一种高强高疲劳桥梁缆索用钢、盘条及制造方法与流程

本发明涉及一种钢材、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：

1、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材料也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。采用高强度镀锌钢丝将有利于该类桥梁建设过程中节约材料用量，同时降低生产成本。

2、需要说明的是，盘条是生产高强度桥梁缆索用钢丝的原料，大规格盘条通过拉拔、镀锌、稳定化等工艺过程能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。桥梁缆索钢丝强度等级的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。

3、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。此外，又进一步地提高了盘条的碳含量至0.87％，同时添加少量的微合金元素，以制造强度更高、离散性更小的盘条称为超级kkp盘条。当然，在欧洲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。

4、而在现有技术中，国内的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，从而开发出碳含量为0.87％的钢材。这种技术方案虽然可以提升盘条及其钢丝的强度，但仍然只能满足1860mpa钢丝加工需求。例如：公开号为cn112501506a，公开日为2021年3月16日，名称为“一种桥梁缆索用钢盘条及其制造方法”的中国专利文献，公开了一种桥梁缆索用钢盘条，其化学成分为c：0.85～0.91％，si：0.20～0.50％，mn：0.60～0.90％，cr≤0.20％，该合金盘条可满足制造φ7mm规格、1860mpa强度级别桥梁缆索钢丝的技术要求。

5、在当前建设大跨度桥梁工程中，大跨度桥梁的建设周期长、投资巨大，其要求桥梁具有较长的使用寿命，以及较高的安全性和可靠性。然而，实际上，桥梁缆索疲劳性能受多种因素的影响，随着钢丝强度的提升其疲劳寿命对组织、夹杂物、缺陷敏感性将大大提高，由此通过合金成分、组织优化设计及内在质量控制将有利于提升高强度缆索钢丝疲劳寿命。因此需特别关注这些高强度缆索钢的合金成分及组织。

6、目前的高碳盘条能较好的满足1670、1770甚至是2000mpa高强度高扭转性能桥梁缆索镀锌钢丝加工需求，部分钢丝强度甚至达到2100mpa，但这些现有的桥梁缆索镀锌钢丝的扭转性能、疲劳寿命仍然有待进一步提升。

7、例如：公开号为cn110066963a，公开日为2019年7月30日，名称为“一种2000mpa级桥梁缆索镀锌钢丝及其制造方法”的中国专利文献，公开了一种2000mpa级桥梁缆索镀锌钢丝，其化学成分按照重量百分比计包括：c：0.88～0.94％、si：1.05～1.35％、mn：0.40～0.50％、cr：0.25-～0.35％、cu≤0.07％。该技术方案通过提高c、si元素含量以提高强度，其可加工钢丝的抗拉强度大于2000mpa，断后伸长率不小于5％。

8、又例如：公开号为cn107587071a，公开日为2018年1月16日，名称为“一种抗拉强度≥2100mpa桥梁缆索用钢及生产方法”的中国专利文献，公开了一种抗拉强度≥2100mpa桥梁缆索用钢，其中c：0.92～0.94％、si：0.7～0.9％、mn：0.45～0.55％、p≤0.01％、s≤0.01％、cr：0.07～0.09％、nb：0.04～0.08％、al：0.16～0.20％、n：0.004～0.008％、b：0.001～0.0015％、zr：0.002～0.005％，合金中al含量高于0.16％。在该技术方案中，其同时添加了zr、nb元素，生产控制难度加大，同时成本较高。

9、由此可见，上述现有专利技术方案已经慢慢无法满足当前的市场需求。随着社会和技术的发展，悬索桥和斜拉索桥跨度不断增加，市场对于桥梁缆索用关键原材料的镀锌钢丝也提出了更高的性能要求，研究超高强度桥梁缆索用镀锌钢丝已成为人们关注的重点。

10、基于此，为了解决上述问题，本发明期望获得一种可以满足2100mpa以上高强度高扭转性能桥梁缆索镀锌钢丝加工需求的高强高疲劳桥梁缆索用钢，该高强高疲劳桥梁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。

