所以针对不同的碳含量采用不同的控制手段，避免过度控制造成不必要的浪费。下述实施例中，所述盘条的成分及质量百分比为：C 0.82～0.98％，Si0.3～1.2％，Mn 0.3～0.9％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cu≤0.2％，Cr≤0.4％，Nb≤0.05％，V≤0.07％，Ti≤0.05％,其余为Fe及不可避免的杂质。
实施例1-5
一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，主要包括三个阶段：1)炼钢及连铸、2)均热及开坯、3)轧制及控冷。由于桥索钢碳含量的不同会导致碳元素偏析控制难度不同，各阶段的主要工艺参数根据盘条碳含量的不同而存在一定的差距，各阶段包括的具体主要工序以及具体工艺及参数为：
1)炼钢及连铸：铁水脱硫、转炉冶炼、吹氩、LF精炼、真空处理、软吹、连铸、铸坯精整等；其中，真空处理时间≥9min；
A、真空处理时间≥9min；
B、中包钢水过热度≤30℃(当盘条碳含量≥0.9％，中包钢水过热度≤25℃。)；
C、拉速：0.35-0.65m/min；
D、二冷水：0.8-1.2L/kg；
E、轻压下量≥8.5mm(当盘条碳含量≥0.9％，轻压下量≥11.0mm。)；
F、连铸大方坯断面尺寸：320mm*420mm。
2)均热(或加热)及开坯：钢坯均热或加热、开坯轧制、表面修磨等；其中，
A、当盘条碳含量≥0.9％，对大方坯采取均热处理：加热温度控制在1250-1320℃，均热保温时间≥8小时，均热炉内保持30-35MPa微正压、炉内气氛保持O2＜1.1％、CO＜2.6％弱还原性；当盘条碳含量＜0.9％，无需对大方坯采取均热处理，直接对大方坯进行常规加热：加热温度范围为1200-1250℃，加热保温时间为200-250min，断面温差≤30℃；
B、对大方坯均热或加热后直接进行开坯轧制，开轧温度1180-1280℃，开坯后为正方坯，正方坯尺寸范围：160mm*160mm至220mm*220mm(其中，当盘条碳含量≥0.9％，正方坯尺寸选用160mm*160mm；当盘条碳含量＜0.9％，正方坯尺寸选用220mm*220mm)；
C、开坯后的正方坯进行全扒皮修磨处理，修磨深度≥1.5mm，修磨深度可适当加大以保证钢坯表面氧化层清除干净；修磨后小方坯角部无尖角，平面总体平整，无凹凸；
3)轧制及控冷：方坯加热、多道次轧制(一般为粗轧、中轧、预精轧、精轧、减定径)、吐丝、斯太尔摩控冷、集卷等；其中，
A、正方坯加热温度1180±30℃，断面温差≤30℃，钢坯在炉时间180-250min(其中，当盘条碳含量≥0.9％，160mm*160mm正方坯在炉时间范围为180-220min；当盘条碳含量＜0.9％，220mm*220mm正方坯在炉时间范围为210-250min)；
B、高线轧制开轧温度1150±25℃；精轧机入口温度900±20℃；减定径机入口温度910±20℃；吐丝温度920±20℃；20架预精轧出口速度为8.0m/s；盘条成品直径为12.0-15.5mm；
C、斯太尔摩风冷线长97米，共14组风机，1-4#风机风量为210000m3/h，5-10#风机风量为154000m3/h，11-14#风机风量为125000m3/h。斯太尔摩风冷辊道起始速度为45m/min，风机均为全开，1-8#风机辊道速度极差为1.03，9-14#风机辊道速度极差为0.97，8#风机辊道速度达到最大值；
D、当盘条碳含量≥0.9％，盘条集卷后进行如坑缓冷，避免直接风吹，降低盘条内应力，盘条冷却至300℃以下后上PF线空冷。对于碳含量＜0.9％的盘条，可直接上PF线进行空冷。
实施例1-5中各成分组成以及具体工艺及参数如表1-4所示。表5为各实施例所得铸坯及盘条的性能检测结果。
表1成分组成
C/％ Si/％ Mn/％ P/％ S/％ Cu/％ Cr/％ Nb/％ V/％ Ti/％
要求 0.82-0.98 0.3-1.2 0.3-0.9 ≤0.025 ≤0.025 ≤0.2 ≤0.4 ≤0.05 ≤0.07 ≤0.05
实施例1 0.87 0.35 0.85 0.012 0.009 0.05 0.25 - 0.05 -
实施例2 0.92 0.90 0.32 0.010 0.008 0.007 0.26 0.02 0.04 -
实施例3 0.83 0.33 0.78 0.012 0.008 0.006 0.32 - 0.06 0.04
