小方坯连铸连轧1860MPa级PC钢绞线用热轧盘条的组织与性能

摘要

先进的生产装备及其控制技术是加快我国钢铁产品结构调整、实现其高性能低成本化的必备条件。就钢的中小规格线材而言,小方坯连铸连轧工艺技术因其无需开坯、热装热送、一火成材等特点而成为当今世界最具竞争力的生产工艺。尽管国内引进了多条具有国际先进水平的小方坯连铸连轧生产线,却因缺乏与之配套的生产工艺控制技术软件,该类生产线在国内只能生产中低档次的钢质盘条,是为与国际先进水平的差距所在。若能改进其生产控制技术,必将以绝对的性价比优势而全面替代当前国内占主流的优质盘条大方坯连铸工艺,有可能成为“连铸替代模铸”后又一次重要的技术进步。 1860MPa级PC钢绞线作为第三代高档建筑材料,正被广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁等现代化大型建筑中,且随着我国基础设施建设力度的不断加大,其年需求量更呈稳步攀升之势。为保证该钢绞线的实物质量及其大生产的连续性、高效性,其原料--热轧高碳盘条必须满足以下三个要求：一是力学性能的要求；二是通条性好；三是低的拉拔断丝率。国产热轧高碳盘条与国际先进水平的主要差距就表现在高的断丝率上。因为现代化拉丝生产线的生产效率很高,当拉拔断丝率超过5次/100吨就没有工业应用价值了。该指标是PC钢绞线生产厂家根据其生产连续性所提出的新要求,其十分重要却又无法通过对盘条的抽检来完成的,故只能靠后续拉丝生产线上的实物生产去评判,但却为时已晚,于事无补,因对这一客观的问题缺乏深度的理解与系统研究,故长期以来该热轧高碳盘条主要依赖进口。 鉴于此,本文以1860MPa级PC钢绞线用热轧盘条的小方坯连铸连轧生产和后续的拉丝形变过程为对象,以降低拉拔断丝率为目标,较为系统地研究了小方坯连铸连轧及拉丝形变过程,通过大量的统计分析、形貌分析、微观分析、力学分析和综合分析,发现了影响这一复杂工程问题的主要矛盾和控制拉拔断丝率的重要依据,并提出了相应的解决方案。主要创新成果如下： 采用小方坯连铸试制出力学性能满足要求的1860MPa级PC钢绞线用Ф13mm热轧盘条,分析了冷拉拔至Ф5mm左右的钢丝过程中盘条的组织和珠光体组织的变形情况。结果表明,形变后的钢丝,横截面上晶粒显著细化,而在纵截面上品粒逐渐被拉长呈纤维状；其抗拉强度则随着形变量的增加而不断增加;形变前的珠光体团为随机取向,Fe3C片很平直;随着形变量的增加,Fe3C片逐渐转到与拉丝轴平行的方向上,基本与拉丝轴方向一致。Fe3C片越接近平行于拉丝方向排列,越有利于拉丝形变的进行。 由于热轧高碳盘条在拉拔生产中的断丝率偏高,无法满足拉丝生产的现象,分析了导致其断丝的可能原因。研究结果表明：导致热轧高碳盘条拉拔断丝的主要原因是盘条的表面缺陷(裂纹、折叠、表面夹渣等)和芯部缺陷(夹杂物、成分偏析引起的异常组织等)。结合盘条生产工艺可知：结晶器的内壁磨损、结晶器液面波动,以及未采用专用保护渣等是造成热轧高碳盘条表面缺陷的主要原因；钢的纯净度,未能充分排除各类夹杂物,以及连铸过程中发生严重的中心偏析是导致芯部缺陷产生的主要因素。 通过拉丝断口的形貌和力学分析,提出了“笔尖状断口”新概念,深化了对拉丝断口的认识。长期以来,一直将该类断口归于杯锥状断口。由于杯锥状断口与拉丝断口在受力状态上存在着显著的差异：杯锥状断口在单向拉伸状态下发生颈缩,在材料心部受力状态为三向张应力；而拉丝断口的受力状态为轴向拉应力、径向压应力；断口形貌上也存在着显著的差异。因此,该拉丝断口不应归于杯锥状断口,而应称为“笔尖状断口”。其形貌不仅受到材料性能参数的影响,还受到拉丝模具及拉丝工艺参数的影响。模拟计算表明,拉丝模具顶角越大,笔尖变得更细长；拉丝模具与盘条之间的摩擦系数越大,笔尖越短。 针对微裂纹、夹杂物等显微缺陷在材料中客观存在的现实,研究了这些缺陷存在的安全性问题。通过表面缺陷试验和芯部缺陷的有限元计算模拟,确定了其临界尺寸。研究结果表明,1860MPa级PC钢绞线用热轧高碳盘条JIC=0.0148MPa·m,KIC=57.6MPa·m1/2;热轧高碳盘条的最佳拉拔角约为8°；对于相同尺寸的裂纹,J积分值随着模具顶角的增大而增加：当模具顶角小于8°后,J积分值变化较小,趋于一定值；J积分值随着摩擦系数的增大而增大；最终提出了“盘条的表面缺陷临界尺寸约为0.18mm,芯部缺陷临界尺寸为30μm-40μm左右”的判据,这一结果为小方坯连铸连轧生产1860MPa级PC钢绞线用热轧盘条成套工艺的开发提供了重要的理论依据。 据此,在江苏沙钢集团的小方坯连铸连轧生产线进行了设备改造和工艺优化试验,取得了良好的效果。结果表明,通过对成分、表面缺陷、夹杂物、成分偏析、显微组织等的控制,采用小方坯连铸连轧高速线材生产线,可以生产出满足现代化拉丝生产装备要求的1860MPa级PC钢绞线用热轧高碳盘条。其抗拉强度超过1150MPa,断面收缩率为38％～40％,拉拔断丝率为1.0～1.5次/100吨。用户使用结果表明,其实物质量与日本产品相当。截止2003年10月,江苏沙钢集团已生产销售1860MPa级PC钢绞线用热轧盘条约49万吨,全部用于替代进口,实现销售收入14亿余元,销售利润3.6亿余元。

