專利名稱：一種1770MPa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于焊接材料領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及橋梁纜索鍍鋅鋼絲。

背景技術(shù)：
懸索橋和拉索橋是現(xiàn)代大跨橋梁的重要的結(jié)構(gòu)形式，特別是在跨越峽谷、海灣、大江、大河等不易修筑橋墩的地方架設(shè)大跨徑的特大橋梁時(shí)，往往都選擇懸索橋和斜拉橋的橋型。
懸索橋由懸索、塔架、錨錠、吊桿、加勁梁和橋面組成，橋面荷載經(jīng)加勁梁、吊桿傳給懸索，再由懸索傳至塔架和兩端的錨錠。斜拉橋由拉索、索塔、主梁、和橋面組成，橋面荷載經(jīng)主梁傳給拉索、再由拉索傳到索塔。
懸索橋和斜拉橋的受力體系主要包括①橋面體系；②支承橋面體系的纜索系統(tǒng)；③支承纜索系統(tǒng)的橋塔；④對(duì)于懸索橋，還包括固定纜索系統(tǒng)的錨綻。
支承橋面體系的纜索系統(tǒng)中的橋梁斜拉索(懸索)鍍鋅鋼絲是整個(gè)橋梁的關(guān)鍵承重部件，必須具備高強(qiáng)度、高動(dòng)載疲勞壽命(≥200萬周次)、高韌性、高扭轉(zhuǎn)性能(≥11次)，要達(dá)到上述要求，盤條必須滿足以下幾點(diǎn)第一，盤條成分設(shè)計(jì)必須合理；第二，盤條成分要均勻；第三，夾雜物級(jí)別(含量)盡可能低；第四，嚴(yán)格控制S、P、H、O、N含量及殘余元素；第五，盤條索氏體含量要高；第六，嚴(yán)格控制盤條的脫碳層深度。
Φ7.0mm 1770Mpa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條，國外能生產(chǎn)并用于工程實(shí)例的國家只有日本，而在我國，此類盤條的生產(chǎn)尚為空白。
通過檢索國內(nèi)外專利數(shù)據(jù)庫，用于橋梁纜索鍍鋅鋼絲用材料的化學(xué)元素主要有以下幾種，如表1所示 表1主要化學(xué)元素(wt％)
在中國國內(nèi)橋梁工程競標(biāo)過程中，日本新日鐵盤條的主要主要化學(xué)元素如表2 表2日本新日鐵橋梁斜拉索(懸索)鍍鋅鋼絲用盤條主要化學(xué)元素(wt％)
本發(fā)明者對(duì)日本新日鐵高碳高硅盤條的化學(xué)成份、尤其是對(duì)合金元素在鋼中的作用進(jìn)行了分析。由于硅是非碳化物形成元素，主要溶于鐵素體而形成合金鐵素體而達(dá)到強(qiáng)化目的，但硅的石墨化傾向較大，促進(jìn)滲碳體形成石墨碳而使鋼的韌塑性和疲勞強(qiáng)度下降，因此作為強(qiáng)化高碳鋼的添加元素極少應(yīng)用。合金化概論普遍認(rèn)為，當(dāng)Si的含量超過0.6％時(shí)，其沖擊韌性就有下降趨勢。因而含硅鋼多數(shù)用于低碳低合金結(jié)構(gòu)鋼和合金彈簧鋼。就合金彈簧鋼而言，美、英、法、德、日和ISO，其最高含碳量為0.55～0.65％，相當(dāng)于中國60Si2MnA、日本JIS G4801《Spring steel》SUP7。同時(shí)，硅含量高，對(duì)高線控軋控冷工藝控制難度高，容易造成盤條內(nèi)部存在馬氏體等有害組織。作為橋梁纜索鍍鋅鋼絲的鋼種選用，應(yīng)以成熟的納標(biāo)鋼種較為穩(wěn)妥，對(duì)于含硅1.2％已超過“微合金化”添加的范疇。
為了能在確保鍍鋅鋼絲抗拉強(qiáng)度的前提下，確保鍍鋅鋼絲的高動(dòng)載疲勞壽命(≥200萬周次)、高韌性、高扭轉(zhuǎn)性能(≥11次)，且降低成本，本發(fā)明者采用微合金化技術(shù)，通過對(duì)各合金元素在鋼中的作用分析，并改進(jìn)了制造工藝，從而完成了本發(fā)明。
因此，本發(fā)明的第一個(gè)目的在于提供一種1770MPa級(jí)橋梁纜索鍍鋅鋼絲用盤條。
本發(fā)明的第二個(gè)目的在于提供這種1770MPa級(jí)橋梁纜索鍍鋅鋼絲用盤條的制造方法。


