CN115125438A - 一种pc钢棒用热轧盘条及其加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，包括如下质量百分比的组分：C:0.28％～0.31％、Si:0.70％～1.00％、Mn:0.90％～1.10％、P≤0.020％、S≤0.020％，Ni≤0.10％、Cr≤0.10％、Cu≤0.10％，其余为铁及不可避免的杂质；通过对钢水冶炼、连铸和轧制工序的改进，使得热轧盘条晶粒等级≥10.0级，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度控制在550±20MPa，抗拉强度控制在680±20MPa，断面收缩率≥50％，热轧盘条强度、塑性和韧性优异。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺。
背景技术
热轧盘条主要用于制作预应力热轧混凝土用钢棒简称PC钢棒(Steel Bar forPrestressed Concrete)，用PC钢棒制作的混凝土管桩主要用于港口、高架桥墩、高层建筑等。当前热轧盘条制作PC钢棒有时出现拉拔断裂问题，因此对热轧盘条的质量有较高要求，需要在保证合适抗拉强度的同时，具有优良的延展性能，更好地满足制备PC钢棒要求。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，通过化学成分、钢水冶炼、铸坯生产和控温控轧工艺设计，制备的热轧盘条具有优良的延展性能，更好地满足制备PC钢棒的要求。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种PC钢棒用热轧盘条，包括如下质量百分比的组分：C:0.28％～0.31％、Si:0.70％～1.00％、Mn:0.90％～1.10％、P≤0.020％、S≤0.020％，Ni≤0.10％、Cr≤0.10％、Cu≤0.10％，其余为铁及不可避免的杂质。该PC钢棒用热轧盘条的晶粒等级≥10.0级，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度控制在550±20MPa，抗拉强度控制在680±20MPa，断面收缩率≥50％。
第二方面，一种PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，包括钢水冶炼、连铸和轧制工序；在轧制工序中，粗轧温度为1050±20℃，精轧温度为920±20℃，减定径入口温度为900±20℃，吐丝温度为870±10℃，风冷线上控制冷却速率18±0.5℃/s。
根据本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，通过对合金成分进行改进，重新确定C、Si、Mn含量，在保证强度的同时，利于提高热轧盘条的延展性能。
(2)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，钢水冶炼工序中，采用电弧炉冶炼和LF精炼炉的冶炼工艺，并对钢水进行吹氩处理，利于充分去除钢中夹杂物，获得高纯净钢水。
(3)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，钢水冶炼工序中，在钢水精炼后，钢包实施加盖处理减缓钢水降温速度，可以降低电弧炉出钢温度20℃～30℃，减轻钢水对电弧炉和钢包耐火材料的冲刷侵蚀而带来的钢水污染，利于保证合金的设计成分和钢水纯净度，同时还能延长炉衬、包衬寿命，提高电弧炉炉龄、钢水包包龄。
(4)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，在连铸工序中，采用钢包、中间包全保护浇注，防止钢水二次氧化。
(5)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，在连铸工序中，结晶器采用电磁搅拌、液面自动控制技术，促使夹杂物上浮，防止钢坯成分偏析和钢坯内部裂纹、缩孔等质量缺陷，提升了铸坯质量。
