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硕士论文预应力钢丝用热轧盘条实验研究 p 6 2 4 9 2 7 摘要 本文针对南钢生产预应力钢丝用高碳热轧盘条存在的技术和质量问题，从预 应力钢丝拉拔断裂原因分析入手，经实验室与生产现场实验研究以及生产验证， 得出以下主要结论： 预应力钢丝拉拔断裂的原因是金相组织不合理，由索氏体、屈氏体和少量的 贝氏体的混合组织组成，并有马氏体产生；钢丝芯部马氏体含量大于边部马氏体 含量，是由于锰的严重偏析所致。 预应力钢丝用7 7 b 热轧盘条中沿轴向存在的条带中富集碳、锰，且含有显 微裂纹和孔洞，是连铸坯凝固过程中成分偏析与凝固缩孔、疏松等缺陷造成的。 铌在加入量范围内( o 0 4 0 ) 对枝晶有强烈的细化作用，显著减小碳偏析： 钒在加入量范围内( o 0 6 0 - - 一0 0 9 5 ) ，显著减小碳偏析：钛在加入量范围内 ( o 0 2 0 ) 对碳偏析影响不明显，但显著减轻锰偏析；钒、铌、钛都在不同程度 上减轻锰、硅、磷、硫的偏析。 采用改造后的生产线与合理的成分范围，控制开轧温度1 0 0 0 1 0 5 0 。c ，终轧 温度 8 5 0 0 c ，吐丝温度8 2 0 8 5 0 0 c ，冷却速率范围1 0 - 1 3 0 c s ，成功生产出0 1 3 m m 预应力钢丝用7 7 b 热轧盘条，并已实现正常工业化生产。 关键词t 预应力钢丝用热轧盘条，偏析，断裂，徽合金化，控制轧制， 控科冷却 殛圭论文臻疰力钢熬瘸热羲鑫条实验磺梵 a b s t r c t n e p r o b l e m so f t e c h n o l o g ya n dq u a l i t yi n 蓼嘲u c i n gh i 馥c a r b o nh o tr o l l e dw i r e r o d sf o rp r e s t r e s s e ds t e e lw i r ei nn a n j i n gi r o na n ds t e e lg r o u pc o 。l t d 鼬s t u d i e d 。 s t a r t e d 、v i mt h ea n a l y s i so f t h ef i a e t u r er e a s o no f p r e s t r e s s e dw i r e t h er e s e a r c hc a l t y o nl a ba n df a c t o r ye x p e r i m e n t a t i o na n dp r o d u c i n gt e s t t h em a i nc o n c l u s i o n sa r e ： t h ec a u s ef o rp r e s t r e s s e dw i r e sb r e a k i n gi nd r a w i n gi st h em e t a l l o g r a p h i e s t r u c t u r ew h i c hi sa d m i x t u r eo fs o r b i d e ，t r o o s t i t e ，b a i n i t e ，a n dm a r t e n s i t e ；t h eq u a n t i t y o fm a r t e n s i t ei nc e n t e rb e i n gm o l et h a nt h a to fi n s i d ei sc a u s e db yt h es e g r e g a t i o no f m n i n7 7 bh o tr o l l e dw i r er o d sf o rp r e s t r e s s e ds t e e lw i r e s ，t h e r ei ss e g r e g a t i o n a ls t r i p o fc 、m n ，m i c r o c r a c ka n dm i c r o h o l e m l ec a u s e sa r es e g r e g a t i o n ，r e s i d u a ls h r i n kb o l e a n dp o r o s i t yo fc o n t i n u o u sc a s ts t e e lb i l l e t s n br e f i n e sd e n d r i t ea n di n f l u e n c e st h es e g r e g a t i o no fcs t r o n g l yi nt h er a n g eo f 0 0 4 0 。