發(fā)明內(nèi)容
一種1770MPa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條，其特征在于，包括以下化學(xué)元素(wt％)C0.85-0.9，Si0.12-0.32，Mn0.6-0.9，P≤0.025，S≤0.025，Cr0.1-0.25，V≤0.06，Cu≤0.1，其余為不可避免的雜質(zhì)元素。
各合金元素含量及其作用鋼中的化學(xué)元素是確保材料力學(xué)性能的基本保證。本發(fā)明通過添加微量合金元素Cr、V來提高盤條的原始強(qiáng)度。
鉻是強(qiáng)碳化物形成元素，它基本上是置換滲碳體內(nèi)的鐵原子而形成合金滲碳體(Fe.Cr)3C。增強(qiáng)了Fe和C的親和力，從而提高奧氏體的穩(wěn)定性，阻止熱軋時(shí)晶粒長大，提高索氏體化形成能力。
釩也是強(qiáng)碳化物形成元素，與鉻具有相近的特性，釩的添加含量甚微，一般都在0.01~0.08％范圍內(nèi)。但其與氮的親和力大于鋁。因而煉鋼時(shí)N與Al含量必須嚴(yán)格控制，控制不當(dāng)會(huì)減少阻止晶粒長大的氮化鋁，形成實(shí)際粗晶粒，尤其共析鋼左右的含碳量，使其韌性下降。
鋼中碳元素的均勻性對(duì)高碳鋼而言，碳在鋼中的均勻性，對(duì)材料力學(xué)性能、金相組織的均勻性至關(guān)重要，因此對(duì)鋼坯中心碳和中心碳偏析(鋼坯中心碳/鋼水熔煉碳)作如下控制鋼坯中心碳≤0.94％；鋼坯中心碳偏析(鋼坯中心碳/鋼水熔煉碳)≤1.05。
夾雜物(含量)控制夾雜物是影響鋼材疲勞壽命的主要因素之一，為此，對(duì)鋼中夾雜物的控制要求如下按GB/T10561標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)A≤2.0級(jí)、B≤1.5級(jí)、C≤1.5級(jí)、D≤1.5級(jí)；按JISG0555標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)夾雜物含量總和≤0.1％。
控制S、P、H、O、N含量及殘余元素對(duì)鋼水的S、P、H、O、N含量及殘余元素控制如下S≤0.002％、P≤0.012％、H≤2PPm、O≤20PPm、N≤40PPm、Cu≤0.05％。
盤條金相組織盤條索氏體含量≥90％，不應(yīng)有網(wǎng)狀滲碳體和淬火組織(馬氏體和屈氏體區(qū)域)。
盤條脫碳層深度盤條應(yīng)進(jìn)行脫碳層深度檢驗(yàn)，盤條一邊總脫碳層(鐵素體+過渡層)的深度不得大于0.07mm。
本發(fā)明提供1770MPa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條的制造方法，包括冶煉及澆鑄、初軋、高線軋制，其特征在于，冶煉步驟中的爐外精煉步驟采用鋼包精煉爐法和真空循環(huán)脫氣法相結(jié)合，其中真空循環(huán)脫氣法中真空度＜2τ、保持18分鐘以上、純脫氣時(shí)間大于8分鐘、終溫度為1510±10℃；澆鑄步驟中本體注速≥10分鐘、補(bǔ)注時(shí)間≥3分鐘；高線軋制步驟中斯太爾摩線控制冷卻采用快速冷卻方式。
本發(fā)明所提供的制造方法中，一種優(yōu)選的實(shí)施方式為澆鑄步驟中注余殘鋼量≥5噸。
本發(fā)明所提供的制造方法中，一種優(yōu)選的實(shí)施方式為鋼包精煉爐法中純吹A(chǔ)r渣洗時(shí)采用底吹A(chǔ)r方式，純?cè)磿r(shí)間為≥10分鐘，F(xiàn)〔O〕控制在≤5ppm。
本發(fā)明所提供的制造方法中，一種優(yōu)選的實(shí)施方式為高線軋制步驟中精軋機(jī)組進(jìn)口溫度為960±25℃、減定徑機(jī)組進(jìn)口溫度為930±25℃、吐絲溫度為930±20℃。