(6)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，在连铸工序中，铸坯出加热炉进行高压水除鳞(氧化铁皮)，提高了热轧盘条外观质量，减少了表面缺陷。
(7)本发明提供的一种PC钢棒用热轧盘条及其加工工艺，在轧制工序中，通过控制粗轧、精轧、减定径和吐丝温度，热轧盘条晶粒度达到10.0级以上，屈服强度控制在550±20MPa，抗拉强度控制在680±20MPa，断面收缩率≥50％，强度、塑性、韧性好。
附图说明
图1为本发明PC钢棒用热轧盘条的加工工艺流程图；
图2为实施例1中PC钢棒用热轧盘条微观结构图；
图3为实施例2中PC钢棒用热轧盘条微观结构图；
图4为实施例3中PC钢棒用热轧盘条微观结构图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
根据本发明的第一方面，提供了一种PC钢棒用热轧盘条，包括如下质量百分比的组分：
C:0.28％～0.31％、Si:0.70％～1.00％、Mn:0.90％～1.10％、P≤0.020％、S≤0.020％，Ni≤0.10％、Cr≤0.10％、Cu≤0.10％，其余为铁及不可避免的杂质。
优选地，PC钢棒用热轧盘条包括如下质量百分比的组分：C:0.29％～0.31％、Si:0.80％～1.00％、Mn:0.90％～1.10％、P≤0.020％、S≤0.020％，Ni≤0.10％、Cr≤0.10％、Cu≤0.10％，其余为铁及不可避免的杂质。
本发明人基于当前热轧盘条制作PC钢棒时出现拉拔断裂的问题，在化学成分方面进行了改进，特别是对影响钢材力学性能的C、Si、Mn三种组分含量进行了最终确定。
对C含量进行调整，C含量的增加会提高刚才的强度和硬度，但延展性会降低，直接后果就是造成的钢材断裂趋势的提高。为此，控制C的质量含量为0.28％～0.31％，优选0.29％～0.31％，保证钢材强度的同时获得良好的延迟断裂性能。
对Si含量进行调整，Si能使钢强度提高，但也有造成加热过程中组织粗大化倾向，确定控制Si的质量含量为0.70％～1.00％，优选0.80％～1.00％。
对Mn含量进行调整，Mn在钢中用于提高奥氏体的稳定性，但含量过高将引起组织粗大化倾向，增加钢的脆性，因而经过试验，确定控制Mn的质量含量为0.90％～1.10％。
通过化学成分与工艺设计，本发明中PC钢棒用热轧盘条晶粒等级≥10.0级，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度控制在550±20MPa，抗拉强度控制在680±20MPa，断面收缩率≥50％。
根据本发明的第二方面，提供了一种PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，如图1所示，包括钢水冶炼、连铸和轧制工序；
在钢水冶炼工序中，在电弧炉中以铁水和废钢冶炼钢水，在出钢过程加入硅铁和硅锰合金，实现脱氧合金化；再通过LF精炼炉对脱氧合金化后的钢水进行精炼处理，精炼过程中对钢水进行钢包底吹氩处理，充分去除钢中夹杂物，获得高纯净钢水，通过微调合金达到设计成分。
进一步地，在精炼处理后，钢包实施加包盖处理，包盖中具有耐火保温材料，减缓钢水降温速度。在后续连铸工序中，浇铸钢水必须保持高温，为此常常将钢水提前加热至超过要求的温度，以保证浇铸温度，但是过高的温度将增加钢水对电弧炉衬、钢包包衬耐火材料的侵蚀，降低炉衬和包衬寿命，还会增加钢中夹杂物，污染钢水，影响钢水质量，钢包加盖则有效解决了该问题，且操作方便，降低了生产车间改造成本。
在连铸工序中，采用方坯连铸机生产方坯，如采用1机7流方坯连铸机生产165mm*165mm方坯。在浇铸方坯过程中，采用钢包、中间包全保护浇注，具体地：钢包至中间包之间采用长水口保护浇铸，中间包至结晶器之间采用长水口保护浇铸，防止钢水二次氧化，以此保证钢水质量。进一步地，在钢包长水口接口处和中间包长水口接口处吹氮气或惰性气体，以更好的防止钢水二次氧化。
为了确保方坯连铸机铸坯的表面质量和减少铸流中的非金属夹杂物，稳定恒定的结晶器液面控制是必要的前提条件。在结晶器液位控制中采用经优化的动态控制行为，用以平衡非稳态钢水的流动是保证连铸机高作业率的有效措施。为此，结晶器中采用了液面自动控制，控制拉坯速度与钢水浇铸至结晶器速度，确保结晶器钢水液面波动≤5mm。