目录

文摘

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导论

第一章 绪论

1.1钢铁冶金的发展简史、现状及展望

1.2连续铸钢

1.3线材及线材制品

1.4混凝土用预应力钢丝与钢绞线

1.5拉丝过程的计算机模拟

1.6本课题的研究背景和内容

第二章 试验材料与方法

2.1研究路线

2.2试验材料及样品制备

2.3力学性能试验

2.4断口分析

2.5材料微观分析

2.6力学计算

2.7拉丝断丝率的统计方法

第三章 1860MPa级PC钢绞线用热轧盘条的试制和形变特征

3.1化学成分的设计

3.2珠光体组织的控制

3.3盘条的拉丝形变特征

3.4断丝现象与断丝率

3.5本章小结

第四章 微观缺陷对拉拔断丝率的影响

4.1表面缺陷的影响

4.2芯部缺陷的影响

4.3本章小结

第五章 笔尖状断口及其形成机理

5.1杯锥状断口与拉丝断口的形貌差异

5.2单向拉伸与拉丝的应力状态对比

5.3笔尖状断口的提出

5.4笔尖状断口形成的计算机模拟

5.5本章小结

第六章表面缺陷试验和芯部临界缺陷尺寸的计算

6.1表面缺陷试验

6.2拉丝过程的力学计算

6.3本章小节

第七章 拉拔断丝率的控制依据及其应用

7.1有关拉拔断丝率控制的主要建议

7.2生产控制及试验效果

7.3盘条规模化生产的实施效果

第八章 结论及展望

参考文献

致 谢

发表的论文和取得的科研成果