超高强度钢绞线用盘条现状及发展_耿思远.pdf

2023.3,3（2）|专题:桥梁用高性能钢材超高强度钢绞线用盘条现状及发展耿思远1，石龙2，张剑锋1，牛斌2，孙中伟1（1.江阴兴澄特种钢铁有限公司线材研究所，江苏 江阴 214429；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）摘要：随着钢铁冶金技术与拉拔工艺技术的进步，钢绞线向着超高强度级别发展，具有广阔的市场前景。讨论了钢绞线用盘条的大小方坯制造流程、冷却方式，讨论了微合金元素的作用，网状碳化物、马氏体组织的形成条件与控制措施，以及超高强度钢绞线及盘条的发展方向。在线水浴韧化处理技术凭借着绿色环保、生产效率高等优点，有着广阔的应用前景。兴澄特钢利用在线水浴韧化处理技术已成功开发 2300 MPa级超高强度钢绞线用盘条。关键词：钢绞线；超高强度；环保；在线水浴韧化处理技术The art and future trends of wire rod for ultra high strength steel strandGENG Siyuan1,SHI Long2,ZHANG Jianfeng1,NIU Bin2,SUN Zhongwei1（1.Institute of Wire，Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co.Ltd.，Jiangyin 214429，China；2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China）Abstract：With the improvement of metallurgy and drawing technologies，steel strand is developing towards ultra high strength level，which has a broad market prospect.This paper discusses the manufacturing process of concasting bloom and billet and cooling methods of wire rod used for steel strand.Then，this paper debates the effect of microalloying elements，the formation conditions and control measures of net carbide and martensiteon，and expounds the development direction of ultra high strength steel strand and wire rod.With the advantages of environmental protection and high production efficiency，Xingcheng Direct Water Patenting（XDWP）has a broad application prospect.Xingcheng Special Steel has successfully developed ultra high strength wire rod for 2300 MPa steel strand by using Xingcheng Direct Water Patenting.Key words：steel strand；ultra high strength；environmental protection；direct water patenting引 言近年来，随着钢水纯净化、微合金强化、控轧控冷等先进技术在钢铁企业的逐步应用，具有高强度与良好塑性的高碳珠光体钢迅速发展。高碳钢经过拉丝以及后续捻股、切削、热处理等工艺后作为结构件在中图分类号:TG142.31；TG156 文献标志码:A 文章编号：2097-017X（2023）02-0027-05收稿日期：2023-02-15基金项目：中国铁道科学研究院研究项目（2020YJ035）。作者简介：耿思远（1992），男，硕士，工程师。研究方向：高碳钢线材产品研发。27各行业被广泛应用，如钢绞线、桥梁缆索、切割钢丝、钢帘线等，在工业生产中占据着非常重要的地位。钢绞线是由多根高强度钢丝呈螺旋形绞合而成的钢铁制品，目前最常用的是镀锌钢绞线和预应力钢绞线。镀锌钢绞线常用于承力索、架空输电的地线、公路两边的阻拦索、建筑结构中的结构索1。预应力钢绞线广泛应用于基础建设，如混凝土采用高强度预应力钢绞线，可以改善混凝土使用阶段的性能，延缓裂缝出现，降低使用载荷下的挠度，提高受剪承载力，减轻结构自重2。通 常 认 为 抗 拉 强 度 在 14701860 MPa 为 高强 度 级 别，抗 拉 强 度 在 1860 MPa 以 上 为 超 高 强度 级 别。目 前，1860 MPa 级 钢 绞 线 已 实 现 商 品化 批 量 生 产3。为 满 足 预 应 力 钢 绞 线 的 发 展 需求，未来能够给用户使用提供性能依据，最新国际 标 准 ISO6934-4：2020 预 应 力 混 凝 土 用 钢 第 4部分：钢绞线 新增加了 2160，2230，2360 MPa 强度级别。超高强度级别钢绞线是未来的发展方向，是 后 续 生 产 研 发 的 重 点。强 度 提 高 对 工 程的意义不言而喻，材料用量得以减少，建设周期得 到 收 缩，建 设 费 用 大 幅 节 约，符 合 绿 色、低 耗发展方向。高强度钢绞线用盘条有着广阔的市场前景。以铁路为例，根据国家铁路局 2021年铁道统计公报，截止 2021 年底，全国铁路运营里程达到 15 万公里。