CN113355595A - 一种大规格高强度预应力钢、制备工艺及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及钢铁生产制造领域,具体公开了一种大规格高强度预应力钢、制备工艺及其应用。所述预应力钢的化学成分为:C:0.86‑0.89 wt%、Si:0.32‑0.38 wt%、Mn:0.76‑0.79 wt%、Cr:0.25‑0.29 wt%、V:0.040‑0.050wt%、Ni:≤0.10 wt%、Cu:≤0.20 wt%、P:≤0.015 wt%、S:≤0.015 wt%、余量为Fe,达到提高预应力钢的抗拉强度的效果。
Description
技术领域
本申请涉及钢铁生产制造领域,更具体地说,它涉及一种大规格高强度预应力钢、制备工艺及其应用。
背景技术
高强度预应力钢绞线是金属制品行业应用广泛的一类产品,主要应用于铁路、公路、跨海大桥、大型建筑、水利、矿山等领域,具有抗拉强度高、延伸率好、松弛值低、应力损失小和耐疲劳性能优良等特点。
桥梁缆索属于预应力钢丝钢绞线的一种,由于工作条件和工作环境的特殊性,桥梁缆索产品性能要求高,因此对原料性能的均匀性、索氏体化程度及夹杂物级别等有一定要求,国内钢丝钢绞线企业生产这类产品时以前多选用进口盘条。目前我国预应力钢丝钢绞线用热轧盘条的主要问题是索氏体化率不高且不均匀,导致桥梁缆索的抗拉强度低,这也是制约我们预应力钢丝钢绞线发展的主要因素。
发明内容
为了提高预应力钢的抗拉强度,本申请提供一种大规格高强度预应力钢、制备工艺及其应用。
本申请的第一个方面提供的一种大规格高强度预应力钢,采用如下的技术方案:
一种大规格高强度预应力钢,所述预应力钢的化学成分为:C:0.86-0.89 wt%、Si:0.32-0.38 wt%、Mn:0.76-0.79 wt%、Cr:0.25-0.29 wt%、V:0.040-0.050 wt%、Ni:≤0.10wt%、Cu:≤0.20 wt%、P:≤0.015 wt%、S:≤0.015 wt%、余量为Fe。
通过采用上述技术方案,C是提高钢材强度的最强有效元素,理论证明钢中C的质量分数每提高0.01wt%,其极限抗拉强度平均提高8MPa,但是钢材中的C增加会导致其向过共析钢方向发展,在过冷奥氏体的冷却转变过程中会先析出网状二次Fe3C,从而降低钢材的塑性和韧性。而对于桥梁缆索用高强钢丝来说,先析出网状二次Fe3C是不允许的,因此本申请中C含量控制在0.86-0.89wt%范围内。
Si是炼钢过程中的脱氧剂,同时还是非碳化物的形成元素,在钢材中主要是以固溶形式存在于α-Fe中,起到固溶强化的作用,提高桥梁缆索用钢丝的淬透性和强度。通常Si的扩散可以抑制Fe3C的球化,因此Si含量的提高可降低Fe3C的球化趋势,以提高钢丝的抗回火软化能力,从而缓解钢丝在热镀锌阶段由于受热导致的强度下降。而且,在高碳钢中添加一定量的Si可以降低α-Fe片层中C原子的偏聚程度,有利于提高C原子分布的均匀性。
此外,Si含量的增加可以提高珠光体相变温度,同时减小珠光体片层间距,提高钢的淬透性。但是,较高的Si含量却对钢材的塑性和韧性不利,会使其在冷拉拔形变中的加工硬化率降低,还会导致钢材加热后表面的氧化皮清理困难。因此,本申请中的Si含量控制在0.32-0.38wt%。
Mn在炼钢过程中同样是一种有效的脱氧剂,和杂质元素S可以形成化合物MnS,起到防止钢材热脆的作用。Mn在α-Fe和Fe3C中均有分布,且在Fe3C中的含量要高于α-Fe中的。原因是在热镀锌过程中由于Si强烈倾向于α-Fe中,从而迫使α-Fe中的Mn向Fe3C迁移,而Fe3C相中负极的Mn提高了其在热镀锌过程中的稳定性,延缓了其球化速率,减少了钢丝的强度损失;Mn的加入还可以提高钢丝在冷拉拔加工过程中的加工硬化率,但其容易产生偏析,导致在冷拉拔加工过程中易出现断丝现象。因此,本申请中Mn含量控制在0.76%~0.79wt%。
Cr是强碳化物形成元素,它能够置换钢材中的Fe原子形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C,从而起到析出强化的效果,并且可细化珠光体团,从而在斯太尔摩生产线上获得细小的珠光体组织,提高盘条的抗拉强度。Cr的添加可以抑制冷拉拔过程中破碎的渗碳体在热镀锌过程中的球化,从而提高渗碳体的热稳定性;但是较高的Cr含量会使钢丝在扭转变形时由于分层而出现断裂,此外还会降低盘条在冷拉拔加工过程中的减面率。