孙es e g r e g a t i o no fci sa l l e v i a t e db yvi nt h er a n g eo fe ，0 6 0 4 ) 0 9 5 t i i n f l u e n c e st h es e g r e g a t i o no fcl i t t l e ，b u ta l l e v i a t e st h a to fm n s t r o n g l yi nt h er a n g eo f o 0 2 0 n l es e g r e g a t i o no f m n 、s i 、pa n dsi sa l l e v i a t e db yv 、n ba n dt ii nd i f f e r e n t d e g r e e a p p l y i n gt h er e b u i l tp r o d u c i n gl i n ea n ds o u n dr a n g eo f c o m p o n e n t s ，f o r7 7 bh o t r o l l e dw i r er o d sf o r p r e s t r e s s e ds t e e lw i r e s ，t h eo p t i m a lc o n t r o l - r o l l i n ga n d c o n t r o l - c o o l i n gp a r a m e t e r sa l e ：t e m p e r a t u r eo fb e g i n n i n gr o l l i n gt 0 0 0 - 10 5 0 。c ， f i n i s h i n gr o l l i n gt e m p e r a t u r e _ 8 5 0 。c ，s p i n n i n gt e m p e r a t u r e8 2 0 8 5 0 0 c ，t h es p e e do f c o o l i n glo l3 。c s a n dt h et e c h n i c sh a v eb e e ni n d u s t r i a l i z e d k e yw o r d s ：h o tr o l l e dw i r er o d sf a rp r e s t r e s s e ds t e e lw i r e s ，s e g r e g a t i o n ， f r a c t u r e ，m i c r o a l l o y i n g ，c o n t r o l - r o l l i n g ，c o n t r o l - c o o l i n g 2 硕十论文预麻力钢丝削热轧盘条实验研究 1 引言 1 1 预应力钢丝简介 1 1 1 预应力钢丝的应用及分类 预应力钢丝应用于预应力钢筋混凝土结构。预应力钢筋混凝土结构采用预应 力钢丝为筋，在混凝土制造之前，先在钢丝两端施加一定的拉力，然后浇灌混凝 土，待混凝土硬化后撤除钢丝的拉力，此时，钢筋混凝土构件获得一定的压力， 它u 】以抵消混凝k 构件在工作时所承受的部分拉力，从而提高了构件的承载能 力。因此，预应力钢筋混凝土构件与普通钢筋混凝土构件相比能节约钢材，提高 工时。此外，预应力混凝土中的钢丝还具有应力损失小等特点。由于这些优点， 预应力钢丝应用越来越广，包括铁道轨枕、预制楼板，以及高速公路、大型桥梁、 商层建筑及山体锚固等地方。 