一种高强度高疲劳寿命缆索用钢、盘条及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种钢种、盘条及其制备方法，尤其涉及一种缆索用钢、盘条及其制备方法。


背景技术：

2.悬索桥和斜拉索桥是目前跨越海湾、峡谷、大江、大河的大跨度桥梁设计的首选形式。随着社会和技术的发展，悬索桥和斜拉索桥跨度同样也在不断的增加，世界上已建成的悬索桥跨径接近2000米，而斜拉索桥的跨径也已超过1000米。随着这些桥梁跨径的增加，针对于桥梁缆索用关键原材料的镀锌钢丝也相应地提出了更高的性能要求研究2000mpa以上超高强度高扭转性能桥梁缆索用镀锌钢丝成为人们关注的重点。
3.盘条是生产高强度桥梁缆索用钢丝的原料，大规格盘条能够通过拉拔、镀锌、稳定化等工艺过程从而最终加工成缆索钢丝。但是，若要完成大减面率钢丝拉拔过程，盘条首先需要具备良好的可拉拔性能。近年来，随着桥梁缆索钢丝强度等级的不断提高，同时也推动了盘条强度的不断提升，其中合金强化和组织细化是提高盘条强度的两种最有效手段。
4.对于盘条的合金强化方法，世界众多先进钢铁企业已经开展了一系列的研究工作。例如日本企业开发的kkp盘条，就是在常规swrs82b基础上，通过添加少量铬，经斯太尔摩冷却后，获得性能良好的高强度索氏体化盘条。又进一步提高盘条碳含量至0.87％，同时添加少量的微合金元素，制造强度更高、离散性更小的盘条称为超级kkp盘条。当然，在欧州也有不少企业采用此方法生产高强度桥梁缆索用盘条，但该类型盘条加工钢丝强度等级仍较低。相应地，国内研究人员主要采用低硅合金成分设计，通过提高盘条中c和mn元素来提高材料强度，开发出的0.87％碳含量的钢材，虽然可以实现盘条及钢丝强度的提升，但仍只能满足1860mpa钢丝加工需求，钢丝强度等级仍较低。
5.此外，通过使高碳盘条得到高索氏体化组织，实现组织细化是提高盘条强度的另一重要手段。目前盘条高索氏体化主要通过轧后控制冷却来实现，我国目前95％的盘条生产均采用的是斯太尔摩风冷工艺，它是把终轧后的盘条通过水冷后再在风冷段中实现索氏体连续组织转变。斯太尔摩冷却工艺在生产大规格盘条时存在冷却能力不足及温度均匀性较差的问题，其会影响材料性能的进一步提升。虽然日本新日铁公司开发了在线盐浴等温处理dlp工艺较好的满足了盘条索氏体化转变要求，但其仍然存在设备投资大，维护成本高的问题。
6.另外，除了对钢丝强度提高的需求以外，对于桥梁缆索镀锌钢丝的发展而言，还需要钢丝在高强度下保持高的塑韧性以及高的扭转性能。目前，主要采用的方法是：将材料p、s含量控制在一定范围，特别是控制合金中p元素含量到0.02％以下，并防止其凝固过程中的偏析，从而降低p对钢丝扭转性能的严重破坏。添加10-500ppm的zr以形成zro2细化晶粒同时改善盘条心部成分偏析。添加9-60ppm的b来改善高碳钢盘条组织，在高温奥氏体中固溶的b元素将在晶界偏聚，冷却过程中将阻止先共析铁素体的形成，同时促进渗碳体的析出，通过优化组织改善扭转性能，但均限制在一定的强度范围内。
7.需要说明的是，由于大跨度桥梁建设周期长、投资巨大，要求桥梁具有长的使用寿命、高的安全性和可靠性。为了延长桥梁服役时间，桥梁缆索镀锌钢丝的疲劳寿命也同样需要特别关注。
8.在现有技术中，目前的高碳盘条能较好的满足1670、1770甚至是1860mpa高强度高扭转性能桥梁缆索镀锌钢丝加工需求，且部分钢丝强度甚至能够达到2000mpa，虽然钢丝的强度达标了，但钢丝的扭转性能和疲劳寿命仍然有待进一步提升。
9.基于此，为了解决上述问题，本发明期望获得一种高强度高疲劳寿命缆索用钢、盘条及其制备方法，该高强度高疲劳寿命缆索用钢在保证高强度的同时，还具有良好的塑性和疲劳寿命，其可以用于制备盘条，盘条经拉拔镀锌后的钢丝可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求。


技术实现要素：

10.本发明的目的之一在于提供一种高强度高疲劳寿命缆索用钢，该高强度高疲劳寿命缆索用钢通过合理的化学成分设计，以保证钢板的性能。该高强度高疲劳寿命缆索用钢的性能十分有益，其在保证高强度的同时，还具有良好的塑性和疲劳寿命，可以有效用于制备盘条，盘条经拉拔镀锌后的钢丝可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求，具有良好的使用前景和应用价值。
11.为了实现上述目的，本发明提出了一种高强度高疲劳寿命缆索用钢，其除了fe以外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
12.c：0.90-1.00％；
13.si：0.90-1.50％；
14.mn：0.25-0.58％；
15.cr：0.20-1.00％；
16.v：0.03-0.12％；
17.ca：0.0008-0.0025％。
18.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其各化学元素质量百分含量为：
19.c：0.90-1.00％；
20.si：0.90-1.50％；
21.mn：0.25-0.58％；
22.cr：0.20-1.00％；
23.v：0.03-0.12％；
24.ca：0.0008-0.0025％；
