CN114525455B - 一种盘条及其制备方法以及由其制得的预应力混凝土钢棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种盘条，包括如下质量百分比的元素：C：0.28～0.33％、Si：0.75～0.85％、Mn：0.90～1.10％、Cr：0.01～0.20％、Ti：0.02～0.04％、N：0.004～0.006％、S≤0.006％、P≤0.010％、O≤0.002％，其它为Fe及不可避免的夹杂。本发明还公开了上述盘条的制备方法以及由上述盘条制得的预应力混凝土钢棒。本发明通过改进盘条的化学成分，并控制Ti、N的质量比，增加有益的氢陷阱；调整铸造工艺，限定软搅拌时间，采用低过热度浇注，控制夹杂物总量和尺寸。本发明最终制得的钢棒具有较高的抗拉强度和断后伸长率的同时，具备很好的抗延迟断裂性能。

Description

一种盘条及其制备方法以及由其制得的预应力混凝土钢棒

技术领域

本发明涉及钢铁冶金领域，具体涉及一种盘条及其制备方法以及由其制得的预应力混凝土钢棒。

背景技术

预应力混凝土管桩是重要的建筑基础材料，对整个建筑起支撑作用。最近三十年，伴随着国民经济的快速发展，混凝土管桩的应用也实现了大幅增长。预应力钢棒是混凝土管桩的核心骨架，在很大程度上决定了混凝土管桩的性能。

延迟断裂是阻碍混凝土管桩应用的一个核心问题。混凝土管桩在制造和使用过程中，会接触到水，水逐渐渗透到钢材表面，通过一系列电化学作用形成一部分氢原子，氢原子扩散到钢中，逐渐聚集在氢陷阱周围，钢中的一些大型缺陷属于有害氢陷阱，氢原子聚集到这些大型缺陷表面后会逐渐弱化这些缺陷与基体的结合力，在预应力和环境的耦合作用下，经过一段时间的积累，在低于钢材屈服强度的应力下发生灾难性的突然断裂。

延迟断裂通常发生在1000MPa以上的高强钢中，强度越高倾向越大。预应力钢棒抗拉强度一般在1400MPa以上，又属于淬回火组织，特别容易发生延迟断裂，给建筑物造成了隐患。为解决延迟断裂问题，本发明采取了引入有益氢陷阱、减少有害缺陷等措施，取得了显著效果。

中国专利文献CN110747404A公开了一种1570MPa级抗延迟断裂钢棒及其制造方法，通过提高Si元素含量，以及合理添加金属元素Ti，并调整热轧控冷和钢棒生产工艺，主要用于高强度抗延迟断裂PC钢棒，能够满足在1570MPa强度级下抗延迟断裂的要求；其虽然提及添加Ti元素可以形成有效的氢陷阱，抑制钢棒的延迟断裂倾向，但是Ti元素的质量分数为0.05-0.08％或者0.06-0.08％，含量略高，会使析出物粗化达不到效果，并形成大颗粒TiN夹杂，不利于盘条拉拔，也不经济。中国专利文献CN102703804A公开了一种高强度预应力钢棒用盘条的生产方法，包括高炉冶炼、转炉冶炼、LF钢包精炼、钢坯轧制，其中以硅、锰为主要强化元素，其强调的是提高盘条的强度，没有涉及提高钢棒延迟断裂性能方面的内容。中国专利文献CN110527917A公开了一种PC钢棒用30MnSiBCa热轧盘条及其制备方法，通过在30MnSiBCa热轧盘条中添加B和Ca元素，并控制B和Cr、Mn和Si的比例，以及Ca和B的含量以提高盘条的淬透性和抗延迟断裂性能，其虽然也提及了提高钢的纯净度和夹杂物控制级别，定性检测且控制程度宽泛，难以达到提高钢棒抗延迟断裂能力的目的。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于现有预应力钢棒耐延迟断裂差的能力缺陷，从而提供一种盘条及其制备方法以及由其制得的预应力混凝土钢棒。

为此，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种盘条，包括如下质量百分比的元素：

C：0.28～0.33％、Si：0.75～0.85％、Mn：0.90～1.10％、Cr：0.01～0.20％、Ti：0.02～0.04％、N：0.004～0.006％、S≤0.006％、P≤0.010％、O≤0.002％，其它为Fe及不可避免的夹杂。