预心力钢丝的分类方法不尽相同，归纳起来为如下3 种： a ) 按交货状态分类，可分为冷拉预应力钢丝和回火预应力钢丝： - b ) 按钢丝外形分类可分为光面预应力钢丝和刻痕预应力钢丝： c ) 按结构性能分类，可分为冷拉预应力钢丝、矫直回火预应力钢丝、中强度 预心力钢丝、高强度低松弛预应力钢丝、高强度低松弛预应力刻痕钢丝和高强度 低松弛镀锌预麻力钢丝。 1 1 2 预应力钢丝的质量要求 预应力钢丝生产有3 条基本质量要求： a ) 材质均匀通条性能好。要达到这一要求，就必须有合格盘条，否则生产 的钢丝也会i _ h 现幔度4 i 、亢线性4 i 好等缺陷。 b ) 卜司批预心力钢丝必须规格。致、尺寸准确、强度在一个级别上。要得到 合乎标准的强度级别，取决于盘条的含碳量及直径、盘条经热处理后的强度、拉 拔道次。 c ) 应力松弛较小。应力松弛是指钢丝长期处于应力状态，虽然钢丝在混凝土 构件q 的总变形( 弹性变形加塑性变形) 保持不变，但山于钢丝本身的蠕变( 钢丝的 塑性变形在外力不增加的情况f 随时问推移缓慢增加) ，弹性变形将逐渐消失，导 致应力随时阳j 推移而缓慢降低的现象。应力松弛是衡量预应力钢丝质量的一项重 硕十论文预应力钢丝川热轧盘条实验研究 要指标。松弛值越小越好。决定松弛值大小的因素除原料盘条之外。在生产过程 中有一道消除应力的工艺船回火或中频电回火【l i 。 1 1 3 预应力钢丝的发展趋势和现状 随着世界经济的发展，7 0 多年来预应力在品种、规格、质量方面不断更新， 工艺技术、产品性能及对原材料的要求不断提高。产品经历了冷拉预应力钢丝、 矫直回火预应力铜丝、普通松弛预应力钢丝、高强度低松弛预应力钢丝、高强度 低松弛镀锌预应力钢丝的发展过程。 高强度、大直径、低松弛预应力钢丝是近年来发展的新产品。世界各国都把 它作为种钢材新领域的重要研究项目。与一般预应力钢丝相比，不仅具有强度 高，延伸性好和低松弛的力学性能，而且有耐腐蚀、节约钢材等特点。这种产品 有3 个显著的特点： a ) 很高的抗拉强度，高屈服点及高的弹性模量： b 1 有低的应力松弛值； c 1 各种施工场合都能简便操作。 因此被广泛应用于各种工程建筑，如核电站、石油平台、高层建筑、高速公 路，是大型建筑工程发展的需要。 我国预应力钢丝生产现状归纳起来为品种不断增加，规格不断扩大，强度级 别不断提高。就7 i 三产的品种来说，基本上国外有的国内也有如光面、刻痕、镀 锌、低松弛等预啦力钢丝应有尽有。 我困预应力钢丝生产在产品质量有所提高的同时，由于工艺装备、原材料、 工艺技术等的制约，我国生产水平尚有差距不可避免地仍然存在一些不足和问 题，其中主要有： a ) 产晶匀质性差。产品匀质性是一个老问题，也是我国预应力钢丝的一个l 鼗质鞋l l u j 题，特删足普通松他级钏丝，同批产品盘与盘之间或删一盘不同部位 的抗拉强度般相差1 0 0 m p a ，有时可达1 5 0 m p a 以上，而f = _ i 本进口钢丝相应差 异只有4 0 5 卟i p a 。相同条件f1 0 支钢丝的反复弯曲次数，国产钢丝为4 7 次，而h 本钢丝1 0 支均为6 次。国产钢丝的延伸率波动也很大。 b ) 强度级别低，规格偏小。在强度级别上，许多预应力钢丝生产厂家还停留 在1 4 7 0 m p a 和1 5 7 0 m p a 这两个级别上，少数厂家可生产1 6 7 0 m p a 的预应力钢 丝。l i j 陶外预应力钢丝般在1 6 7 0 m p a 和1 7 7 0 m p a ，甚至达到1 8 6 0 m p a 级别。 在其他标准都能满足要求的情况下，强度级别的提高意味着节约的钢材更多。在 规格级别上，大部局限在9 3 o m m 和t p 5 o m m 规格，大规格的钢丝只占很小的比 例。 硕士论文预鹿力钢丝用热轧盘条实验研究 c ) 应力松弛憔能不稳定，伸直性不良。 d ) 痕嚣盎垂，l 、，包装不囊l 越。 1 2 预应力钢丝用热轧盘条 预应力铜丝掰热羲盘条，耩予疆线鑫条。疆线盘条燕捂用优质串、瓷疆素钢 及低合盒钢制造的直径为巾5 5 咖1 2 m m ( 大规格盘条由1 2 一由2 5 m m ) n 硬质线材， 是加工弹簧、钢熬绳、轮胎钢帘线和预应力锶丝的原料。预应力钢丝用盘条则是 颈液力镊篓尘产豹爨辩。 预应力钢丝膈热轧盘条现猩广泛应用的生产工艺流稔为： 电炉冶炼炉外精练连铸高速线材轧制 嚣采薅超毫功率妻流电弧炉或三援交浚电弧妒嫔炼，镧雹精蕊炉裁骧、去狳 气体和关杂耪以及调整钢滚成努温度，用小方坯连铸梳浇铸成方坯，钢坯加热后 经商控制冷却的无扭高速轧机轧制成成品线材 3 1 。 