本發(fā)明所提供的制造方法中，一種優(yōu)選的實(shí)施方式為斯太爾摩線控制冷卻中斯太爾摩輥式運(yùn)輸線采用輥?zhàn)又睆綖棣?4-Φ11mm、每段輥道速度控制為0.79-1.39m/s、每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制為0-100％。
本發(fā)明所提供的制造方法中，一種優(yōu)選的實(shí)施方式為冶煉步驟中轉(zhuǎn)爐冶煉過程中留鋼操作后渣厚＜80mm，爐后配碳目標(biāo)為0.65-0.85％。
本發(fā)明所提供的制造方法中，一種優(yōu)選的實(shí)施方式為初軋步驟中待軋時(shí)間控制在2小時(shí)內(nèi)、大剪切頭率≥15％、單錠大剪收得率≤82.5％。
綜上所述，制造工藝可以采用如下流程脫硫鐵水、轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、鋼錠澆注、初軋均熱、開坯、大剪切頭尾、6VH連軋軋制1422、飛剪定尺剪切、鋼坯表面機(jī)械清理、高線加熱爐加熱、高線控制軋制、高線斯太爾摩線控制冷卻、盤條表面檢查、取樣檢驗(yàn)、盤條打捆、掛標(biāo)牌、入庫、出廠。
其中，各主要步驟的工藝要求如下 1.冶煉及澆鑄步驟中的要點(diǎn)如下 1)使用廠內(nèi)返回廢鋼，控制Cu、Ni、Mo等混雜元素管理； 2)入爐鐵水控制扒渣等級(jí)； 3)鐵水量應(yīng)保證注余殘鋼量≥4噸；轉(zhuǎn)爐溫度按低[N]冶煉基準(zhǔn)操作，吹止[P]≤0.009％； 4)在轉(zhuǎn)爐冶煉過程中為滿足對(duì)[N]、[P]的要求，應(yīng)做到以下幾點(diǎn)吹煉過程中保證微正壓操作；出鋼進(jìn)行留鋼操作，渣厚＜80mm；爐后配碳全部使用低氮碳粉； 轉(zhuǎn)爐出鋼僅加脫氧鋁。
6)爐后配碳目標(biāo)0.65～0.85％； 7)爐外精煉鋼包精煉爐法(LF)爐處理要求分批加入石灰、脫硫渣、發(fā)泡劑等渣樣，確保爐渣流動(dòng)性良好；在LF操作過程中應(yīng)造好泡沫渣埋弧，防止增氮；采用Al渣及鈣質(zhì)脫氧化劑強(qiáng)化脫氧，按接近目標(biāo)上限調(diào)整AL的成份；在成份配好、溫度調(diào)整好進(jìn)行純吹A(chǔ)r渣冼時(shí)，適當(dāng)控制吹A(chǔ)r壓力及吹A(chǔ)r流量，以弱攪拌為準(zhǔn)，禁止鋼水翻動(dòng)至裸露，確保爐渣脫氧效果；采用底吹A(chǔ)r，純?cè)磿r(shí)間保持10分鐘左右；Si、Mn、Cr等可調(diào)整到目標(biāo)范圍內(nèi)，配碳應(yīng)考慮電極增碳，為保險(xiǎn)起見，LF爐可預(yù)留幾個(gè)碳由RH調(diào)整；在LF開始及結(jié)束測定自由F〔O〕，使LF終F〔O〕控制在≤5ppm； 8)爐外精煉真空循環(huán)脫氣法(RH)處理要求RH處理模式為本處理，真空度＜2τ，保持18分鐘以上；控制C-CR加入量＜500Kg，力爭在RH處理前期加入，最后一批C-CR加入量＜300Kg；純脫氣時(shí)間大于8分鐘；進(jìn)行RH終F[O]測定；RH終溫度控制為1510℃±10℃； 9)澆注及整脫模錠模清掃干凈，禁止用新、銹及冷模；澆注采用Φ50mm水口，控制本體注速≥10分鐘，補(bǔ)注時(shí)間≥3分鐘；注余殘鋼量≥5噸；鋼錠嚴(yán)禁放冷；整脫模應(yīng)準(zhǔn)備好Ar封磚，澆鋼時(shí)采用吹A(chǔ)r保護(hù)，并控制好Ar流量，以防止卷渣，以錠模內(nèi)鋼水不裸露為準(zhǔn)。
2.初軋步驟的要點(diǎn)如下1)均熱爐加熱；2)待軋時(shí)間控制在2小時(shí)內(nèi)；3)確保在線熱火焰清理投入，進(jìn)行四面清理；4)確保大剪切頭率≥15％，單錠大剪收得率≤82.5％；5)鋼坯進(jìn)行表面機(jī)械清理。
3.高線軋制步驟的要點(diǎn)如下1)鋼坯加熱爐出爐溫度1080±25℃；2)在線溫度控制精軋機(jī)組進(jìn)口溫度960±25℃，減定徑機(jī)組進(jìn)口溫度930±25℃，吐絲溫度930±20℃；3)斯太爾摩線控制冷卻采用快冷方式，其中保溫罩全部打開，輥道速度控制和風(fēng)機(jī)風(fēng)量分別控制如下(表3、4) 表3輥道速度控制(米/秒)