同时，结晶器还采用电磁搅拌，通过电磁振动，促使夹杂物上浮，防止钢坯成分偏析、内部裂纹、缩孔等质量缺陷，提升铸坯质量。
出结晶器的铸坯采用连续矫直和气雾均匀冷却方式，减少铸坯裂纹和形变缺陷，经连续矫直和气雾均匀冷却后，铸坯脱方值(对角线差)不大于5mm；低倍组织检验内部裂纹、缩孔和夹杂物分别不大于1级。
在轧制工序中，铸坯送至轧钢加热炉中加热，铸坯加热一段900℃～1050℃，二段1050℃～1120℃，均热段1050℃～1100℃，总加热时间90min～120min；加热炉内残氧量≤5％。轧钢加热炉自进口至出口分为一段、二段和均热段，通过控制加热炉中各段加热温度和铸坯在加热炉中的时间，保证粗轧时温度，若脱离上述加热段温度和加热时间，则存在铸坯内部未加热透或者铸坯烧损的风险。加热炉内残氧量关系到铸坯损伤状况，经过大量试验发现，加热炉内残氧量大于5％，则铸坯表面氧化烧损严重，不仅影响成材率，还会产生裂纹、结疤等质量缺陷，影响盘条表面光洁度，导致盘条容易锈蚀等问题；加热炉内残氧量≤5％，能够有效控制铸坯烧损，保护热轧盘条外观质量。
在轧制工序中，铸坯出加热炉后进行高压水除鳞(氧化铁皮)，高压水压力≥15MPa，充分去除铸坯氧化铁皮。
轧制时，粗轧温度1050±20℃；在精轧机组前、精轧机组与减定径机组之间、减定径机组与吐丝机之间各设置2组喷淋冷却水箱，用于精准控制精轧、减定径和吐丝温度：精轧温度920±20℃，减定径入口温度900±20℃，吐丝温度870±10℃；风冷线上7台风机控制盘条降温速率，冷却速率18±0.5℃/s。轧制工艺参数对产品力学性能具有至关重要的影响，且依据合金组分的不同而需特定研发。本发明经过大量研发试验和长期摸索，最终确定上述轧制参数。
合理的粗轧温度是确保各道次轧机轧制压下量、铸坯晶粒破碎、后序相变温度控制的关键，经过多次试验确定粗轧温度为1050℃，允许存在±20℃波动。若粗轧温度过高，不仅增加铸坯烧损，还容易出现过热或过烧，过热影响盘条表面质量，过烧会直接造成轧废或工艺事故；若粗轧温度过低，不仅增加轧机负荷，还会影响后序相变温度的控制、目标性能和金相组织的形成。
精轧温度是控制减定径和吐丝温度、盘条金相组织的重要环节，确定精轧温度为920℃，允许存在±20℃波动。若精轧温度过高，会造成减定径和吐丝温度偏高，盘条晶粒度偏大，强度偏低，若采用穿水强冷降温来保证减定径入口温度，容易产生轧件表层淬火、回火马氏体组织；若精轧温度过低，轧制应力增加，会造成精轧机组轧制负荷增加，轧辊磨损、设备故障增加，盘螺强度增加，延展性降低。
减定径入口温度是控制吐丝温度、盘条金相组织的重要环节，确定减定径入口温度为900℃，允许存在±20℃波动，若减定径入口温度过高，会造成盘条晶粒度偏大，盘条晶粒度偏大，强度偏低，若采用穿水强冷降温来保证吐丝温度，容易产生轧件表层淬火、回火马氏体组织；若减定径入口温度过低，轧制应力增加，会造成减定径机组轧制负荷增加，轧辊磨损、设备故障增加，盘螺强度增加，延展性降低。
吐丝温度是控制盘条金相组织、性能和表面质量的重要环节，确定吐丝温度为870℃，允许存在±10℃波动，若吐丝温度过高，盘条表面氧化铁皮增加，也容易出现表层起泡，晶粒度偏大，性能偏低；若吐丝温度过低，会造成盘条强度偏高，延展性降低。
风冷线上冷却速率是影响盘条金相组织和性能的关键环节，确定线上冷却速率为18℃/s，允许存在±0.5℃/s波动，若线上冷却速率过高，容易产生贝氏体组织，强度偏大，延展性偏低，若线上冷却速率过低，会造成盘条表层氧化铁皮增厚和疏松容易腐蚀，金相组织晶粒度偏大强度偏低。
在精轧机组前、精轧机组与减定径机组之间、减定径机组与吐丝机之间各设置1～2组喷淋冷却水箱，用于精准控制精轧、减定径和吐丝温度，风冷线设置5～7台风机控制盘条降温速率。
实施例
实施例1
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，包括以下工艺步骤：
首先通过120t电弧炉以铁水+废钢冶炼钢水，在出钢过程加入硅铁和硅锰合金，实现脱氧合金化；随后对脱氧合金化后的钢水进行LF炉精炼，并对钢水进行钢包底吹氩处理，通过微调合金达到设计成分(C:0.30％、Si:0.82％、Mn:0.98％、P:0.017％、S:0.015％，Ni:0.054％、Cr:0.089％、Cu:0.016％，其余为铁及不可避免的杂质)。