1 2 。1 预应力镶丝用热轧塞条麓技术要求 根据y b t 1 4 6 。1 9 9 8 预戚力钢丝及钢绞线用热轧盘条的规定，具体技术 要求妇一f 。 1 2 1 1 牌号和化学成分 激条豹薄号彝德学残分( 熔炼分极) 疲雩啻含表1 1 静麓定。 袭1 1 牌母稍i 化学成分 硕七论文预府力钢缝弼热；l 盘条实验研究 8 2 a0 8 0 - - 0 8 50 。1 2 - 0 3 20 ，3 0 o 6 0 如0 2 55 0 0 2 50 2 0 8 2 醚n a0 ，8 0 - - - 0 ，8 50 1 2 0 3 20 ，0 6 - - , 0 0 9 盛。0 2 5翁0 2 5黟0 2 0 此标准与日本标准j s g 3 5 0 2 ，1 9 9 6 的牌号对照见表1 2 。 袭1 2 与日本标准j s g 3 5 0 2 。1 9 9 6 的牌号对照 本标准 j i s g 3 5 0 2 7 2 a7 5 a7 7 a s w r s 7 2 as w r s 7 5 as w r s 7 7 a 8 0 a8 2 as w r $ 8 0 as w r $ 8 2 a 7 2 m n a 7 5 m n a 7 7 m n a s w r s 7 2 bs w r s 7 5 bs w r s 7 7 b 望竺坠墼竺坚 ! 兰里! ! ! 登i 兰璺i 墼兰 1 2 1 2 盘条力学性能 盘条力学性能参照表1 3 。 鲞! ：! 塑叁垄堂堂! ! 竖堡 力学 堡娩 牌号 7 2 a 7 2 m n a 7 5 a 7 5 m n a 7 7 a 7 7 m n a ，s 0 a 8 0 m n a ，8 2 a 抗控强度，断面收缩率 m p av ， 直径8 0 1 0 ，o m m 9 6 0 - - 1 0 8 0 9 9 0 1 1 1 0 1 0 2 0 - 11 4 0兰2 5 1 0 4 0 - , - 1l 翮 1 0 6 0 - , - l1 8 0 抗拉强度o b ，断瑶收缩率v m p a 商经1 0 5 13 o m m 9 4 0 - - 1 0 6 0 9 7 1 0 9 0 1 0 0 0 , - 11 2 0 2 5 1 0 2 0 l1 4 0 1 0 4 0 - - l1 6 0 8 2 m n a1 0 8 0 1 2 0 0 1 0 6 0 - - , 11 8 0 。”“。_。_-_-_。_一_一 1 2 。i 。3 嵩倍捡验 高倍检验包括脱碳层和显微组织检验。盘祭应进行脱碳层深度枪验，盘条一 边慧黢碳蘑( 铁素俸+ 过渡层) 匏漾凄应不大予1 5 d ( d 表承盘条公豫纛经) 。 盘条的套相组织应主要为索氏体缀织，不应有马氏体、网状渗碳体及对性能有害 的组织。 4 硕十论文预麻力钢丝_ h j 热轧盘条实验研究 1 2 1 4 表面质量 盘条应将头尾有害缺陷部分切除。其表面应光滑，不应有折叠、耳子、结疤、 分层及肉眼可见的裂纹、央渣等缺陷。允许有局部的压痕及凸块、划痕、麻面， 其深度或高度( 从实际尺寸算器) 应不大于0 1 0 m m “。 1 2 2 钢丝用热轧盘条质量存在的问题 根据会属制品厂的反映，自从我国引进了国外先进的高速线材生产技术设备 以后，盘条质量有了很大的提高，有的已可替代进口原料，但在总体水平上，与 同本等技术先进国家相比，还有较大差距。根据参考文献p i ，预应力钢丝生产 中的主要问题是原材料用盘条的质量问题。 其中涉及到炼钢的主要问题如下： a ) 化学成分波动范围大。化学成分波动范围大，一方面是指不同炉次的盘条 化学成分的波动：另一方面也指同一炉次不同盘卷，甚至同一卷盘条前后不同部 位的化学成分的波动。以碳含量为例，高低可能相差0 1 0 ，这就造成拉拔后的 钢丝强度和冲击韧性指标波动太大，强度差值可达1 0 0 m p a 以上，而日本料拉出 的钢丝强度差值不超过3 0 m p a 。 b ) 非金属兴杂物含量高。拉拔中断丝率高是国产盘条在金属制品生产中反映 出的另一个较大的问题。以国产最好的盘条与同本料相比，在拉拔中，中国料平 均1 2 0 0 1 3 0 0 m 发生一次断丝，而f = 1 本料则超过1 0 0 0 0 m 爿+ 断丝一次。