抗应力腐蚀超高强度钢绞线用盘条及钢绞线的制造方法与流程

1.本发明涉及冶金生产技术领域，尤其涉及一种抗应力腐蚀超高强度钢绞线用盘条及钢绞线的制造方法，主要用于超高强度预应力钢绞线，能够满足在2300mpa-2400mpa级超高强度预应力钢绞线抗应力腐蚀性能要求。


背景技术：

2.预应力钢绞线主要用于高铁、桥梁和大型建筑等工程，具有高强度、低松弛等特点。目前我国普遍采用1860mpa级钢绞线。自上世纪90年代以来，我国工程建设领域采用的预应力钢绞线主要是以swrh82b盘条为原材料，制作1860级别钢绞线，每年用量约360-420万吨。近年随着使用功能提高，1860级别钢绞线已不能有效满足大跨度结构需求，已成为制约预应力混凝土结构发展的瓶颈问题。同时，为了节省钢材和其它资源，简化混凝土结构，我国正在寻求提高钢绞线抗拉强度级别，研发2300-2400mpa级钢绞线。采用超高强预应力钢绞线不仅能节约钢材用量，而且将减少混凝土保护层厚度，减轻结构自重，具有显著的技术、经济意义，同时也符合国家节能减排、发展绿色经济的要求，是未来的发展趋势。钢绞线的抗拉强度级别提高以后，张拉时施加的张力相应提高，在相同的环境条件下，受到的应力腐蚀条件比1860mpa级钢绞线更为严苛，超高强度钢绞线更容易产生应力腐蚀破坏。采用常规化学成分和生产工艺生产超高强度钢绞线，应力腐蚀试验很难合格。在提高钢绞线抗拉强度的同时，必须提高钢绞线的抗应力腐蚀能力。因此，本发明针对超高强度钢绞线应力腐蚀性能不合问题，通过改进钢绞线用盘条的化学成分设计，改进盘条生产工艺，以及在钢绞线生产过程中改进拉丝工艺，降低钢丝温度，提高稳定化处理温度，钢绞线表面喷丸等措施，提高超高强度钢绞线抗应力腐蚀性能，解决超高强度钢绞线应力腐蚀试验不合格问题。
3.预应力钢绞线常用的强度级别是1860mpa，常用的钢种是swrh82b，钢中c含量0.79-0.86％，si含量0.17-0.37％，mn含量0.60-0.90％，有的加入0.20-0.30％的cr。随着对钢绞线强度级别要求的提高，提出了对2300mpa-2240mpa级钢绞线的需求。超高强度钢绞线目前常用的钢种是92si等，钢中c含量0.90-0.95％，si含量0.80-1.10％，mn含量0.40-0.50％，以及0.20-0.30％的cr。钢绞线的强度提高后，其张力时的张力提高，应力腐蚀试验时断裂时间减少。因此，开发超高强度钢绞线，除了提高钢绞线的强度外，还要降低其应力腐蚀敏感性，防止钢绞线在应力腐蚀条件下后迅速断裂。
4.公告号为cn111321352a的专利文件公开了“一种强度2400mpa级预应力钢绞线及生产工艺”(cn111321352a)，该专利文件公开的技术内容存在以下问题：1、盘条的化学成分c：0.88～1.02％，si：0.10％～1.30％，mn：0.30％～0.90％，p：≤0.015％，s：≤0.010％，cr：0.10-0.50％，v：0.01％～0.10％，al：0.01-0.08％，余量为fe和不可避免的杂质。该化学成分对于v含量下限控制过低，同时没有添加b元素，对于钢绞线抗应力腐蚀性能没有专门进行成分设计；2、通过盐浴等工艺，消除风冷速不均而带来的不良组织和通条性能差异过大问题，实现盘条快速冷却和等温转变，与本专利采用水浴相比，具有成本高、产量低、污染环境等差距；3、盘条经拉拔、捻股、稳定化处理，属于常规钢绞线生产工艺，对应力腐蚀没
有特别控制方法，与本专利酸洗烘干、低温拉拔、高温稳定化、喷涂防锈液等工艺相比，没有针对超高强度钢绞线抗应力腐蚀性能的措施。
5.专利文件“钒硅复合微合金化超高强度盘条及其制备工艺”(cn103122437a)，公开技术内容存在以下问题：1、盘条的化学成分c：0.85～0.95％，si：0.95％～1.10％，mn：0.50％～0.60％，cr：0.20-0.35％，ti：0.01-0.05％，v：0.11％～0.15％，al：0.005-0.050％，余量为fe和不可避免的杂质。该化学成分含碳量偏低，只能生产2300mpa以下钢绞线；2、制备工艺依次通过加热、轧制和控冷工艺，其中控冷工序采用斯太尔摩控制冷却，与本专利采用水浴相比，风冷工艺存在冷却速度低、冷却不均匀等问题，会导致盘条组织性能低；3、盘条用于生产超高强度预应力钢绞线和镀锌钢绞线等产品，没有规定钢绞线的生产工艺控制方法，没有针对超高强度钢绞线抗应力腐蚀性能的措施。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种抗应力腐蚀超高强度钢绞线用盘条及钢绞线的制造方法，在1860mpa预应力钢绞线用盘条的基础上，有效提高优化常规合金元素设计，提高c、si元素含量，合理添加金属元素cr、v、b，并调整热轧控冷和钢绞线生产工艺，改进钢丝拉拔工艺和钢绞线稳定化生产工艺，研发可以推广使用的“抗应力腐蚀超高强度钢绞线”。