进一步地，所述Ti和N的质量比为5-7。

进一步地，所述盘条的非金属夹杂物中，A、B、C、D、DS类夹杂物评级均≤1.0级；五类夹杂物评级之和A+B+C+D+DS≤3.0级，最大夹杂物的长宽积≤1000μm²，等效直径10μm以上夹杂物密度≤10个/cm²。

本发明还提供上述盘条的制备方法，包括如下步骤：

S1：将原料铁水预脱硫，使得含硫量小于50ppm；

S2：将脱硫后的铁水转炉冶炼；

S3：对转炉冶炼后的铁水进行精炼；

S4：将精炼后得到的钢水方坯连铸；

S5：对得到的铸坯进行高线轧制；

S6：对得到的粗盘条进行斯太尔摩控冷，得到盘条成品。

进一步地，步骤S3中，在精炼后对铁水进行软搅拌，所述软搅拌底吹氩压力为0.5-0.6MPa，时间为30-35min，保证夹杂物充分上浮。

步骤S4中，采用中间包感应加热保证低过热度浇注，使钢水温度保持在液相线温度(按组分的不同变动，在1495℃左右)以上15-25℃，防止夹杂物聚集变大；采用浸入式水口全保护浇注，连铸为140×140mm²小方坯，连铸时控制拉速2.6±0.1m/min；同时采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。

步骤S5中，在轧制前还包括对铸坯进行加热，均热温度1160±10℃，开轧温度1030±10℃，吐丝温度870±10℃；

步骤S6中，控冷辊道入口速度0.43-0.48m/s，控冷环境为室温，风机全部关闭，最终得到的盘条直径为8-14mm，其抗拉强度Rm≥700MPa，断面收缩率Z≥50％。

本发明还提供一种预应力混凝土钢棒，由上述盘条制得。

所述预应力混凝土钢棒的制备方法为，将盘条经拉拔后淬火，然后回火，制得所述预应力混凝土钢棒。

进一步地，具体为，将盘条拉拔为直径7-13mm的钢棒后淬火，淬火温度为900-950℃，时间为1-3s，保证显微组织为马氏体；然后进行回火处理，回火温度为440-460℃，时间为1-3s，最终得到的产品显微组织为回火屈氏体。

本发明技术方案，具有如下优点：

(1)本发明限定盘条中的元素组成，其中：

C是钢材中最基本的强化元素，C含量每增加0.01％，盘条强度约增加10MPa，但过量的C会降低盘条的塑性，恶化加工与焊接性能。因此，本发明中C含量的范围被严格限定在0.28～0.33％。

Si是铁素体强化元素，能够通过固溶强化提高铁素体的强度，Si也是重要的脱氧剂，有助于降低钢中的氧含量，减少夹杂物。同时，Si可提高组织的热稳定性，减弱回火温度的升高使强度下降的程度，提高钢棒性能的可控性，有益于提高钢棒的抗延迟断裂能力。但过多的Si会降低盘条塑性。本发明中Si含量范围选为0.75～0.85％。

Mn在钢中主要用于增大钢的强度，同时可以提高淬透性，同时Mn能改变硫化物成分、减小S的有害作用，但过量的Mn会降低盘条的塑性与可焊性，增加钢的延迟断裂敏感性。本发明中，Mn含量控制在0.90～1.10％。

Cr可以进一步提高淬透性，提高钢棒成品强度和抗回火性能。但过量的Cr也会降低盘条的塑性与可焊性。综合考虑产品性能与成本因素，本发明中，Cr含量控制在0.01～0.20％。

Ti是重要的微合金元素，在钢中形成细小的Ti(C,N)析出物，成为钢中有益的氢陷阱，阻碍氢原子向有害氢陷阱聚集，提高钢棒的耐延迟断裂性能。但过高的Ti会使析出物粗化，不利于连铸顺行。本发明中，Ti含量控制在0.02～0.04％。

N是钢中的气体元素，在本发明中，主要和Ti结合形成细小的析出物，N含量过高或过低均不利于细小析出物的形成，本发明中，其含量控制在0.004～0.006％。

S和Mn结合形成MnS大型夹杂物，往往是氢诱发裂纹的起点，会增加钢棒的延迟断裂敏感性；P是钢中有害元素，易偏析，在晶界处富集导致钢材脆化，降低塑性，使焊接性能变坏；O是钢中夹杂物的主要来源，是形成有害氢陷阱的主因之一。因此必须严格控制S、P、O的含量，使得S≤0.006％、P≤0.010％、O≤0.002％。