对断口处 作金相分析，经常发现有明显的夹杂物存在。虽然引起断丝的原因很多，但夹杂 物存在是大家公认的主要因素。非金属夹杂物的数量、大小、类型、变形能力、 分布和熔点对盘条的质量( 主要是通条匀质性和冷拔面缩率) 影响很大。 c ) 表面质量差。钢坯( 铸坯) 表面质量好坏直接影响盘条的表面质量，而盘条 表面质量不好也会在拉拔过程中产生横裂和断头【l 。 在控制轧制生产过程中的质量问题，主要是控轧控冷工艺方面的问题【，主 要有： a ) 盘条表面质量控制的问题。表面质量主要包括尺寸公差、表面缺陷、表面 氧化皮。 b ) 对通条性的影响。坯料的加热温度、水冷箱冷却水的压力、吐丝温度、线 材在斯太尔摩辊道上的冷却速度等对盘条的通条性都有影响。 硕十论文预廊力钢丝用热轧盘条实验研究 1 3 控制轧制技术1 2 1 3 1 控制轧制目的 控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、温度制度和变形制度的合理 控制使热塑性变形与固念相变结合，获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合 力学性能的轧制工艺。 对中、高碳钢和低合会钢来说，采用控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺 参数f 合金元素、碳元素、微量元素、开轧和终轧温度等) 、细化变形奥氏体晶粒， 经过奥氏体向铁素体和珠光体的转变，形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光 体球团，从而达到提高钢的强度、韧性的目的。 1 3 2 控制轧制的工艺方案 控制工艺方案有三种： a ) 完全再结晶型控制轧制工艺： b ) 完全再结晶型与未再结晶型配合的控n 车l n z 艺： c 1 完全再结晶型、未再结晶型和奥氏体与铁素体两相区轧制的三阶段控$ 1 j 车l 制。 组织以珠光体为主的钢，通过控制轧制导致珠光体相变温度提高，使珠光体 片层间距加大，造成钢的强度降低和韧性降低。但由于控制轧制使奥氏体晶粒细 化，相变后获得较小直径的珠光体球团，钢的韧性得到提高。为了要得到较小直 径的朱光体球团，必须采用再结晶型的控制轧制以得到细的再结晶奥氏体。 1 - 3 3 控制轧制工艺参数 型钢生产中的控制轧制工艺参数主要是指温度制度。因为生产型钢的孔型系 统和尺、。基本已定，变形制度不易改变，不太可能改变道次变形量。出于轧机的 布胃形式和孔型配置已定，轧制工艺也已基本固定。但温度制度的变动还是可能 的。轧制温度的控制主要决定于加热温度( 即丌轧温度) ，无法控制轧制过程中 的温度变化。一般采用降低丌轧温度的办法来保证对温度的有效控制。 硕十论文预府力钢丝用热轧盘条实验研究 1 3 4 控制冷却目的及控制冷却各阶段的作用 控制冷却的主要目的是控制过冷度及冷却速度，得到强韧化所要求的索氏体 组织。控制轧制钢材轧后控制冷却一般分为三个阶段，即一般所说的一次冷却、 二次冷却及空冷三个阶段。由于三个阶段的冷却目的和要求不同，采取的控制冷 却工艺也完全不同。 ， a 7 一次冷却轧后控制冷却的第一阶段 一次冷却是指从终轧开始到变形奥氏体向铁素体或渗碳体开始转变的温度 范围内控制其丌始快冷温度、冷却速度和控冷( 快冷) 终止温度。在这段温度中 采用快冷的目的是控制变形奥氏体的组织状态，阻止晶粒长大或碳化物过早析出 形成网状碳化物，固定由于变形引起的位错，增加相变过冷度，为变形奥氏体向 铁索体或渗碳体和珠光体的转变做组织上的准备。相变前的组织状态直接影响相 变机制、相变产物的形态、粗细大小和钢材性能。经验表明，一次冷却的开始快 冷温度越接近终轧温度，细化变形奥氏体的效果越好。 b ) 二次冷却轧后控制冷却的第二阶段 热轧钢材进行一次快冷之后，立即进入冷却的第二阶段，即二次冷却。二次 冷却的目的是控制钢材相变时的冷却温度和冷却速度以及停止控冷的温度，以保 证获得要求的相变组织和性能。 c ) 空冷轧后控制冷却的第三阶段 经过第一次冷却和二次冷却后，相变全部结束，可以采用空冷进行冷却。 1 3 5 控制冷却工艺参数的制定 线材控制冷却的工艺参数主要有终轧温度、吐丝温度，相变区冷却速度以及 集卷温度。