7.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
8.抗应力腐蚀超高强度钢绞线用盘条，钢中化学成分按重量百分比计为：c 0.90％～1.00％、si 0.80％～1.10％、mn 0.40％～0.50％、p≤0.020％、s≤0.020％、cr 0.20％～0.50％、v 0.05％～0.10％、b 0.0008％～0.0035％，余量为fe和不可避免的杂质。
9.本发明在成分设计和合金元素选择上是为了满足超高强度钢绞线提高抗拉强度和抗应力腐蚀开裂的要求，在1860mpa级钢绞线用盘条的基础上，提高优化常规合金元素设计，提高c、si元素含量，合理添加金属元素cr、v、b，并调整热轧控冷和钢绞线生产工艺，改进钢丝拉拔工艺和钢绞线稳定化生产工艺，研发可以推广使用的“抗应力腐蚀超高强度钢绞线”。钢种化学成分设计理由如下：
10.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0.90％，增加渗碳体比例，同时为控制连铸坯偏析、控制组织和提高盘条塑性，防止晶界网状渗碳体，碳含量不高于1.00％。
11.si在钢中以固溶形态存在，可以提高钢的淬透性，细化珠光体片层间距，具有极强的强化作用，同时si具有抑制网状渗碳体形成的作用，以更好地保证盘条强度和控制组织。另外，增加si含量会降低钢绞线稳定化处理过程中渗碳体球化的速度，减小强度损失。
12.mn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，但是mn含量过高会产生低温组织，降低盘条拉拔性能，因此将mn含量控制在0.40％～0.50％。
13.p和s是有害元素，它们能使钢的塑性和韧性下降，因此含量越少越好。
14.cr可以提高钢的淬透性，细化珠光体片层间距，提高盘条强度，提高钢绞线应力腐蚀性能。但是cr含量过高会产生低温组织，降低盘条拉拔性能，因此控制在0.20％～0.50％。
15.v细化晶粒，降低晶界元素偏析，与c、n形成亚微米v化合物在相变时析出，能有效地提高盘条强度。其次，v元素能抑制高碳钢晶界网状渗碳体析出。同时，v元素与钢中n元素
和c元素结合，降低钢丝拉拔时的应变时效，提高钢绞线抗应力腐蚀性能。因此，添加0.05％～0.10％的v元素可以提高钢绞线的强度和应力腐蚀性能，提高钢绞线的抗应力腐蚀能力。
16.b在钢中主要以固溶形态存在，可以提高钢的淬透性，细化珠光体片层间距，提高盘条强度。同时，b与钢中n元素结合，降低钢丝拉拔时的应变时效，提高钢绞线抗应力腐蚀性能。因此，添加0.0008％～0.0035％的b元素可以提高钢绞线的强度和应力腐蚀性能，提高钢绞线的抗应力腐蚀能力。
17.抗应力腐蚀超高强度钢绞线的制造方法，包括如下步骤：
18.1)盘条用钢由转炉冶炼，lf精炼，由于该钢种p、s含量较低，含碳量高，因此在冶炼时选用低s铁水，挡渣出钢，罐内顶吹ar，lf炉精炼造还原渣，保证钢水成分均匀，夹杂含量低；由于钢水流动性较差，凝固收缩率大，连铸时控制拉速不大于0.6m/min；由于含si钢导热性差，易开裂和烧不透，因此在连轧开坯前钢坯加热时总在炉时间不小于4h，温度1200-1250℃；线材厂钢坯加热温度1050-1100℃，保证v元素溶解；
19.2)盘条轧制时控制拉钢系数，保证表面质量，根据不同规格控制水冷和风冷流量，吐丝温度910
±
15℃，采用在线水浴冷却和出水缓冷工艺，取代目前常用的离线盐浴或铅浴工艺，水浴冷却速度可以达到15℃/s以上，保证盘条索氏体化率大于90％，索氏体片层间距小于120nm，水浴后采用缓冷工艺，冷却速度小于1℃/s，避免盘条产生低温组织，保证盘条拉拔过程中变形均匀，提高钢绞线应力腐蚀性能；