V元素能和钢中的C和N等元素以化合物的形式形成细小的碳化钒(VC)或氮化物存在于Fe3C中,起到强化Fe3C的作用。同时,V可以在钢加热过程中阻止奥氏体晶粒的长大,从而细化奥氏体晶粒;而且其加入能够推迟珠光体转变,细化珠光体团尺寸和缩小片层间距,从而提高钢材抗拉强度;在过冷奥氏体的冷却过程中V会以纳米析出相的形式弥散析出,强化珠光体组织;V还可以抑制冷拉拔加工过程中Fe3C的碎化,增加其热稳定性,在随后的热镀锌过程中降低Fe3C的球化倾向,提高钢材的扭转性能;此外,在冷拉拔加工过程中V在减小钢丝加工硬化率的同时不会降低其减面率。但是,过高的V含量会导致沉淀析出的碳氮化物颗粒增多,大大降低钢材的塑性。
本申请严格控制预应力钢中的各项化学成分,从而保证最终得到的钢丝具有良好的抗拉强度和扭转性能。
本申请的第二个方面提供一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,包括如下制备步骤:铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉处理和连铸;
其中转炉冶炼,控制转炉中钢水终点成分为:C:≥0.08wt%、P:≤0.010wt%,出钢温度1600-1630℃,在转炉出钢时向钢包中加入脱氧合金;
LF炉精炼,在电流为25000-35000A,电压为300V的条件下送电加热造渣10-12min,测温取样分析成分,根据结果按目标预应力钢的成分进行调整,再次以电流为30000-35000A,电压为300V送电加热,以至少4.17kg/吨钢水的总量分2-3批加入白灰,以及加入萤石调整炉渣的流动性,控制总渣量为8-10kg/吨钢水,并调节炉渣碱度在2.5-4.0的范围内,之后分批加入碳化硅和电石进行渣面脱氧,碳化硅的加入量为0.8kg/t钢水,电石的加入量为0.7-1.2kg/吨钢水,控制白渣保持15min以上和渣中FeO<0.5wt%,待钢水温度达到1580-1600℃且成分达标后吊包;其中碳化硅中硅含量为57.0wt%左右;
VD炉真空脱气处理时间≥20min,真空度<0.5乇,真空下的底吹氩压力为0.4-0.6MPa,底吹氩气流量为7-12m3/h;控制最终钢水氧体积浓度≤20ppm,氮体积浓度≤60ppm。
优选的,所述转炉冶炼中进入转炉时的铁水中P、Ni含量分别为:P≤0.120wt%、Ni:≤0.10wt%。
优选的,所述转炉冶炼采用顶底复吹的方式,顶吹氧压力0.8MPa以上,氧枪流量为25000-30000Nm3/h,底吹氩气,氩气流量为45-50N m3/h,压力为0.5-0.6MPa;炼钢得到的熔渣的碱度为3.0-3.8。
通过采用上述技术方案,本申请通过转炉冶炼、LF炉精炼和VD炉处理后,能够有效降低钢水中的含氧量。
在LF炉精炼造渣的过程中,钢中渣量控制在8-10kg/吨钢、炉渣碱度在2.5-4.0、渣中FeO含量<0.5wt%时,能够有效去除钢水中的有害元素硫和磷,同时还能够有效去除钢水中的硫化物夹杂、氧化铝夹杂和球状氧化物夹杂,提高钢水纯净度;此外炉渣覆盖在钢水表面,能够隔绝外部空气,控制钢水的氧化和还原,保证钢水中元素不被大量氧化。
优选的,所述脱氧合金按加入钢包中的先后顺序包括人造石墨8.9-9.6kg/吨钢水、硅锰11-12.5kg/吨钢水、硅铁3-4kg/吨钢水、高碳铬3.9-4.5kg/吨钢水和白灰300kg,使得Mn元素收得率为85%,Si元素收得率为75%,Cr元素收得率为0.95%;其中硅锰合金中硅的含量为17wt%、锰的含量为68wt%,硅铁中硅的含量为72wt%,高碳铬铁中Cr含量为59%、碳含量为8wt%;白灰中CaO含量为90wt%。
通过采用上述技术方案,人造石墨、硅锰、硅铁、高碳铬和白灰的加入,调整钢水成分,有利于钢水中的夹杂物上浮排除。
优选的,所述步骤(2)中钢水进入LF炉中吹氩流量100-150L/min,氩气压力为0.3-0.4MPa;以及第一次通电过程中吹氩流量为250-350L/min,第二次通电过程中氩气流量50-100L/min,氩气流量均为0.3-0.4MPa。
优选的,所述LF炉精炼的钢水终点成分为C 0.80-0.86wt%、Si 0.25-0.32wt%、Mn0.68-0.76wt%、Cr 0.20-0.25wt%、P≤0.012%、V 0.035-0.045wt%。
通过采用上述技术方案,在LF炉精炼过程中,将C、Si、Mn、Cr、V的含量控制在此范围内时,能够使得夹杂物的含量有效上浮,提高钢水纯净度。
优选的,所述LF炉精炼的钢水成分到终点成分后,向钢水中喂硅钡线100m,喂线速度为3-5m/s。
优选的,所述步骤(3)中钢水进入VD炉后,吹氩流量为100-200L/min,压力0.3-0.4MPa;VD炉真空处理前氩气压力为0.4-0.5MPa,底吹氩气流量为7-12m3/h;真空处理后氩气压力为0.2-0.3MPa,氩气流量为50L/min,处理时间为10-15min。