经1机7流方坯浇铸得到165mm*165mm铸坯。在浇铸方坯过程中，采用钢包、中间包全保护浇注，并在钢包长水口接口处和中间包长水口接口处吹惰性气体；结晶器采用电磁搅拌和液面自动控制技术(保结晶器钢水液面波动≤1cm)；出结晶器的铸坯采用连续矫直和气雾均匀冷却方式，经连续矫直和气雾均匀冷却后，铸坯脱方值不大于5mm；低倍组织检验内部裂纹、缩孔和各类夹杂物分别不大于1级。
在轧制工序，铸坯加热一段900℃～1050℃，二段1050℃～1120℃，均热段1050℃～1100℃，总加热时间90min～120min；加热炉内残氧量≤5％；钢坯出热炉经高压水(15MPa)除氧化铁皮进行轧制，粗轧温度1050±20℃，精轧温度920±20℃，减定径入口温度900±20℃，采用喷雾冷却，控冷后吐丝温度870±10℃，之后盘条以18℃/s±0.5℃的降温速度降温。在精轧机组前、精轧机组与减定径机组之间、减定径机组与吐丝机之间各设置2组喷淋冷却水箱，用于精准控制精轧、减定径和吐丝温度，风冷线设置7台风机控制盘条降温速率。最终实现盘条晶粒度10.5级(图2)，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度为545MPa，抗拉强度Rm为685MPa，断面收缩率57％。
实施例2
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其工艺步骤与实施例1相同，不同的是合金成分C：0.29％；Si：0.95％；Mn：0.97％；P：0.015％；S：0.019％；Ni:0.046％、Cr：0.080％、Cu：0.017％。盘条晶粒度11.0级(图3)，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度为560MPa，抗拉强度为690MPa，断面收缩率56％。
实施例3
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其工艺步骤与实施例1相同，不同的是合金成分C：0.31％；Si：0.82％；Mn：1.02％；P：0.014％；S：0.017％；Ni:0.050％、Cr：0.065％、Cu：0.012％。盘条晶粒度10.5级(图4)，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度为540MPa，抗拉强度为675MPa，断面收缩率60％。
实施例4
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度950±20℃，精轧温度850±20℃，减定径温度和吐丝温度也会随之降低，减定径入口温度850±20℃，吐丝温度850±10℃，之后盘条以18℃/s±0.5℃的降温速度降温。
实施例5
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度1150±20℃，精轧温度980±20℃，轧件穿水强冷至减定径入口温度900±20℃，采用喷雾冷却，控冷后吐丝温度870±10℃，之后盘条以18℃/s±0.5℃的降温速度降温。
实施例6
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度1050±20℃，精轧温度920±20℃，轧件穿水强冷至减定径入口温度800±20℃，吐丝温度也会随之降低至800±10℃，之后盘条以18℃/s±0.5℃的降温速度降温。
实施例7
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度1050±20℃，精轧温度920±20℃，减定径入口温度900±20℃，盘条穿水强制冷却至吐丝温度820±10℃，之后盘条以18℃/s±0.5℃的降温速度降温。
实施例8
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度1050±20℃，精轧温度920±20℃，减定径入口温度900±20℃，吐丝温度910±10℃，之后盘条以18℃/s±0.5℃的降温速度降温。