25.余量为fe和其他不可避免的杂质。
26.在本发明所述的技术方案中，各化学元素的设计原理具体如下所述：
27.c：在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，c元素是保证钢材高强度所必需的化学成分，钢中c元素含量决定了缆索用钢的索氏体组织中渗碳体体积分数，提高钢中c元素含量有利于形成更多渗碳体片层，细化的索氏体片层组织，从而使钢获得更好的变形性能和加工硬化性能，有利于后续加工过程中钢丝强度的提升。因此，为保证钢的质量，在
本发明的钢中，c元素含量需控制在0.90％以上。但需要注意的是，钢中c元素含量不宜过高，随着钢中c元素含量的增加，在冶炼连铸过程中会造成偏析控制难度加大，特别是形成沿晶界析出的网状渗碳体，使材料塑韧性急剧降低。基于此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，将c元素的质量百分比控制在0.90-1.00％之间。
28.si：在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，si元素在冶炼过程中常作为脱氧剂加入钢中，同时固溶于铁素体相中的si元素将显著提高钢材的强度。此外，在钢进行冷却相变过程中，si元素还将在铁素体相和渗碳体相界面富集，经过大减面率拉拔的钢丝在铅浴脱脂和热镀锌过程中，si元素在相界面的富集将减缓大变形渗碳体片层的分解，从而可以有效减小钢材的强度损失。为保证盘条高强度以及拉拔加工后的钢丝具有更高的强度，钢中si元素含量需控制高于0.9％，但若钢中si元素含量过高，则会显著降低钢的塑性，使材料脆化。基于此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，将si元素的质量百分比控制在0.90-1.50％之间。
29.当然，在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，si元素的质量百分比可以控制在1.0-1.4％之间。
30.mn：在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，mn元素在炼钢过程也常常作为脱氧剂添加入钢中。同时，mn元素易与钢中的有害元素s元素结合形成mns，从而可以降低其危害。此外，mn也是钢中常用的强化元素，其主要起到固溶强化的作用，使形成的合金渗碳体具有更高的强度，因此需控制钢中mn元素含量高于0.25％。但是，需要注意的是，钢中mn元素含量不宜过高，当钢中mn元素含量过高时，将会增大材料在加热过程中的晶粒粗化倾向，增大控冷组织控制难度，特别是在材料中c、si含量较高情况下，此外mn元素还易促进残余元素的偏聚，需控制钢中mn元素含量低于0.58％。基于此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，将mn元素的质量百分比控制在0.25-0.58％之间。
31.cr：在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，添加cr元素有利于细化钢的索氏体组织片层结构，同时提高渗碳体强度，从而有效改善材料的强度和塑性，为保证cr元素能够有效发挥其效益，钢中cr元素含量需高于0.20％。相应地，为防止出现马氏体异常组织，降低组织控制难度，需控制钢中cr元素含量低于1.00％。因此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，控制cr元素的质量百分比在0.20-1.00％之间。
32.当然，在一些优选的实施方式中，为了得到更好的实施效果，cr元素的质量百分比可以控制在0.2-0.7％之间。
33.v：在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，v元素可以进行微合金强化，通过v元素的5-50nm纳米级碳氮化物析出，可以有利于细化缆索用钢的组织，有利于钉扎位错，在提升材料强度和塑性的同时，还不会对成品钢的扭转性能造成过大影响。此外，v元素的添加还将有利于抑制晶界网状渗碳体的生成，但钢中v元素含量过高将会导致碳氮化物粗化，同时提高材料成本。基于此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，控制v元素的质量百分比在0.03-0.12％之间。
34.ca：在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，ca元素有利于提高钢中夹杂物的塑性，从而提高成品缆索用钢中夹杂物的长宽比，进一步提升钢的性能。基于此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，控制ca元素的质量百分比在0.0008-0.0025％之间。
35.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其各化学元素的质量百分比含量满足下列各项的至少其中之一：si：1.0-1.4％；cr：0.2-0.7％。