通过采用上述技术方案,由于钢包包衬吸热和钢包表面散热,导致钢包上下部钢水温度较低,而中间温度较高,这种温度差异导致浇注过程中钢水温度前后期低,中期高,影响铸坯内部质量,因此吹氩可以使得钢水温度均匀,同时还能够使的钢水成分更加均匀。本申请在真空处理后降低氩气压力和氩气流量,防止钢水出现裸露现象,同时处理时间在10-15min的范围内是,能够使得钢水中细小颗粒的夹杂物上浮,进一步提高钢水纯净度。
本发明的第三个方面:提供一种大规格高强度预应力钢在盘条中的应用,将上述得到的预应力钢采用如下的工序进行轧制,包括:
(1)加热处理,将连铸得到的钢坯吊入加热炉中,预热段温度小于900℃,加热一段温度为900-1080℃,加热二段温度为1170-1270℃,均热段温度为1150-1250℃,炉内为还原性气氛;
(2)控轧处理,开轧温度1140-1170℃,精轧机入口温度900-920℃,减定径入口温度880-900℃,吐丝温度860-880℃,斯太尔摩冷却的进入速度为0.5-0.7m/s,后期每段运行速度在前一阶段的基础上增加8-12%。
通过采用上述技术方案,将本申请得到的预应力钢应用于盘条中,本申请中加热处理温度以及控轧处理温度的设置,在冷却后能够得到更细的细珠光体组织,即索氏体化率提高,抗拉强度提高。
本申请中,吐丝温度是控制相变开始温度的关键参数,对于斯太尔摩冷却来说,精轧后通过斯太尔摩风冷却时,线材的温度急剧下降,这不仅可使轧后形成的细晶粒奥氏体组织经急冷保留下来,为相变提供合适的细小晶粒的金相组织和温度条件,同时避免了线材在易氧化的高温状态停留,减少二次氧化铁皮的生成。
综上所述,本申请具有以下有益效果:
本申请通过控制钢水中C、Si、Mn、Cr、V等元素的含量,从而控制预应力钢的内部组织结构和力学性能,同时Cr和Si元素的存在主要起到固溶强化作用,其引起的晶格畸变会使位错的阻力增加,从而使得钢材的强度提高;预应力钢中Mn和V元素会在等温淬火过程中以第二相粒子的形式在α-Fe和Fe3C的边界上析出,将会对位错产生钉轧作用,阻止滑移的进一步发生,从而强化钢材的强韧性。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1-3采用同一制备工艺制备预应力钢盘条,具体如下:
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,包括如下制备步骤:
(1)转炉冶炼:总装入量为120吨,其中铁水加入量为102吨,废钢加入量为18吨进行吹氧冶炼,其中入炉铁水中P含量≤0.120wt%、Ni含量<0.10wt%,炼钢过程中采用顶底复吹的方式进行冶炼,顶吹氧压力为0.8MPa,氧枪流量为25000Nm3/h,底吹氩气,氩气流量为45N m3/h,压力为0.5MPa,使得钢水终点成分为:C:≥0.08wt%、P:≤0.010wt%,转炉出钢温度为1600℃,出钢过程按加入先后顺序向钢包中加入人造石墨1068kg、硅锰1320kg、硅铁360kg、高碳铬468kg和白灰300kg;其中硅锰合金中硅的含量为17wt%、锰的含量为68wt%,硅铁中硅的含量为72wt%,高碳铬铁中Cr含量为59%、碳含量为8wt%;白灰中CaO含量为90wt%,Mn元素收得率为85%,Si元素收得率为75%,Cr元素收得率为0.95%;
(2)LF炉精炼:
(21)在吹氩流量为100L/min,氩气压力为0.3MPa的条件下,钢包中钢水进入LF炉中,在吹氩流量为250L/min,氩气压力为0.3MPa的条件下,通电造渣:电流为25000A、电压为300V的条件下第一次加热造渣10min,测温取样分析成分(保证取三分钟样温度>1510℃)测温取样后,根据结果按目标预应力钢的成分加入硅铁、硅锰、高碳铬铁、人造石墨、钒铁等进行有限次调整;
(22)在氩气流量为50L/min,氩气压力为0.3MPa的条件下,以电流为30000A、电压为300V的条件下二次送电加热,加入白灰2-3批,总量为510kg,以及加入萤石调整炉渣的流动性,控制总渣量为960kg,碱度控制为2.5,之后分批加入碳化硅和电石进行渣面脱氧,碳化硅的加入量为96kg,电石的加入量为84kg,白渣保持20min,FeO含量为0.4wt%;
(23)出钢前喂硅钡线100m,喂线速度为3m/s,控制钢水终点成分为C 0.84wt%、Si0.25wt%、Mn 0.76wt%、Cr 0.20wt%、P 0.012wt%、V 0.045wt%;待钢水温度达到1580且成分达标后吊包
(3)VD炉处理:
(31)钢水进VD炉后,底吹氩流量为100L/min,压力0.3MPa,保证钢水不裸露,测温、取样;