(2)本发明进一步限定Ti和N的质量比为5-7，其可以保证数量多、尺寸小的Ti(C,N)析出物。Ti(C,N)细小析出物可以钉扎晶界，阻止奥氏体晶粒长大，增大晶界面积，阻碍钢中氢原子的扩散，同时Ti(C,N)析出物可以成为钢中有益氢陷阱，捕获吸收氢使其不能扩散，阻碍氢原子向有害氢陷阱聚集，降低有害氢陷阱处氢的浓度，达到提高钢棒的耐延迟断裂性能的目的。

(3)本发明限定了盘条中的非金属夹杂物尺寸。非金属夹杂物，特别是大型夹杂物，是有害氢陷阱的重要来源，氢原子在有害氢陷阱局部区域高度富集，富集区域的氢浓度达到临界值后，破坏了夹杂物与钢基的结合力，形成裂纹并扩展，在低于钢材屈服强度的应力下发生断裂。本发明限定A、B、C、D、DS类夹杂物评级均≤1.0级，且五类夹杂物评级之和A+B+C+D+DS≤3.0级，最大夹杂物的长宽积≤1000μm²，等效直径10μm以上夹杂物密度≤10个/cm²，可以有效减少有害氢陷阱数量，提高钢棒的耐延迟断裂性能。

(4)本发明对盘条制备方法作出了优化，盘条的生产流程依次经过“铁水预脱硫→转炉冶炼→精炼→方坯连铸→高线轧制→斯太尔摩控冷”等工艺过程，特别是精炼后软搅拌时间控制在30-35min，保证夹杂物充分上浮，连铸过热度控制在15-25℃(液相线温度约1495℃)，防止夹杂物聚集变大，控制夹杂物尺寸，减少有害氢陷阱数量，提高钢棒的耐延迟断裂性能。

(5)采用本发明提供的盘条制得的钢棒在抗拉强度Rm-b≥1500MPa、断后伸长率A≥10％的基础上，具有很好的抗延迟断裂性能。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例

本实施例提供一种盘条的制备方法，具体步骤如下：

(1)将原料铁水预脱硫，使得含硫量小于50PPM；

(2)将脱硫后的铁水转炉冶炼；

(3)对转炉后的铁水进行精炼，在精炼后对铁水进行软搅拌，所述软搅拌底吹氩压力为0.5MPa，时间为30min，保证夹杂物充分上浮；

(4)将精炼后的铁水方坯连铸，采用中间包感应加热保证低过热度浇注，使其温度在铁水凝固点以上20℃，防止夹杂物聚集变大；采用浸入式水口全保护浇注，连铸为140×140mm²小方坯，连铸时控制拉速2.6m/min；同时采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌。

(5)对得到的铸坯进行高线轧制，在轧制前对铸坯进行加热，均热温度1160℃，开轧温度103℃，吐丝温度870℃。

(6)对得到的粗盘条进行斯太尔摩控冷，控冷辊道入口速度0.45m/s，控冷环境为室温，风机全部关闭，最终得到的盘条，直径为10mm。

实施例中得到的盘条化学成分如表1所示：

表1盘条化学成分

成分/wt％	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	O	N	Ti/N
											实施例1	0.31	0.82	0.95	0.0090	0.0045	0.06	0.028	0.0018	0.0045	6.22
实施例2	0.30	0.79	0.98	0.0079	0.0050	0.07	0.031	0.0010	0.0048	6.46
											实施例3	0.29	0.80	1.01	0.0082	0.0042	0.07	0.032	0.0014	0.0052	6.15
实施例4	0.32	0.80	0.99	0.0084	0.0047	0.05	0.030	0.0008	0.0048	6.25