36.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其他不可避免的杂质的总含量≤0.05％，其中各杂质元素含量满足下述各项的至少其中之一：cu≤0.05％；al≤0.004％；ti≤0.003％；p≤0.015％；s≤0.010％；o≤0.0025％；n≤0.0045％。
37.在上述技术方案中，cu、al、ti、p、s、o和n元素均为钢中杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低钢中杂质元素的含量。
38.其中，钢中p、s元素含量过高将增加钢材的脆性，特别是当出现偏析时，因此在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，需要将p和s元素含量控制为p≤0.015％、s≤0.010％。
39.此外，需要说明的是，钢中al元素的含量过高会，导致夹杂物的塑性变差，从而降低钢丝性能和疲劳寿命，因此，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，将杂质元素al含量控制为al≤0.004％。
40.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，还含有下述化学元素的至少其中之一：
41.mo：0.10-0.80％；
42.b：0.0008-0.0012％；
43.re：0.0005-0.008％。
44.在本发明所述的技术方案中，为了获得更优的实施效果，得到质量和性能更优的钢材，本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中还可以添加mo、b和re元素。
45.其中，钢中添加mo、b元素有利于进一步提高材料的淬透性，改善钢材的索氏体组织，有利于在材料强度提升同时改善塑韧性和扭转性能。钢中添加re元素能够有效改善钢质纯净度，减少夹杂物数量和尺寸，从而能够降低夹杂物对钢丝疲劳寿命和扭转性能的影响。
46.此外，上述元素的加入会增加材料的成本，综合考虑到性能与成本控制，在本发明所述的技术方案中，可以优选地添加上述元素的至少其中之一。
47.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其微观组织主要为细化的索氏体组织，索氏体的相比例高于95％，微观组织中无明显晶界网状渗碳体和马氏体组织。
48.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，所述索氏体组织的片层间距均值为40-260nm。
49.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其芯部碳偏析低于1.08。
50.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，所述微观组织还具有v的碳氮析出物，其尺寸为5-50nm。
51.进一步地，在本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其夹杂物尺寸＜35um，夹杂物的长宽比＞2。
52.相应地，本发明的另一目的在于提供一种盘条，该盘条性能优异且具有良好的强塑性匹配能力，能够满足高强度钢丝拉拔、镀锌加工要求，其抗拉强度≥1430mpa，面缩率＞
30％。该盘条经拉拔镀锌稳定化处理后得到的钢丝的抗拉强度≥2000mpa，100d标距试样扭转值＞8次，在最大应力0.45σb条件下疲劳寿命＞240万次，其可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求。
53.为了实现上述目的，本发明提出了一种盘条，其采用上述的高强度高疲劳寿命缆索用钢制得。
54.进一步地，在本发明所述的盘条中，其性能满足下述各项的至少其中之一：抗拉强度≥1430mpa；面缩率＞30％；经拉拔镀锌后的钢丝强度≥2000mpa；扭转值＞8次；疲劳寿命＞240万次。
55.此外，本发明的又一目的在于提供上述盘条的制造方法，该制造方法生产简单，所获得的盘条具有优异的性能，其具有良好的强塑性匹配能力，可以满足高强度钢丝拉拔、镀锌加工的要求。
56.为了实现上述目的，本发明提出了上述的盘条的制造方法，其包括步骤：
57.(1)冶炼和铸造；
58.(2)粗轧；
59.(3)高速线材轧制；
60.(4)斯太尔摩控冷；
61.(5)等温处理：其中奥氏体加热温度为890-1050℃，保温时间为6-20min，等温处理温度为530-600℃。
62.在本发明所述的技术方案中，在步骤(1)中，可以经电炉或转炉进行冶炼，而后再进行炉外精炼。需要说明的是，在炉外精炼时，可以采用lf炉加vd或rh脱气处理工艺，在冶炼过程中调整合成渣的成分和加入量，控制钢中杂质元素含量，控制真空脱气时间＞20min。
63.此外，需要说明的是，在步骤(4)中，可以通过调整斯太尔摩线风机分量，从而控制盘条组织转变，优化盘条组织，以获得具有更优性能的盘条。另外，在步骤(5)中，对盘条的等温处理可以采用铅浴或盐浴等方式进行。
64.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，在冶炼过程中控制真空脱气时间＞20min；在铸造过程中控制坯料心部碳偏析低于1.08。