20.3)盘条酸洗磷化后进行200-250℃保温3-7h人工时效，排出盘条轧制后和酸洗中钢中残留和吸收的氢原子，提高抗应力腐蚀性能；钢丝拉拔采用卷筒水冷风冷，降低钢丝温度，钢丝出模口温度不超过120℃；钢丝不产生应变时效和位错塞积，防止氢原子聚集，提高抗应力腐蚀性能；
21.4)由于钢中si含量提高，降低了钢绞线稳定化处理过程中渗碳体球化的速度，减小了强度损失，因此在钢绞线稳定化处理时可以提高加热温度到430-440℃，提高钢绞线的抗应力腐蚀性能，同时还能保证钢绞线抗拉强度达到超高强度要求。此外，在钢绞线包装前，表面均匀喷涂防锈液，进一步提高钢绞线抗应力腐蚀性能。钢绞线应力腐蚀试验断裂时间最小值≥2.5h，中值≥5.5h。
22.所述连铸坯断面为280
×
380mm2方坯，长度约8m。
23.所述盘条显微组织主要为索氏体，索氏体含量大于90％，片层间距小于120nm，无网状渗碳体和马氏体等低温组织，抗拉强度1400-1450mpa，保证钢绞线抗拉强度达到2300mpa～2400mpa，断面收缩率≥25％。
24.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
25.1)本发明的成分考虑了满足2300-2400mpa抗拉强度等力学性能的要求，并考虑了抗拉强度提高后应力腐蚀敏感性升高的问题，通过化学成分优化和添加cr、v、b元素防止钢丝拉拔过程中产生应变时效，提高钢绞线抗应力腐蚀性能，同时通过添加si元素减小钢绞线稳定化加热时的强度损失，在保证强度的同时，提高稳定化加热温度来提高钢绞线抗应力腐蚀性能。通过钢丝拉拔工艺控制和喷涂防锈液进一步提高钢绞线抗应力腐蚀性能。
26.2)本发明经过各元素成分的合理优化，保证了冶炼时成分比较容易稳定控制，并调整了轧制冷却工艺以得到性能更加优异的盘条。采用这种盘条通过上述工艺加工成钢绞线进行了应力腐蚀性能测试表明：本发明的2300-2400mpa级钢绞线用盘条生产的钢绞线，
应力腐蚀性能达到标准要求，应力腐蚀试验最短时间标准要求2h，实际2.5-3.0h，中值标准要求5h以上，实际5.5-6.0h。
附图说明
27.图1是本发明盘条显微组织图(500
×
)；
28.图2是本发明钢绞线内钢丝纵向显微组织图(500
×
)。
具体实施方式
29.以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
30.以下是本发明中实施例与对比例的各化学成分对应的生产工艺。其中，表1为对比例与本发明盘条实施例的具体成分设计，表2为对比例与本发明盘条实施例热轧生产控制冷却工艺，表3为对比例与本发明盘条实施例的力学性能检验结果，表4为对比例与本发明实施例的钢绞线生产工艺，表5是对比例与本发明实施例的钢绞线力学性能，表6是对比例与本发明实施例的应力腐蚀性能试验结果。
31.表1钢种化学成分(wt％)
[0032][0033]
表2控制冷却工艺情况
[0034][0035]
表3盘条力学性能试验结果
[0036][0037]
表4钢丝生产工艺
[0038]
规格mm钢丝拉拔速度m/s稳定化加热温度℃防锈剂对比例2.0-3.0390-410未喷
实施例11.5-2.5430-440喷涂实施例21.5-2.5430-440喷涂实施例31.5-2.5430-440喷涂
[0039]
表5钢绞线性能试验结果
[0040][0041]
表6应力腐蚀试验结果
[0042][0043]
本发明针对2300mpa-2400级钢绞线的应力腐蚀开裂问题，通过改进钢绞线用盘条的化学成分设计，改进盘条生产工艺，以及在钢绞线生产过程中改进拉丝工艺，降低钢丝温度，提高稳定化处理温度，钢绞线表面喷丸等措施，提高超高强度钢绞线抗应力腐蚀性能，解决超高强度钢绞线应力腐蚀试验不合格问题。
[0044]
通过对超高强度钢绞线应力腐蚀开裂原因的分析，各元素对钢绞线应力腐蚀敏感性的影响，以及合金元素对抑制高碳钢丝应变时效和降低应力腐蚀开裂敏感性的作用，确定采用高碳高硅钢，提高si含量，通过添加cr、v、b元素，采用水浴和缓冷工艺生产盘条，采用酸洗后烘干、降低钢丝温度、提高钢绞线生产回火温度，提高稳定化处理温度，钢绞线表面喷丸等措施，在提高钢绞线强度的同时，提高超高强度钢绞线抗应力腐蚀性能，解决超高强度钢绞线应力腐蚀试验不合格问题。本发明基于解决超高强度预应力钢绞线应力腐蚀问题，应用于预应力混凝土用钢绞线和铁路、公路等行业，具备了优异的力学性能、抗应力腐蚀性能和经济性，市场前景广阔。