实施例9
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度1050±20℃，精轧温度920±20℃，减定径入口温度900±20℃，采用喷雾冷却，控冷后吐丝温度870±10℃，之后风冷线减轻风机降温，盘条以13℃/s±0.5℃的降温速度降温。
实施例10
一种PC钢棒用热轧盘条的制备方法，其合金成分与工艺步骤与实施例1相同，不同之处仅在于轧制参数不同，具体地：
粗轧温度1050±20℃，精轧温度920±20℃，减定径入口温度900±20℃，采用喷雾冷却，控冷后吐丝温度870±10℃，之后风冷线强化风机降温，盘条以25℃/s±0.5℃的降温速度降温。
对实施例1、4～10制得的PC钢棒用热轧盘条进行组织类型分析和力学性能测试，结果如表1所示：
表1
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种PC钢棒用热轧盘条，其特征在于，包括如下质量百分比的组分：C:0.28％～0.31％、Si:0.70％～1.00％、Mn:0.90％～1.10％、P≤0.020％、S≤0.020％，Ni≤0.10％、Cr≤0.10％、Cu≤0.10％，其余为铁及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的PC钢棒用热轧盘条，其特征在于，所述PC钢棒用热轧盘条的晶粒等级≥10.0级，组织类型为铁素体+珠光体，屈服强度控制在550±20MPa，抗拉强度控制在680±20MPa，断面收缩率≥50％。
3.一种权利要求1或2所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，包括钢水冶炼、连铸和轧制工序；在轧制工序中，粗轧温度为1050±20℃，精轧温度为920±20℃，减定径入口温度为900±20℃，吐丝温度为870±10℃，风冷线上控制冷却速率18±0.5℃/s。
4.根据权利要求3所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，轧制工序中，铸坯轧制前送至轧钢加热炉中加热，铸坯加热一段900℃～1050℃，二段1050℃～1120℃，均热段1050℃～1100℃，总加热时间90min～120min；加热炉内残氧量≤5％。
5.根据权利要求3所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，轧制工序中，铸坯出加热炉后进行高压水除鳞，高压水压力≥15MPa。
6.根据权利要求3所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，在钢水冶炼工序中，在电弧炉中以铁水和废钢冶炼钢水，在出钢过程加入硅铁和硅锰合金，实现脱氧合金化；再通过LF精炼炉对脱氧合金化后的钢水进行精炼处理，精炼过程中对钢水进行钢包底吹氩处理。
7.根据权利要求3所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，在连铸工序中，采用钢包、中间包全保护浇注方式浇铸铸坯，包括钢包至中间包之间采用长水口保护浇铸，中间包至结晶器之间采用长水口保护浇铸。
8.根据权利要求7所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，在连铸工序中，在钢包长水口接口处和中间包长水口接口处吹氮气或惰性气体。
9.根据权利要求3所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，在连铸工序中，控制拉坯速度与钢水浇铸至结晶器速度，使结晶器钢水液面波动≤1cm。
10.根据权利要求3所述的PC钢棒用热轧盘条的加工工艺，其特征在于，在连铸工序中，出结晶器的铸坯采用连续矫直和气雾均匀冷却方式，经连续矫直和气雾均匀冷却后，铸坯脱方值不大于5mm；低倍组织检验内部裂纹、缩孔和夹杂物分别不大于1级。
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