技术实现思路

1、本发明的目的之一在于提供一种高强高疲劳桥梁缆索用钢，该高强高疲劳桥梁缆索用钢通过合理的化学成分设计，以保证钢板的性能。该高强高疲劳桥梁缆索用钢在保证高强度的同时，还具有良好的塑性，其具有优异的强塑性匹配和疲劳寿命，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，具有良好的使用前景和价值。

2、为了实现上述目的，本发明提出了一种高强高疲劳桥梁缆索用钢，其含有fe和不可避免的杂质，其还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：

3、c：0.95-1.10％；

4、si：0.95-1.50％；

5、mn：0.20-0.60％；

6、cr：0.35-0.90％；

7、al≤0.004％；

8、ti：0.008-0.03％；

9、nb：0.01-0.05％；

10、ca：0.0010-0.0040％；

11、n：0.002-0.006％。

12、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，其各化学元素质量百分含量为：

13、c：0.95-1.10％；

14、si：0.95-1.50％；

15、mn：0.20-0.60％；

16、cr：0.35-0.90％；

17、al≤0.004％；

18、ti：0.008-0.03％；

19、nb：0.01-0.05％；

20、ca：0.0010-0.0040％；

21、n：0.002-0.006％；

22、余量为fe和其他不可避免的杂质。

23、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：

24、c：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，c元素是保证钢材高强度所必需的化学成分，钢中c元素含量决定了高碳盘条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具有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。同时，为保证ti、nb复合析出充分发挥作用，在本发明的钢中，c元素含量需控制在0.95％以上。但需要注意的是，随着材料中c含量的增加，其同时也会造成冶炼连铸过程中偏析控制难度加大，特别是形成沿晶界析出的网状渗碳体将使材料塑韧性急剧降低，因此需控制c元素含量上限为1.10％。由此，为了发挥c元素的有益效果，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，将c元素的质量百分比控制在0.95-1.10％之间。

25、si：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，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，在钢材进行冷却相变的过程中，si元素还将在铁素体相和渗碳体相界面富集，在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丝强度的损失。由此，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0.95％，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高疲劳桥梁缆索用钢中，将si元素的质量百分比控制在0.95-1.50％之间。

26、mn：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，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，因此为发挥mn元素的有益效果，需控制钢中mn元素含量高于0.20％。但需要注意的是，钢中mn元素含量同样不宜过高，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，特别是在钢中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，因此需控制钢中mn元素含量低于0.60％。由此，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，将mn元素的质量百分比控制在0.20-0.60％之间。

27、cr：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，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0.35％。相应地，考虑到钢中的c含量高于0.95％，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0.90％。因此，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，为发挥cr元素的有益效果，将cr元素的质量百分比控制在0.35-0.90％之间。

28、al：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，al元素是炼钢过程中最有效的脱氧元素，但al元素在脱氧过程中易产生al2o3颗粒，这种al2o3颗粒具有尖锐的棱角，其对于钢丝疲劳寿命和扭转性能影响较大，同时al含量过高时将与冶炼过程精炼渣发生反应，降低夹杂物变形能力。因此，考虑到al元素含量对钢材性能的影响，需严格控制钢中铝含量，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，控制al元素的质量百分比为al≤0.004％。

29、ca：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，添加适量的ca元素有利于提高钢中夹杂物的塑性，ca元素能够与钢中脆性夹杂物发生反应，降低夹杂物熔点、提升塑性，并控制最大夹杂物尺寸低于32um，长宽比大于2，提高材料抗疲劳性能。基于此，为发挥ca元素的有益效果，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，将ca元素的质量百分比控制在0.0010-0.0040％之间。

30、ti、nb、n：在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，通过ti、nb元素的复合添加，可以在高碳含量、同时控制n元素0.002-0.006％范围条件下，确保其氮碳复合析出物的尺寸小于45um，从而明显改善钢材的强塑性。

