1870MPa桥梁钢缆用线材的开发

桥梁钢缆用钢丝以及预应力混凝土（PC）钢丝、各种钢索、钢帘线（STC）、钢丝锯用钢丝等高强度钢丝都是用高碳钢制作的钢丝。随着桥梁大型化和自由度需求，要求钢缆钢丝高强化。21世纪前一些桥梁采用了5mm/1770MPa，随着桥梁大型化、跨距增大，为减轻桥墩的负荷，缩短工期，降低建造成本，要求使用1800MPa及以上级别的桥梁用钢缆，于是成功开发出S87BM桥梁用线材，经铅浴淬火以及随后的拔丝加工，使晶粒取向发生转动，珠光体组织的片层结构沿拔丝方向排列，片层铁素体的晶粒取向集中在<110>方向，形成织构组织。片层间距微细化，钢丝的强度得到大幅度提高，抗拉强度达到1870MPa以上。

线材采用的工艺流程为：铁水预处理-转炉-精炼站吹氩-LF炉精炼-VD炉-连铸-高线轧制-斯太尔摩冷却-包装-入库。

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炼钢生产方坯为240mm×240mm，经开坯成150mm×150mm，然后经高线轧机轧成盘卷，线材成品的直径为12.5mm。主要化学成分见表1。合金加入可以在转炉出钢时加入，也可在钢包炉精炼时加入。冶炼环节控制重点为转炉出钢脱氧造渣和碳偏析。在转炉吹炼过程中完成脱硅、脱磷和脱碳等任务，采用滑板挡渣技术，采用大包加盖保持钢液温度。石灰是炼钢主要造渣料，脱P，脱S，在高碳钢的冶炼时，要求CaO含量高，SO2和S含量要低，石灰活性度要高，还要有适当的块度，保证清洁、干燥和新鲜。终点控制常用低碳低磷操作和高拉碳低氧操作，在出钢过程再进行增碳，到精炼工序最终微调成分以达到目标要求。根据成品磷的要求，决定高拉碳范围，既能保证终点钢水氧含量低，又能达到成品对磷的要求，并减少增碳量。在钢丝拔丝过程中，夹杂物的大小和形态直接决定了拉拔过程中的拉拔断丝。整个冶炼过程必须严格控制脱氧、精炼、将夹杂物进行变性，使夹杂物上浮，减少钢中的夹杂物含量。挡渣出钢与炉渣改质，控制钢包渣ω（FeO+MnO）＜3％。LF炉内渣洗精炼工艺和无铝脱氧工艺ωT[O]≤30ppm。采用夹杂物变性技术、保护浇注技术和减少中心碳偏析的工艺技术。

碳偏析的控制是关键。当钢水过热度等于零，接近液相线温度凝固，铸坯中心等轴晶区可达60%以上，可消除中心疏松和偏析，但中包钢水过热度太低，会导致钢中夹杂物上浮困难并冻结水口，因此要选择合理的中包钢水过热度，采用低过热度浇注，控制中包典型温度；拉速对铸坯中心偏析有重要影响，因此当拉速增加时，减少了钢水在结晶器内的停留时间，导致转移钢液过热量所需的时间增加，推迟了中心等轴晶的产生，有利于柱状晶发展和轴向偏析，拉速增加，液相穴深度增大，更易形成凝固桥，造成中心偏析，但拉速过低，则结晶器振动频率低，振痕处易形成裂纹和偏析，严重时影响钢水的流动性，甚至造成浇次中断，因此要选择合理的拉速与中包过热度，两者匹配；一般来说，二冷强冷，铸坯表面与凝固前沿温度梯度大，有利于柱状晶生长，中心疏松偏析较重，而冷速快时，树枝晶较细，反之，二冷弱冷，铸坯内外温度梯度小，有利于等轴晶生长，中心疏松偏析较轻，二冷喷水强度的选择要从生产率和铸坯质量两方面综合考虑；经过工艺优化，铸坯存在的中心偏析、缩孔、中心疏松等缺陷得以改善，等轴晶区增加，碳偏析得到有效减小。