新时代交通强国铁路先行规划纲要 明确，到 2035年，全国铁路运营里程达到 20万公里左右。铁路建设将消耗大量预应力钢绞线，曹德付等4通过模型预测，20232026 年铁路建设预应力钢绞线年需求量为 152.4166.6万吨。高速铁路桥梁比例较高，且多以混凝土桥为主，近期国家铁路集团计划开展预应力混凝土用超高强度级别钢绞线的研发与应用，对超高强度钢绞线用盘条的需求量也将不断增加。1超高强度钢绞线用盘条的制造1.1生产工艺流程1.1.1大小方坯制造流程钢水的凝固成型方法有两种，传统的模铸与把钢水直接浇铸成钢坯的连铸，连铸技术对钢铁冶金的质量与生产效率提升明显。连铸比，也就是连铸合格坯产量占钢总产量的百分比，是炼钢生产工艺水平的重要标志之一，代表着国家钢铁冶金技术的水平。生产钢绞线用盘条的工艺路线有两种5：一种是 以 日 本、英 国、韩 国 为 代 表 的 国 家 采 用 大 于300 mm 断面的大方坯，工艺流程如图 1 所示；一种是以德国、美国为代表的国家采用 130140 mm 断面的小方坯，工艺流程如图 2所示。大方坯为二火成材，中间增加了一次加热炉加热的过程，同时大方坯在轧制过程中具有较大的断面收缩率与压缩比，有助于改善连铸坯的成分偏析。但是大方坯工艺工序多、成本高，为了简化生产工序、降低成本，一火成材的小方坯工艺逐步发展起来。由于断面小、压缩比不足等原因，小方坯工艺更容易造成铸坯成分中心偏析，导致盘条中产生网状碳化物，破坏了材料的均匀性，影响客户使用。随着连铸工艺的不断进步，中间包感应加热、结晶器电磁搅拌、凝固末端电磁搅拌、轻压下等技术的快速发展，小方坯工艺逐步成熟，偏析情况得以改善。因此，钢厂可以根据客户的需求情况，合理选择大方坯连铸工艺与小方坯连铸工艺。1.1.2盘条冷却方式高速线材控制冷却的方法有很多种，其中应用最为广泛的是在线斯太尔摩风冷（Direct Patenting，DP）。斯太尔摩风冷通过风机吹风将轧制后的线材经不同的冷却速度冷至室温，该工艺成熟，成本较低。但斯太尔摩风冷改善微观组织的能力有限，采用该工艺的钢绞线钢丝强度级别局限于 1860 MPa。同时由于冷却不均匀，盘条的搭接点和中间点位置均匀性不好，表面和心部位置均匀性不好。为了得到更高的强度，提出了离线铅浴（Lead Patenting，LP）的方法。盘条放线成直条，经再次加热到奥氏体化温度以上，在熔融铅中等温冷却。离线铅浴可以获得良好均匀的索氏体组织，但是铅浴生产效率偏低，生产成本较高，对环境污染严重。为了改善铅对环境及人体造成的巨大影响，部分企业采用熔融盐替代熔融铅，同样可以获得良好的索氏体组织，均匀性较好。比较有代表性的有日本新日铁的在线盐浴技术（Direct Line Patenting，DLP）与 青 岛 特 钢 的 盐 浴 技 术（Qingdao Wire Toughness Patenting，QWTP）。图 1采用大方坯生产钢绞线用盘条的工艺路线图 2采用小方坯生产钢绞线用盘条的工艺路线 28超高强度钢绞线用盘条现状及发展 耿思远 等为了保持熔融盐温度的稳定性，需要有加热设备与冷却设备做辅助，要求较高。同时熔融盐具有腐蚀性，会引起水污染并造成回收处理负担。兴澄特钢研发了在线水浴韧化处理技术（Xingcheng Direct Water Patenting，XDWP），采用水和环保材料RX溶剂替代熔融盐与熔融铅，更加绿色环保、高效，较好满足大型工程大批量的需求。1.2高强化措施1.2.1成分设计与均匀性控制盘条成分设计方面，通常有两种方案6：一种是高碳高硅成分体系，添加微量的铬合金元素；一种是高碳成分体系，添加铌、钒、钛、硼等多种微合金元素。微合金化主要控制微合金元素在钢中的存在形态，通过相变过程控制，让析出行为朝设定的方向发展，利用不同元素的特性加以组合，得到不同性能、不同级别的钢材。提高盘条抗拉强度最为有效的方法就是在现有材料的基础上提高碳含量。理论上钢中 C的质量分数提高 0.01%，抗拉强度平均提高 8 MPa。碳元素既可以起到间隙固溶强化作用，又能与碳化物形成元素结合并析出，起到析出强化作用。但是碳含量的增加会使材料成分更加偏离共析点，后续索氏体化组织控制更加困难。Si是强化铁素体元素，固溶强化能力极高，能明显提高钢的冷加工硬化指数。碳钢中 Si 的质量分数提高 0.1%，抗拉强度约提高 7.88.8 MPa7。Si在铁素体与渗碳体界面的富集有利于阻止后续钢丝在镀锌过程中的渗碳体片层球化，减少热处理过程的强度损失。同时，研究表明提高 Si元素含量能从动力学上抑制网状碳化物生成8。通常 Si含量控制在 0.15%1.5%之间。Mn是强化铁素体元素，可以提高淬透性。碳钢中 Mn的质量分数提高 0.1%，抗拉强度约提高 7.812.7 MPa7。Mn元素的增加使得晶粒更易长大，脱碳倾向更为明显7。Mn元素容易在钢中产生偏析，需重点控制避免冷却形成低温马氏体组织。通常Mn含量控制在 1%以下。Cr 是强碳化物形成元素，可以提高淬透性，细化珠光体片层间距，有利于提高材料在拉丝过程中的加工硬化率7。但 Cr的添加将增大高碳盘条中马氏体形成的可能性，通常 Cr含量控制在 0.5%以下。Nb，V，Ti与碳原子结合能力较强这一特性，决定了这些元素对钢强化作用显著9。Nb，V，Ti元素在低温奥氏体内可实现化合物析出，析出物可以阻碍奥氏体晶界的移动，有利于细化晶粒。从动力学来看，高碳钢添加少量V能抑制网状碳化物生成，同时添加V会改变晶界碳化物形态呈非连续状分散分布10。为达到钢绞线超高强度化，盘条在成分设计时提高了碳及合金含量，并加入了微合金化元素，所带来的后果就是连铸坯在中心位置更容易发生偏析，很难在后序的轧制过程中消除，导致轧制后的盘条中出现网状碳化物、马氏体等异常组织，影响客户拉拔加工，因此控制偏析是提升钢绞线质量的重要方面。关于连铸坯的中心偏析控制，不管是模拟计算还是试验论证，已有深入的研究。通常情况，改善连铸坯中心偏析的方法主要有：（1）缩小