(32)取样后,VD炉真空处理前的氩气压力为0.4MPa,氩气流量为7m3/h,真空处理前即将VD炉内的空气从正常大气压抽到0.5乇以下的过程,真空度降至0.5乇以下后,总真空时间为20min,底吹氩气压力为0.4MPa,氩气流量为7m3/h,真空处理后氩气压力0.2MPa,氩气流量为50L/min,处理时间15min;
(4)连铸:控制中间包浇注温度在1476℃,浇注时钢水过热度在25℃,浇注后得预应力钢,预应力钢化学成分如表1所示;
(5)轧制工艺
(51)将步骤(4)得到的预应力钢坯吊入加热炉中,从预热段进入,经过加热一段、加热二段,从均热段输出,其中预热段温度为600℃,加热一段温度为900℃,加热二段温度为1170℃,均热段温度为1150℃;炉内吹入煤气和空气进行加热,总处理时长为1.5h;
(52)控轧处理,将步骤(51)得到的钢材进行轧制,开轧温度为1140℃,精轧机入口温度900℃,减定径入口温度880℃,吐丝温度860℃,斯太尔摩冷却的进入速度为0.5m/s,后期每段运行速度在前一阶段的基础上增加8%。
实施例4
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,预应力钢成分与实施例2相同,与实施例2的不同之处在于,转炉冶炼部分不同,具体如下:
转炉冶炼:炼钢过程中采用顶底复吹的方式进行冶炼,顶吹氧压力为0.8MPa,氧枪流量为30000Nm3/h,底吹氩气,氩气流量为50N m3/h,压力为0.6MPa,使得钢水终点成分为:C:≥0.08wt%、P:≤0.010wt%,转炉出钢温度为1630℃,出钢过程按顺序向钢包中加入人造石墨1152kg、硅锰1500kg、硅铁480kg、高碳铬540kg和白灰300kg;其中硅锰合金中硅的含量为17wt%、锰的含量为68wt%,硅铁中硅的含量为72wt%,高碳铬铁中Cr含量为59%、碳含量为8wt%;白灰中CaO含量为90wt%,Mn元素收得率为85%,Si元素收得率为75%,Cr元素收得率为0.95%;
其余制备过程与实施例2的相同。
实施例5
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,预应力钢成分与实施例2相同,与实施例2的不同之处在于,LF炉精炼部分不同,具体如下:
(2)LF炉精炼:
(21)在吹氩流量为150L/min,氩气压力为0.4MPa的条件下,钢包中钢水进入LF炉中,在吹氩流量为350L/min,氩气压力为0.4MPa的条件下,通电造渣:电流为35000A、电压为300V的条件下加热造渣10min,测温取样分析成分(保证取三分钟样温度>1510℃)测温取样后,根据结果按目标预应力钢的成分加入硅铁、硅锰、高碳铬铁、人造石墨、钒铁等进行有限次调整;
(22)在氩气流量为100L/min,氩气压力为0.4MPa的条件下,以电流为35000A、电压为300V的条件下,加入白灰2-3批,总量为510kg,碳化硅的加入量为96kg,电石的加入量为144kg,控制总渣量为1200kg,碱度控制为4.0,白渣保持20min,FeO含量为0.3wt%;
(23)出钢前喂硅钡线100m,喂线速度为3m/s,控制钢水终点成分为C 0.86wt%、Si0.32wt%、Mn 0.76wt%、Cr 0.25wt%、P 0.010wt%、V 0.045wt%;待钢水温度达到1600℃且成分达标后吊包;其余制备过程与实施例2的相同。
实施例6
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,预应力钢成分与实施例2相同,与实施例2的不同之处在于,VD炉处理部分不同,具体如下:
(3)VD炉处理:
(31)钢水进VD炉后,底吹氩流量为200L/min,压力0.4MPa,保证钢水不裸露,测温、取样;
(32)取样后,VD炉真空处理前的氩气压力为0.5MPa,氩气流量为12m3/h,真空处理前即将VD炉内的空气从正常大气压抽到0.5乇以下的过程,真空度降至0.5乇以下后,总真空时间为20min,底吹氩气压力为0.6MPa,氩气流量为12m3/h,真空处理后氩气压力0.3MPa,氩气流量为50L/min,处理时间15min;其余制备过程与实施例2的相同。
实施例7
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,预应力钢成分与实施例2相同,与实施例2的不同之处在于,轧制工艺部分不同,具体如下:
(5)轧制工艺
(51)将步骤(4)得到的预应力钢坯吊入加热炉中,从预热段进入,经过加热一段、加热二段,从均热段输出,其中预热段温度为900℃,加热一段温度为1080℃,加热二段温度为1270℃,均热段温度为1250℃;炉内吹入煤气和空气进行加热,总处理时长为2.0h;