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由于连铸坯含有微量合金，特别含有Ti，加热时必须严格控制加热温度和加热时间，一方面要考虑微合金元素的固溶，加热温度设定时，以微合金碳氮化物的全固溶温度为加热温度制定依据；另一方面，在加热时，要防止原始晶粒过度长大。于是，选择加热温度为1000-1050℃，加热时间控制在2-3h。确定加热温度时，如果考虑了Ti的固溶温度，可不必考虑V，因其固溶温度低。

开轧温度960℃，比一般的号钢温度要高些，原因是加入了微合金化元素，加热温度高于号钢。出炉后，高压水将钢坯氧化铁皮清除干净。一般情况吐丝温度820℃，通过调整水箱开启个数，来保证吐丝温度。轧后的控冷要考虑季节性，具体操作如下：夏季适当降低吐丝温度，斯太尔摩辊道风机全开，保温罩全开，风机开口度为100%；冬季吐丝温度比夏季高一些，斯太尔摩辊道风机前段全开，风机开口度为100%，后段从后往前，选择关闭风机，保温罩全开。

钢缆线用盘条必须具有适合钢丝加工的组织形态，需要保证拉丝前所需的珠光体组织。由于拉丝过程属于连续加工过程，必须保证盘条的通条均匀性和批次间的均匀性，使生产过程能够稳顺进行。生产出来的盘条，进行塑料套防护，在打捆线包上垫子, 减轻和消除运输过程的擦伤和划伤，盘条表面的擦伤或划伤对成品钢丝会造成较大影响。盘条其他外观质量符合标准要求。

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图1为线材和钢丝的微观组织。在珠光体组织的片层铁素体和片层渗碳体中，渗碳体作为硬相，由此来决定钢丝的强度。当线材被强力拔丝加工时，珠光体组织的铁素体也发生强化。而添加B的钢，B对表层贝氏体生成有抑制作用，而实际生产中正是利用B抑制上贝氏体的形成，阻碍渗碳体分解，减少钢丝纵裂纹发生的机率。

成分设计与生产工艺各个环节的严格控制是保证微合金化的高强度钢丝的关键。合金加入以及钢质的纯净度和连铸坯内部质量都是为保证强度和韧性；合理的加热温度及加热时间保证钢坯加热时的均匀性和合金化元素的充分固溶，同时还可降低板坯的偏析程度，为性能提供保证；在后续拉丝面缩率较小的情况下，通过合理的铅浴淬火，保证钢丝的强度，形成如图1所示的组织，拔丝过程使晶粒的取向发生转动，形成沿拔丝方向排列的片层珠光体，片层铁素体的晶粒取向集中在<110>方向上。

钢缆钢丝的再加热和铅浴淬火温度选择至关重要。研究表明，在含B的高碳钢中，主要考虑Fe23（C，B）6以单晶体的形式在原始奥氏体晶界析出，随着析出处理时间增加，上贝氏体体积分数增加，而不含B的钢随着析出处理时间增加，上贝氏体体积分数下降。在525℃时，低于此温度的B钢上贝氏体面积分数显著增加，而高于此温度时，上贝氏体面积分数变化较慢，选择525℃作为铅浴淬火温度。

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1）加热温度的设定，以Ti的固溶温度作为依据。

2）B在钢中的状态有固溶B、BN和Fe23（C，B）6，由于钢中添加Ti将N固定后，在后续的拉丝加工过程中，BN在析出温度时保温，上贝氏体被抑制，有利于提高桥梁钢缆钢丝的强度。

3）桥梁钢缆用钢丝的直径较大（5-7mm），不能产生像钢帘线等小直径钢丝那么大的加工硬化，强化主要靠铅浴淬火来提高强度，钢丝产品的屈服强度大于1760MPa，抗拉强度大于1870MPa，5mm钢丝的扭转次数大于14次，7mm钢丝的扭转次数大于12次。