实施例4 0.88 0.50 0.81 0.013 0.007 0.005 0.28 0.03 - 0.03
实施例5 0.97 0.95 0.40 0.008 0.009 0.008 0.30 - 0.05 -
表2炼钢及连铸主要参数
Figure BDA0002659812480000061
/>
Figure BDA0002659812480000071
表3均热及开坯主要参数
Figure BDA0002659812480000072
表4轧制及控冷主要参数
Figure BDA0002659812480000073
表5铸坯及盘条的性能结果
Figure BDA0002659812480000081
综上所述，本发明根据桥索钢碳含量的不同，对各阶段的主要工艺控制参数进行分类重点控制，通过该工艺生产12.0-15.5mm盘条的过程中，大方坯最大中心碳偏析≤1.12、正方坯最大中心碳偏析≤1.07、盘条最大中心碳偏析≤1.15、盘条网状碳化物≤2.0级、盘条脱碳层深度≤1.0％D(D为盘条直径)、盘条金相组织中索氏体化率≥95％且无马氏体等异常组织，从而保证所生产的盘条金相组织合格且偏析程度低，适合试制高扭转性能的钢丝。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，主要包括三个阶段：1）炼钢及连铸，2）均热及开坯，3）轧制及控冷；其特征在于所述盘条的成分及质量百分比为：C 0.92～0.98％，Si 0.9～1.2％，Mn 0.3～0.40％，P≤0.025％，S≤0.025％，Cu≤0.2％，Cr≤0.4％，Nb≤0.05％，V≤0.07％，Ti≤0.05％，其余为Fe及不可避免的杂质；
各阶段包括的具体工序以及具体工艺及参数为：
1）炼钢及连铸：铁水脱硫→转炉冶炼→吹氩→LF精炼→真空处理→软吹→连铸→铸坯精整；其中，在连铸步骤中，中包钢水过热度≤25℃，轻压下量≥11.0mm；
2）均热及开坯：钢坯均热→开坯轧制→表面修磨；其中，对大方坯采取均热处理：加热温度控制在1250-1320℃，均热保温时间≥8小时，均热炉内保持30-35MPa微正压、炉内气氛保持O2＜1.1%、CO＜2.6%弱还原性，开坯后为正方坯；
3）轧制及控冷：正方坯加热→多道次轧制→吐丝→斯太尔摩控冷→集卷；其中，
A、正方坯加热温度1180±30℃，断面温差≤30℃，正方坯在炉时间范围为180-220min；
B、盘条成品直径为12.0-15.5mm；
C、盘条集卷后进行入坑缓冷，避免直接风吹，降低盘条内应力，盘条冷却至300℃以下后上PF线空冷；
上述生产盘条的过程中，大方坯最大中心碳偏析≤1.12；正方坯最大中心碳偏析≤1.07；盘条最大中心碳偏析≤1.15；盘条网状碳化物≤2.0级；盘条脱碳层深度≤1.0%D，D为盘条直径；盘条金相组织中索氏体化率≥95%且无马氏体异常组织。
2.根据权利要求1所述的一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，其特征在于在炼钢及连铸阶段中，真空处理时间≥9min；连铸中拉速为0.35-0.65 m/min，二冷水为0.8-1.2 L/kg，连铸大方坯断面尺寸：≥300mm*300mm。
3.根据权利要求1所述的一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，其特征在于在均热及开坯阶段中，开轧温度1180-1280℃，开坯后为正方坯，正方坯尺寸选用160mm*160mm。
4.根据权利要求1所述的一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，其特征在于在均热及开坯阶段中，开坯后的正方坯进行全扒皮修磨处理，修磨深度≥1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种低偏析高扭转桥梁缆索用盘条的生产控制方法，其特征在于在轧制及控冷阶段中，斯太尔摩风冷线长97米，共14组风机，1-4#风机风量为210000m3/h，5-10#风机风量为154000m3/h，11-14#风机风量为125000m3/h；斯太尔摩风冷辊道起始速度为45m/min，风机均为全开，1-8#风机辊道速度极差为1.03，9-14#风机辊道速度极差为0.97，8#风机辊道速度达到最大值。
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