(52)控轧处理,将步骤(51)得到的钢材进行轧制,开轧温度为1170℃,精轧机入口温度920℃,减定径入口温度900℃,吐丝温度880℃,斯太尔摩冷却的进入速度为0.7m/s,后期每段运行速度在前一阶段的基础上增加12%;其余制备过程与实施例2的相同。
实施例8
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,与实施例4的不同之处在于,转炉出钢过程中脱氧合金按加入钢包中的先后顺序包括人造石墨1152kg、硅锰1500kg、白灰300kg,其余与实施例4中的相同。
实施例9
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,与实施例4的不同之处在于,转炉出钢过程中脱氧合金按加入钢包中的先后顺序包括人造石墨1152kg、硅铁480kg、白灰300kg,其余与实施例4中的相同。
实施例10
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,与实施例4的不同之处在于,转炉出钢过程中脱氧合金按加入钢包中的先后顺序包括人造石墨1152kg、高碳铬540kg、白灰300kg,其余与实施例4中的相同。
实施例11
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,与实施例2的不同之处在于,控轧处理过程中斯太尔摩冷却工序中每段运行速度在前一阶段的运行速度的基础上增加6%。
实施例12
一种大规格高强度预应力钢盘条的制备工艺,与实施例2的不同之处在于,控轧处理过程中斯太尔摩冷却工序中每段运行速度在前一阶段的运行速度的基础上增加14%。
对比例1
与实施例2的不同之处在于,预应力钢中C、Si、Mn的含量与实施例2的不同,具体为C:0.84wt%、Si:0.40wt%、Mn:0.75wt%,其余化学成分与实施例2相同。
对比例2
与实施例2的不同之处在于,预应力钢中C、Si、Mn的含量与实施例2的不同,具体为C:0.90wt%、Si:0.31wt%、Mn:0.80wt%,其余化学成分与实施例2相同。
对比例3
与实施例2的不同之处在于,预应力钢中Si、Cr的含量与实施例2的不同,具体为Si:0.30wt%、Cr:0.32wt%,其余化学成分与实施例2相同。
对比例4
与实施例2的不同之处在于,预应力钢中Si、Cr的含量与实施例2的不同,具体为Si:0.40wt%、Cr:0.22wt%,其余化学成分与实施例2相同。
对比例5
与实施例2的不同之处在于,预应力钢中Mn、V的含量与实施例2的不同,具体为Mn:0.74wt%、V:0.053wt%,其余化学成分与实施例2相同。
对比例6
与实施例2的不同之处在于,预应力钢中Mn、V的含量与实施例2的不同,具体为Mn:0.80wt%、V:0.035wt%,其余化学成分与实施例2相同。
对比例7
与实施例2的不同之处在于,LF炉精炼过程中控制总渣量为5kg/吨钢,碱度为2.0,白渣中FeO含量为1.0%。
对比例8
与实施例2的不同之处在于,LF炉精炼过程中控制总渣量为12kg/吨钢,碱度为4.3,白渣中FeO含量为0.2%。
对比例9
与实施例2的不同之处在于,VD炉真空处理后氩气压力为0.1MPa,氩气流量为30L/min。
对比例10
与实施例2的不同之处在于,VD炉真空处理后氩气压力为0.4MPa,氩气流量为60L/min。
表1 预应力钢化学成分(wt%)
成分 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 |
C | 0.86 | 0.88 | 0.89 |
Si | 0.32 | 0.36 | 0.38 |
Mn | 0.76 | 0.78 | 0.79 |
Cr | 0.25 | 0.26 | 0.29 |
V | 0.040 | 0.046 | 0.050 |
Ni | 0.09 | 0.08 | 0.10 |
Cu | 0.18 | 0.14 | 0.16 |
P | 0.013 | 0.014 | 0.015 |
S | 0.012 | 0.015 | 0.013 |
Fe | 余量 | 余量 | 余量 |
性能检测
(一)将实施例1-12和对比例1-10得到的预应力钢轧制成规格为φ14mm的盘条,然后分别取20个盘条样品进行抗拉强度、伸长率检测,检测结果如表2所示,拉伸强度、伸长率的检测参照GB/T228.1-2010中的有关规定进行。扭转性能按照GB/T239.1-2012中的标准进行,扭转是指试样绕自身轴线向一个方向均匀旋转360°作为一次扭转,直至断裂时记录总的扭转次数,根据GB/T20124-2006《钢铁氮含量的测定》中的常规方法进行检测,根据GB/T11261-2006《钢铁氧含量的测定》中的红外线吸收法进行测定,根据GB/T223.82-2007《钢铁氢含量的测定》中的熔融热导法进行测定。