31、为确保发挥ti元素的有益效果，在本发明中，钢中中控制ti的添加量需高于0.008％，但过多的ti元素添加将会与n元素配合形成粗大的tin，特别是在n含量高的情况下，因此ti元素添加量需低于0.03％，在本发明中，具体将ti元素的质量百分比控制在0.008-0.03％之间。同时在钢中n含量高于0.004％时，钢中ti、n含量还需满足100*([ti]+[n])≤3要求。

32、此外，为了控制nb、ti元素在1000-1250℃温度范围内充分复合析出，需控制nb元素范围为0.01-0.05％。同时，为保证合金高强度，当n含量高于0.004％时，钢中nb、ti含量需满足[nb]+[ti]≥0.05要求。

33、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，当n≥0.004％时，其满足：100×([ti]+[n])≤3，并且[nb]+[ti]≥0.05，式中各化学元素代入相应化学元素质量百分含量百分号前的数值。

34、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，在其他不可避免的杂质中：p≤0.015％；s≤0.010％；o≤0.0025％。

35、在上述技术方案中，p、s和o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。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高疲劳桥梁缆索用钢中，需要将p和s元素含量控制为p≤0.015％、s≤0.010％。

36、相应地，当钢中o元素含量过高时，钢中极易形成大颗粒不可变形夹杂物，对材料疲劳寿命造成极大影响，因此需控制钢中氧含量低于0.0025％，即o≤0.0025％。

37、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，其微观组织包括细化的索氏体组织，索氏体的相比例≥96％，组织中无明显晶界网状渗碳体、马氏体组织。

38、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，其微观组织还具有尺寸小于45nm的复合析出物。

39、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，其夹杂物尺寸≤32um，夹杂物的长宽比＞2。

40、进一步地，在本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢中，其心部碳偏析低于1.08。

41、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≥1500mpa，面缩率＞30％。该盘条经拉拔镀锌处理后得到的钢丝的抗拉强度≥2100mpa；扭转值＞18次；疲劳寿命＞300万次，其可以用于生产大跨径、长寿命的桥梁缆索。

42、为了实现上述目的，本发明提出了一种盘条，其采用上述的高强高疲劳桥梁缆索用钢制得。

43、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≥1500mpa；面缩率＞30％；经拉拔镀锌后的钢丝强度≥2100mpa；扭转值＞18次；疲劳寿命＞300万次。

44、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、镀锌加工要求。

45、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：

46、(1)冶炼；

47、(2)采用大方坯连铸机浇注方坯；

48、(3)粗轧；

49、(4)高速线材轧制；

50、(5)控制冷却：平均冷却速度为1-4℃/s；

51、(6)进行铅浴或盐浴等温处理：其中奥氏体加热温度为900-1100℃，保温时间为5-30min，等温处理温度为530-600℃。

52、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，并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。

53、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；出钢前喂入si-ca线进行夹杂物变性处理，喂入量为≥2m/吨钢。

54、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，控制坯料心部碳偏析低于1.08。

55、在上述技术方案中，在步骤(2)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，以保证坯料的质量和性能。

56、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(3)中，采用二火成材工艺，将连铸坯于1200-1280℃温度下初轧开坯。

57、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制轧制速度为20-60m/s。

58、进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(4)中，控制精轧机组进口温度为920-1000℃，减定径机组进口温度为920-1000℃，吐丝温度为900-980℃。

59、本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢、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：

60、本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢通过合理的化学成分设计，以保证钢板的性能。该高强高疲劳桥梁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，具有良好的推广前景和应用价值。

61、采用本发明所述的高强高疲劳桥梁缆索用钢制得的盘条，也具有优异的性能，其显微组织主要以索氏体为主(索氏体化率≥96％)，心部碳偏析低于1.08，组织中无明显晶界网状渗碳体、马氏体组织。该盘条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≥1500mpa，且具有良好的塑性，面缩率＞30％。

62、该盘条经拉拔镀锌稳定化处理后得到的钢丝的抗拉强度≥2100mpa，其具有良好的扭转性能，100d标距试样扭转值＞18次，在最大应力0.45σb条件下疲劳寿命＞300万次，可以有效满足大跨径、长寿命桥梁缆索的生产要求。

63、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。