表4風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制(％)
有益效果 通過對(duì)材料優(yōu)化設(shè)計(jì)及制造工藝設(shè)計(jì)，本發(fā)明所提供的鋼絲盤條，其力學(xué)性能如下抗拉強(qiáng)度Rm1300～1400MPa；斷后伸長率A≥8％；斷面收縮率Z≥30％(經(jīng)過時(shí)效后的斷面收縮率≥35％)。用其生產(chǎn)的鍍鋅鋼絲完全滿足1770Mpa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲的高動(dòng)載疲勞試驗(yàn)(≥200萬周次)、高韌性、高扭轉(zhuǎn)(≥11次)等技術(shù)要求(表5)。
表5某一在建的世界第一斜拉索大橋用Φ7.0mm 1770MPa級(jí)鍍鋅鋼絲主要技術(shù)指標(biāo)

具體實(shí)施例方式 下面用實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步闡述，但這些實(shí)施例絕非對(duì)本發(fā)明有任何限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員在本說明書的啟示下對(duì)本發(fā)明實(shí)施中所作的任何變動(dòng)都將落在權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
實(shí)施例1 根據(jù)表6所示化學(xué)元素的含量進(jìn)行脫硫鐵水、轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、鋼錠澆注，隨后進(jìn)行初軋均熱、開坯、大剪切頭尾、6VH連軋軋制1422、飛剪定尺剪切、鋼坯表面機(jī)械清理、高線加熱爐加熱、高線控制軋制、高線斯太爾摩線控制冷卻、盤條表面檢查、取樣檢驗(yàn)、盤條打捆、掛標(biāo)牌、入庫、出廠。隨后進(jìn)行元素含量測定(見表8)、鋼坯中心碳和中心碳偏析測定(見表9)、夾雜物控制測定(見表10)、索氏體含量與脫碳層深度控制測定(見表11)。
表6高碳鋼(0.87％)所含化學(xué)元素(wt％)
比較例1 根據(jù)表7所示的化學(xué)元素比例，按實(shí)施例1所述的工藝流程進(jìn)行生產(chǎn)。元素含量測定見表8、鋼坯中心碳和中心碳偏析測定見表9、夾雜物控制測定見表10、索氏體含量與脫碳層深度控制測定見表11。
表7化學(xué)元素(wt％)
測試結(jié)果 表8化學(xué)元素含量的測定(wt％)
表9鋼坯中心碳和中心碳偏析
表10夾雜物控制
表11索氏體含量與脫碳層深度控制
工業(yè)實(shí)用性 用本發(fā)明材料通過某金屬制品有限公司試制成的Φ7.0mm 1770MPa級(jí)鍍鋅鋼絲，并委托某纜索有限公司編成Φ7.0mm×37試驗(yàn)索股，通過了江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)站200萬周次的動(dòng)載疲勞及靜載試驗(yàn)。Φ7.0mm×223試驗(yàn)索股也通過了靜載試驗(yàn)。證明用本發(fā)明材料研制的高強(qiáng)度鋼絲完全滿足斜拉索的技術(shù)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，為本發(fā)明材料應(yīng)用于大橋工程創(chuàng)造了條件。
用本發(fā)明材料通過某一金屬制品有限公司制成的Φ7.0mm 1770MPa級(jí)鍍鋅鋼絲，已成功應(yīng)用于我國在建的排名世界第一(鍍鋅鋼絲強(qiáng)度級(jí)別最高、跨度最大)的某一斜拉索大橋，填補(bǔ)了中國國內(nèi)生產(chǎn)空白。