表2预应力钢盘条的力学性能检测结果表
项目 | 抗拉强度/MPa | 延伸率/% | 断面收缩率/% | 扭转次数 | 氧气含量/ppm | 氮气含量/ppm | 氢气含量/ppm |
实施例1 | 1297 | 9.0 | 27 | 20 | 17 | 56 | 2.0 |
实施例2 | 1310 | 9.3 | 28 | 20 | 17 | 56 | 2.0 |
实施例3 | 1305 | 9.1 | 28 | 20 | 17 | 56 | 2.1 |
实施例4 | 1338 | 9.5 | 33 | 23 | 13 | 55 | 1.7 |
实施例5 | 1329 | 9.3 | 32 | 21 | 15 | 54 | 1.8 |
实施例6 | 1324 | 9.2 | 32 | 22 | 16 | 54 | 1.8 |
实施例7 | 1318 | 9.3 | 32 | 22 | 17 | 55 | 1.9 |
实施例8 | 1315 | 9.0 | 30 | 21 | 17 | 55 | 2.0 |
实施例9 | 1320 | 9.3 | 32 | 22 | 17 | 56 | 1.8 |
实施例10 | 1322 | 9.1 | 30 | 20 | 17 | 55 | 1.8 |
实施例11 | 1298 | 8.8 | 27 | 21 | 17 | 55 | 1.8 |
实施例12 | 1321 | 9.2 | 31 | 20 | 17 | 55 | 1.8 |
对比例1 | 1268 | 7.6 | 26 | 14 | 15 | 54 | 1.8 |
对比例2 | 1305 | 9.3 | 29 | 20 | 14 | 56 | 1.7 |
对比例3 | 1286 | 9.0 | 30 | 18 | 15 | 57 | 1.7 |
对比例4 | 1302 | 9.0 | 30 | 18 | 16 | 55 | 1.9 |
对比例5 | 1310 | 8.0 | 25 | 15 | 17 | 58 | 1.9 |
对比例6 | 1305 | 8.2 | 25 | 14 | 16 | 57 | 2.0 |
对比例7 | 1285 | 8.9 | 27 | 20 | 19 | 60 | 2.6 |
对比例8 | 1300 | 9.0 | 30 | 21 | 19 | 60 | 2.8 |
对比例9 | 1282 | 8.5 | 24 | 16 | 24 | 63 | 1.9 |
对比例10 | 1286 | 8.7 | 25 | 15 | 22 | 60 | 2.0 |
从表2中可以看出,本申请实施例得到的预应力盘条的力学性能在1290-1338MPa范围内,断面收缩率≥25%,氧气含量低于20ppm,氮气含量低于60ppm,扭转次数≥20次,符合GB/T24238-2017中有关YL87B牌号的要求扭转次数≥20次;
实施例4-7与实施例2相比,当改变转炉冶炼、LF炉冶炼、VD炉处理以及轧制工艺时,都可以提高盘条的抗拉强度,说明在预应力钢成分相同的情况下,控制转炉冶炼、LF炉冶炼、VD炉处理以及轧制工艺,可相应的提高盘条的抗拉强度,其主要原因应该是提高了钢水的纯净度,降低了预应力钢中的非金属夹杂物含量,从而使得得到的预应力钢盘条的晶粒度更细,抗拉强度更高;
实施例8-10与实施例4相比,当脱氧合金中缺少硅锰、硅铁、高碳铬中的一种时,其抗拉强度相比于实施例4都降低,其原因主要是脱氧效果差,夹杂物含量高,从而导致盘条的抗拉强度降低;
实施例11和实施例12中当斯太尔摩每阶段运行速度的增加量超过本申请的限定范围后,其抗拉强度也低于本申请中的抗拉强度。
此外本申请实施例2中的盘条的力学性能均优于对比例中盘条的力学性能,说明本申请的制备方法以及预应力钢的成分能够有效提高盘条的力学性能和扭转次数。
(二)对实施例1-12和对比例1-10得到的预应力钢中的非金属夹杂物进行检测,检测结果如表3所示。钢中非金属夹杂物的检测依据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》中的有关规定。A类为硫化物夹杂物;B类为氧化铝类夹杂物;C类为硅酸盐类夹杂物;D类为球状氧化物类夹杂物;DS类为单颗粒的圆形球状夹杂物。
表3预应力钢盘条中非金属夹杂物评级表