65.在上述技术方案中，在步骤(1)中，在铸造过程中，可以采用大方坯连铸机浇注方坯，并且通过调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数，可以达到控制坯料心部碳偏析低于1.08，保证坯料的质量和性能。
66.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制轧制速度为20-60m/s。
67.进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，控制精轧机组进口温度为920-990℃，减定径机组进口温度为920-990℃，吐丝温度为880-950℃。
68.本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢、盘条及其制备方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
69.本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢通过合理的化学成分设计，以保证材料的性能。该高强度高疲劳寿命缆索用钢在保证高强度的同时，还具有良好的塑性和疲劳寿命，其可以用于制备盘条，盘条经拉拔镀锌稳定化处理后的钢丝可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求，具有良好的推广前景和应用价值。
70.采用本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢制得的盘条，也具有优异的性能，其具有良好的强塑性匹配能力，能够满足高强度钢丝拉拔、镀锌加工要求，其抗拉强度≥1430mpa，面缩率＞30％。该盘条经拉拔镀锌稳定化处理后得到的钢丝的抗拉强度≥2000mpa，100d标距试样扭转值＞8次，在最大应力0.45σb条件下疲劳寿命＞240万次，其可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求。
71.相应地，本发明所述的制造方法生产简单，所获得的盘条具有优异的性能，其具有良好的强塑性匹配能力，可以满足高强度钢丝拉拔、镀锌加工要求。
具体实施方式
72.下面将结合具体的实施例对本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢、盘条及其制备方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
73.实施例1-11以及对比例1-3
74.实施例1-11的盘条均采用以下步骤制得：
75.(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼和铸造：经电炉或转炉冶炼后进行炉外精炼，炉外精炼采用lf炉加vd或rh脱气处理工艺，冶炼过程中调整合成渣成分和加入量，其中在冶炼过程中控制真空脱气时间＞20min；采用大方坯连铸机浇注方坯，在铸造过程中，通过调整连铸过程中拉速、冷却及末端轻压下参数达到控制坯料心部碳偏析低于1.08。
76.(2)粗轧：采用二火成材工艺，将连铸坯于1100-1250℃温度下初轧开坯为150-250mm方坯料。方坯料经超声波探伤、磁粉探伤、砂轮修模、补充磁粉探伤及修模后，进入加热炉加热，加热控制为960-1150℃，控制保温时间为1.5-2.5h。
77.(3)高速线材轧制：控制轧制速度为20-60m/s，控制精轧机组进口温度为920-990℃，减定径机组进口温度为920-990℃，吐丝温度为880-950℃。
78.(4)斯太尔摩控冷：轧制盘条尺寸规格为ф10-15mm，盘条轧制后通过调整斯太尔摩线风机分量控制盘条组织转变，优化盘条组织。斯太尔摩14台风机分量调整范围为：f1-f8风机风量为80-100％，f9-f12风机风量为75-100％，f13-f14风机风量为0-45％。
79.(5)等温处理：对盘条进行铅浴或盐浴等温处理，其中奥氏体加热温度为890-1050℃，保温时间为6-20min，等温处理温度为530-600℃。
80.需要注意的是，本发明所述的实施例1-11的盘条均采用以上步骤制得，且其化学成分及相关工艺参数均满足本发明设计规范控制要求。而对比例1-3的对比盘条同样采用：冶炼和铸造、粗轧、高速线材轧制、斯太尔摩控冷和等温处理的工艺制得，但其化学成分及相关工艺参数均存在未能满足本发明设计要求的参数。
81.此外，需要说明的是，实施例1-11的盘条均采用本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢制得，相应地，对比例1-3的对比盘条同样由其对应的对比钢制得。表1列出了实施例1-11的高强度高疲劳寿命缆索用钢以及对比例1-3的对比钢的各化学元素的质量百分配比。
82.表1.(wt％，余量为fe和除了cu、al、ti、p、s、o以及n以外的其他不可避免的杂质)
[0083][0084]
表2列出了实施例1-11的盘条以及对比例1-3的对比盘条在上述步骤中的具体工艺参数。
[0085]
表2.