權(quán)利要求
1.一種1770MPa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條，其特征在于，包括以下化學(xué)元素(wt％)C0.85-0.9，Si0.12-0.32，Mn0.6-0.9，P≤0.025，S≤0.025，Cr0.1-0.25，V≤0.06，Cu≤0.1，其余為不可避免的雜質(zhì)元素。
2.權(quán)利要求1所述1770MPa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條的制造方法，包括冶煉及澆鑄、初軋、高線軋制，其特征在于，冶煉步驟中的爐外精煉步驟采用鋼包精煉爐法和真空循環(huán)脫氣法相結(jié)合，其中真空循環(huán)脫氣法中真空度＜2τ、保持18分鐘以上、純脫氣時(shí)間大于8分鐘、終溫度為1510±10℃；澆鑄步驟中本體注速≥10分鐘、補(bǔ)注時(shí)間≥3分鐘；高線軋制步驟中斯太爾摩線控制冷卻采用快速冷卻方式。
3.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述澆鑄步驟中注余殘鋼量≥5噸。
4.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述鋼包精煉爐法中純吹A(chǔ)r渣洗時(shí)采用底吹A(chǔ)r方式，純?cè)磿r(shí)間為≥10分鐘，F(xiàn)〔O〕控制在≤5ppm。
5.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述高線軋制步驟中精軋機(jī)組進(jìn)口溫度為960±25℃、減定徑機(jī)組進(jìn)口溫度為930±25℃、吐絲溫度為930±20℃。
6.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述斯太爾摩線控制冷卻中斯太爾摩輥式運(yùn)輸線采用輥?zhàn)又睆綖棣?4-Φ11mm、每段輥道速度控制為0.79-1.39m/s、每臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制為0-100％。
7.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述冶煉步驟中轉(zhuǎn)爐冶煉過程中留鋼操作后渣厚＜80mm，爐后配碳目標(biāo)為0.65-0.85％。
8.如權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述初軋步驟中待軋時(shí)間控制在2小時(shí)內(nèi)、大剪切頭率≥15％、單錠大剪收得率≤82.5％。
全文摘要
本發(fā)明提供一種1770MPa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲用盤條，包括以下化學(xué)元素(wt％)C0.85-0.9，Si0.12-0.32，Mn0.6-0.9，P≤0.025，S≤0.025，Cr0.1-0.25，V≤0.06，Cu≤0.1，其余為不可避免的雜質(zhì)元素。本發(fā)明還提供這種盤條的制造方法。本發(fā)明提供的這種盤條抗拉強(qiáng)度Rm1300～1400MPa；斷后伸長率A≥8％；斷面收縮率Z≥30％(經(jīng)過時(shí)效后的斷面收縮率≥35％)，用其生產(chǎn)的鍍鋅鋼絲完全滿足1770Mpa級(jí)橋梁斜拉索鍍鋅鋼絲的高動(dòng)載疲勞試驗(yàn)(≥200萬周次)、高韌性、高扭轉(zhuǎn)(≥11次)等技術(shù)要求。
文檔編號(hào)C22C33/00GK101311288SQ20071009382
公開日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月24日
發(fā)明者周金芳 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司