从表3中可以看出,本申请实施例中的A类、B类、C类、D类非金属夹杂物的级数均低于对比例7-10中的非金属夹杂物的级数,说明本申请实施例得到的预应力钢的纯净度高于对比例7-10中的预应力钢的纯净度,从而使得钢中的夹杂物含量少,预应力钢盘条的力学性能也会好。对比例8中的总渣量、碱度均高于本申请实施例2中的总渣量和碱度,虽然碱度越高,渣的活性越大,吸收的气体也较多,但是从对比例8的数据中可以看出,其对比例8的预应力钢盘条的力学性能与本申请的力学性能接近,甚至本申请的力学性能高于对比例8中的力学性能,夹杂物级数与实施例2中的夹杂物级数接近,可见,当总渣量以及炉渣碱度超过本申请的限定后,其预应力钢盘条的力学性能以及夹杂物含量没有太大的改变,而且总渣量增多后,需要添加的白灰量也需要增加,导致生产成本也会升高。
(三)对实施例1-12和对比例1-10中的预应力钢的晶相组织进行检测,检测依据GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》;马氏体评级参照YB/T4411-2014《高碳钢盘条中心马氏体评定方法》。晶界渗碳体评级参照YB/T4412-2014《高碳钢盘条网状渗碳体评定方法》中的规定进行评级;脱碳层深度按照GB/T224-2019中的规定进行,检测结果如表4所示。
表4预应力钢组织含量表
项目 | 索氏体率/% | 马氏体晶粒度 | 晶界渗碳体 | 总脱碳层 |
要求 | ≥85% | ≤3级 | ≤2级 | ≤1.5μm |
实施例1 | 91 | 0级 | 0级 | 0.14 |
实施例2 | 92 | 0级 | 0级 | 0.12 |
实施例3 | 92 | 0级 | 0级 | 0.12 |
实施例4 | 95 | 0级 | 0级 | 0.08 |
实施例5 | 92 | 0级 | 0级 | 0.09 |
实施例6 | 92 | 0级 | 0级 | 0.10 |
实施例7 | 93 | 0级 | 0级 | 0.08 |
实施例8 | 91 | 0级 | 0级 | 0.09 |
实施例9 | 93 | 0级 | 0级 | 0.10 |
实施例10 | 92 | 0级 | 0级 | 0.10 |
实施例11 | 89 | 0级 | 0级 | 0.12 |
实施例12 | 94 | 0级 | 0级 | 0.08 |
对比例1 | 84 | 0.5级 | 1.0级 | 0.19 |
对比例2 | 93 | 0级 | 0级 | 0.08 |
对比例3 | 86 | 0级 | 0级 | 0.13 |
对比例4 | 86 | 0级 | 0级 | 0.15 |
对比例5 | 88 | 0级 | 0级 | 0.18 |
对比例6 | 93 | 0级 | 0级 | 0.21 |
对比例7 | 81 | 2.0级 | 1.0级 | 0.38 |
对比例8 | 90 | 0级 | 0级 | 0.34 |
对比例9 | 83 | 1.5级 | 1.0级 | 0.42 |
对比例10 | 83 | 1.5级 | 1.0级 | 0.45 |
从表4中可以看出,本申请中的索氏体率在86%以上,马氏体评级≤1.5级,晶界渗碳体评级≤0.5级,而晶界渗碳体的级数为0级,总脱碳层的深度≤0.18μm,可见,本申请实施例得到的预应力钢盘条的马氏体含量与晶界渗碳体含量少,从而有效保证预应力钢盘条的力学性能,而且本申请得到的预应力钢盘条的组织更加均匀。
对比例1-2与实施例2相比,当C、Si、Mn的含量低于本申请的限定时,其索氏体率也会降低,且从表2中可以看出,其抗拉强度也相应的降低;当C、Si、Mn的含量高于本申请的限定时,其索氏体率与本申请实施例2的索氏体率基本接近,但从表2中可以看出,其抗拉强度有所降低,可见,C、Si、Mn的含量限定在本申请的范围内时,既可保证盘条的抗拉强度同时也能够使得盘条具有高的索氏体率;
对比例3-6与实施例2相比,索氏体率以及抗拉强度均低于实施例2中的索氏体率及抗拉强度,可见,本申请中预应力钢的成分含量在本申请的限定范围内时,能够有效提高预应力钢盘条的性能;
对比例7-10与实施例2相比,索氏体率以及抗拉强度均低于实施例2中的索氏体率和抗拉强度。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释,其并不是对本申请的限制,本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改,但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种大规格高强度预应力钢,其特征在于:所述预应力钢的化学成分为:C:0.86-0.89 wt%、Si:0.32-0.38 wt%、Mn:0.76-0.79 wt%、Cr:0.25-0.29 wt%、V:0.040-0.050wt%、Ni:≤0.10 wt%、Cu:≤0.20 wt%、P:≤0.015 wt%、S:≤0.015 wt%、余量为Fe。