[0086][0087]
将得到的实施例1-11的盘条以及对比例1-3的对比盘条取样进行观察分析并进行各项相关性能测试，将所得的观察结果和性能测试结果分别列于表3和表4中。
[0088]
表3列出了实施例1-11的盘条以及对比例1-3的对比盘条的观察结果。
[0089]
表3.
[0090][0091][0092]
如表3所示，需要说明的是，本发明所述的盘条均采用本发明所述的高强度高疲劳寿命缆索用钢制得。相应地，在实施例1-11中，制得实施例1-11盘条的高强度高疲劳寿命缆索用钢的微观组织主要为细化的索氏体组织，索氏体的相比例均高于95％，微观组织中无明显晶界网状渗碳体和马氏体组织。此外，在本发明实施例1-11中，索氏体组织的片层间距均在40-260nm之间，其芯部碳偏析均低于1.08。
[0093]
此外，需要说明的是，在本发明所述的实施例1-11的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，其微观组织还具有v的碳氮析出物，其尺寸在5-50nm之间。
[0094]
另外，在本发明所述的实施例1-11的高强度高疲劳寿命缆索用钢中，钢中的夹杂物尺寸＜35um，夹杂物的长宽比＞2。
[0095]
表4列出了实施例1-11的盘条以及对比例1-3的对比盘条的性能测试结果。
[0096]
表4.
[0097][0098]
需要说明的是，上述取样的实施例1-11的盘条以及对比例1-3的对比盘条在经过6-9道次的拉拔、钢丝镀锌和稳定化处理后，可以获得性能和质量更优的钢丝。对得到的实施例1-11的钢丝和对比例1-3的对比钢丝进行相关各项性能的测试，将所得的性能测试结果列于表5之中。
[0099]
表5列出了实施例1-11的钢丝和对比例1-3对比钢丝的性能测试结果。
[0100]
表5.
[0101][0102]
结合表4和表5可以看出，对比例1-3的对比盘条以及由其制得的钢丝在性能上均明显逊色于实施例1-11。在本发明中，实施例1-11的盘条均具有良好的性能，其抗拉强度均≥1430mpa，且面缩率均＞30％。
[0103]
由上述盘条经拉拔镀锌后得到的钢丝的抗拉强度均≥2000mpa，100d标距试样扭转值均＞8次，在最大应力0.45σb条件下疲劳寿命均＞240万次，其可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求。
[0104]
由此可见，本发明所述的盘条经拉拔镀锌后可用于生产2000mpa强度以上的桥梁缆索钢丝。目前斜拉索桥跨度已超过1000m，而悬索桥跨度也已接近2000m，随着桥梁跨度的增加，为了降低建设成本、节约材料，均需要采用高强度等级的镀锌钢丝缆索，提高桥梁使用寿命。本发明所述的盘条的市场前景十分广阔，其具有良好的推广应用价值，能够带来巨大的经济效益。
[0105]
此外，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
[0106]
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。