对比例1

本对比例和实施例相比，区别在于改变了盘条最终的化学组分，使得Ti/N为2.74。

对比例2

本对比例和实施例相比，区别在于改变了盘条最终的化学组分，使得Ti/N为8.63。

对比例3

本对比例和实施例相比，区别在于改变了精炼中的软搅拌时间，其软搅拌时间10min。

对比例4

本对比例和实施例相比，区别在于改变了连铸时的过热度，使钢水温度在液相线以上30℃。

对比例1-4得到的盘条化学成分如表2所示：

表2盘条化学成分

成分/wt％	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	O	N	Ti/N
											对比例1	0.30	0.81	0.95	0.0093	0.0056	0.06	0.017	0.0017	0.0062	2.74
对比例2	0.29	0.78	0.99	0.0084	0.0045	0.07	0.044	0.0015	0.0051	8.63
											对比例3	0.30	0.80	0.98	0.0095	0.0051	0.05	0.030	0.0016	0.0045	6.67
对比例4	0.31	0.79	0.97	0.0089	0.0046	0.07	0.030	0.0018	0.0044	6.82

试验例1

对实施例和对比例得到的盘条中的夹杂物进行检测，检测标准以GB/T10561-2005为准，检测结果如下表3所示：

表3盘条夹杂物

由上表可以看出，本发明实施例中，A、B、C、D、DS类夹杂物评级均≤1.0级，且五类夹杂物评级之和A+B+C+D+DS≤3.0级，最大夹杂物的长宽积≤1000μm²，等效直径10μm以上夹杂物密度≤10个/cm²。对比例1和对比例2和本申请夹杂物状况类似，而对比例3和对比例4由于分别在软搅拌时间和过热度上没有按照本申请所限定的条件，其夹杂物情况明显不符合要求。

试验例2

将实施例和对比例1得到的盘条制备预应力混凝土钢棒，具体制备方法如下：

将盘条拉拔为直径8mm的钢棒后淬火，淬火温度为920℃，时间为1s，然后进行回火处理，回火温度为450℃，时间为1s，最终得到预应力混凝土钢棒。

按照GB/T21839-2019检测盘条及其制得的钢棒的性能，其结果如下表4所示：

表4盘条及钢棒主要性能

显然，由上表可以看出，本发明实施例中钢棒，在硫氰酸铵溶液中恒载5小时的临界应力值均≥0.80Rm-b，满足预应力产品加载0.80Rm-b拉应力在硫氰酸铵溶液中持续5小时不断裂的要求；而对比例中钢棒则不同，无论是Ti/N比不满足本申请要求的对比例1、2，还是软搅拌时间过短的对比例3、浇注过热度过高的对比例4，其在硫氰酸铵溶液中恒载5小时的临界应力值均＜0.80Rm-b，表明对比例钢棒加载0.80Rm-b拉应力在硫氰酸铵溶液中持续时间均＜5小时，各对比例抗应力腐蚀性能不佳。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种预应力混凝土钢棒的制备方法，其特征在于，具体为，将盘条经拉拔为直径为7-13mm的钢棒后淬火，淬火温度为900-950℃，时间为1-3s，然后进行回火处理，回火温度为440-460℃，时间为1-3s；

所述盘条包括如下质量百分比的元素：

C：0.28～0.33％、Si：0.75～0.85％、Mn：0.90～1.10％、Cr：0.01～0.20％、Ti：0.02～0.04％、N：0.004～0.006％、S≤0.006％、P≤0.010％、O≤0.002％，其它为Fe及不可避免的夹杂；

所述Ti和N的质量比为5-7；

所述盘条的非金属夹杂物中，A、B、C、D、DS类夹杂物评级均≤1.0级；五类夹杂物评级之和A+B+C+D+DS≤3.0级，最大夹杂物的长宽积≤1000μm²，等效直径10μm以上夹杂物密度≤10个/cm²；

所述的盘条的制备方法包括如下步骤：

S1：将原料铁水预脱硫；

S2：将脱硫后的铁水转炉冶炼；

S3：对转炉冶炼后的铁水进行精炼；

S4：将精炼后得到的钢水方坯连铸；

S5：对得到的铸坯进行高线轧制；

S6：对得到的粗盘条进行斯太尔摩控冷，得到盘条成品；

步骤S3中，在精炼后对铁水进行软搅拌，所述软搅拌底吹氩压力为0.5-0.6MPa，时间为30-35min；

步骤S4中，采用低过热度浇注，连铸为140×140mm²小方坯，连铸时控制拉速为2.6±0.1m/min；

步骤S5中，在轧制前还包括对铸坯进行加热，均热温度1160±10℃，开轧温度1030±10℃，吐丝温度870±10℃；

步骤S6中，控冷辊道入口速度0.43-0.48m/s，控冷环境为室温，风机全部关闭，最终得到的盘条直径为8-14mm。