2.一种如权利要求1所述的大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于,包括如下制备步骤:(1)转炉冶炼、(2)LF炉精炼、(3)VD炉处理和(4)连铸;
其中(1)转炉冶炼,控制转炉中钢水终点成分为:C:≥0.08wt%、P:≤0.010wt%,出钢温度1600-1630℃,在转炉出钢时向钢包中加入脱氧合金;
(2)LF炉精炼,在电流为25000-35000A,电压为300V的条件下第一次送电加热造渣10-12min,测温取样分析成分,根据结果按目标预应力钢的成分进行调整,再次以电流为30000-35000A,电压为300V送电加热,以至少4.17kg/吨钢水的总量分2-3批加入白灰,以及加入萤石调整炉渣的流动性,控制总渣量为8-10kg/吨钢水,并调节炉渣碱度在2.5-4.0的范围内,之后分批加入碳化硅和电石进行渣面脱氧,碳化硅的加入量为0.8kg/t钢水,电石的加入量为0.7-1.2kg/吨钢水,控制白渣保持15min以上和渣中FeO<0.5wt%,待钢水温度达到1580-1600℃且成分达标后吊包;
(3)VD炉真空脱气处理时间≥20min,真空度<0.5乇,真空下的底吹氩压力为0.4-0.6MPa,底吹氩气流量为7-12m3/h;控制最终钢水氧体积浓度≤20ppm,氮体积浓度≤60ppm。
3.根据权利要求2所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述转炉冶炼中进入转炉时的铁水中P、Ni含量分别为:P≤0.120wt%、Ni:≤0.10wt%。
4.根据权利要求2所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述转炉冶炼采用顶底复吹的方式,顶吹氧压力0.8MPa以上,氧枪流量为25000-30000Nm3/h,底吹氩气,氩气流量为45-50N m3/h,压力为0.5-0.6MPa;炼钢得到的熔渣的碱度为3.0-3.8。
5.根据权利要求2所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述脱氧合金按加入钢包中的先后顺序包括人造石墨8.9-9.6kg/吨钢水、硅锰11-12.5kg/吨钢水、硅铁3-4kg/吨钢水、高碳铬3.9-4.5kg/吨钢水和白灰300kg,使得Mn元素收得率为85%,Si元素收得率为75%,Cr元素收得率为0.95%。
6.根据权利要求2所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述步骤(2)中钢水进入LF炉中吹氩流量100-150L/min,氩气压力为0.3-0.4MPa;以及第一次通电过程中吹氩流量为250-350L/min,第二次通电过程中氩气流量50-100L/min,氩气压力均为0.3-0.4MPa。
7.根据权利要求2所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述LF炉精炼的钢水终点成分为C 0.80-0.86wt%、Si 0.25-0.32wt%、Mn 0.68-0.76wt%、Cr 0.20-0.25wt%、P≤0.012wt%、V 0.035-0.045wt%。
8.根据权利要求7所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述LF炉精炼的钢水成分到终点成分后,向钢水中喂硅钡线100m,喂线速度为3-5m/s。
9.根据权利要求2所述的一种大规格高强度预应力钢的制备工艺,其特征在于:所述步骤(3)中钢水进入VD炉后,吹氩流量为100-200L/min,压力0.3-0.4MPa;以及VD炉真空处理前氩气压力为0.4-0.5MPa,底吹氩气流量为7-12m3/h;真空处理后氩气压力为0.2-0.3MPa,氩气流量为50L/min,处理时间为10-15min。
10.一种大规格高强度预应力钢在盘条中的应用,其特征在于:将权利要求1得到的预应力钢采用如下的工序进行轧制,包括:
(1)加热处理,将连铸得到的钢坯吊入加热炉中,预热段温度600-900℃,加热一段温度为900-1080℃,加热二段温度为1170-1270℃,均热段温度为1150-1250℃,炉内为还原性气氛,钢坯从预热段进入到均热段出,总时长为1.5-2.0h;
(2)控轧处理,开轧温度1140-1170℃,精轧机入口温度900-920℃,减定径入口温度880-900℃,吐丝温度860-880℃,斯太尔摩冷却的进入速度为0.5-0.7m/s,后期每段运行速度在前一阶段的基础上增加8-12%。
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