这些参数很大程度上决定产品的最终质量。 控制终轧温度主要是控制奥氏体晶粒尺寸，一般终轧温度高时，晶粒大。终 轧温度除了控制加热温度和丌轧温度外，可以通过控制精轧机前水冷箱及精轧机 组之f h j 的水量来实现。 吐丝温度是控制相变丌始温度的关键参数，吐丝温度对钢材性能影响很大。 斯太尔摩控制冷刨的生产经验表明，对于高碳钢，在其它条件不变的情况下，吐 丝温度越高，线材的抗拉强度越高。为了保证线材性能均匀，要求将吐丝温度严 格的控制在规定的范围内，一般允许波动士l o o c 。 线材的二次冷却，一般又称为相变冷却，相变区冷却速度决定了奥氏体的分 解转变温度和时i b j ，它对线材的最终组织形念起决定作用。对于散卷风冷运输机 硕十论文预应力钢熊糟热轧盘条实骚研究 豹冷却速度取决于运输机的速度、风机的状态朔风量的太小以及保温罩的开闭。 集舔滠疫主要数次于穗交结袋滠疫及箕嚣翁冷帮过程。 1 3 6 轧制引起的拉拔断裂 圈两一些厂家对断口送幸亍分辑褥出：盘条终辘后的冷却不当，容易造成拉拔 中的断熊，其原因主鬻是内部组织发生了改变。冷却速度高，开始变形温艘低时， 有可能形成马氏体。当马氏体形成时，盘条的娥伸率降低，抗拉强度升高，硬而 蕤熬马菠诲不交形，疆鞋在控拔避稷中籍导致躲裂，当鸯少慧马氏髂时，柔软豹 珠光体将会在马氏体周围产生微孔涧。 盘条有局部脆性马氏体组织时，拉拔时将产生断丝。蓿断口平齐，这种情况 是由予在轧铡过程中，羼部惫冷露产生数。翅翱热时如果温度超过a e 3 瀑浚以上， 或者在离温下停留时间过长，会融现过热，晶被糖大，形成魏氏体组织。强有大 量的网状铁素体析出时，盘条强度低，韧性差，拉拔容易断熊。因此控制擞微组 织，即控制轧割索氏体纯率，是关键的影h 融困綮。其具有细小，均匀的品粒是减 少繇丝，提高钢丝链髓的必由之麓。 1 4 微合金化 1 4 i 微合金化概念 “微食金纯”即是揩这些元素在镶中豹含量缎低，通常低予0 ，1 ( 重爨酉分 眈) 。鞠镪中不需要懿残余元素不黼，徽合金化元素是有鏊瓣鲍加入镪中以改善 钢材的性能。合会化元素和微合食化元素不仅农合金含量上肖明显的区别，而且 其不同的冶余效应也备有特点：台会化元素主要是影响钢的髓体；而微台会化元 素除了滚溪骧予夔稳戈俸爰癸，咒乎总是透过繁二裙夔轿赛藤影瞻钢懿鑫激缀缓 结构。 、 微合会化技术是近2 0 年来出现的一种新型冶会技术，它是在钢中加入极少 量微台会化元素，捌爝这些撤合金纯元素的强化作t 拜j ，辕之以离纯洁度冶燎工艺、 龙跤嘛适铸坯乍，“技术、控冷控轧手段，庄尽珂能少加或不翩贵重合会元素( 主 要指c r 、n i 、m o ) 的祭件下，使钢在热轧状态即可获得高强殿、高韧性、商町焊 接性和趣好的成型性能，故该技术黩有很高的经济效益和推广价值，受到潮内外 冶会器瓣普遍重筏。获缮广泛应麓”“。宙予这类锈在生产遥程中省去调袋楚理， 性能达到调质态，故称为微合会非调质钢，简称非调制钢。 硕士论文预应力钢丝用热轧盘条实验研究 1 4 。2 微合金化技术发展“， 1 4 2 i 国外微合嶷化技术应用的进展 蠢姊对钢夔徽会余纯技术载1 0 年悉心繇突，又1 0 年躲开箱发震，试浚謦近 代冶命工艺技术的最重要进展，熟过于微合念化技术的成就。 圈外进展大致可归纳如下： 砖徽台金纯技术弱应惩，激瓣粒缨诧强化缀为重要。 b ) 热机械处理( t m c p ) 的出发点在奥氏体调节，归宿于y 啦的富亿生核。 c ) 生产装备和生产工艺现代化对钢的性能的影响集中体现在钢的精练、连铸 及轧后的控制冷却，办即钢的洁净化、铸坯结构及精细组织、最终豹楣变幼力学 三者纛立起了徽合衾纯锈强耘纯赫理论。 d ) 复合微合余化得到了广泛的应用，近l o 年来丌发了离温塑性连铸钢、深 冲冷成型钢、无时效倾向桥梁钢等一系列钢材新品种，在钢的性能高级化方面跨 凄了一大步。 e ) 巴成功开拓了钱在低碳建筑材中的应用、在中碳锻钢和高碳线材中的应 用、以及在合金钢和高合会钢中的应用。 1 4 2 。2 因内徽合众让技术发展状况 我圜自1 9 7 9 年引入钢的微合窳化技术的2 0 余年来，主要经历了三个阶段： a ) 麓缀合会 皂鼓零薮造我函溅蠢静羝台金薅强凄锅嚣系。 b ) 微合会化技术与控轧控冷技术的结合，开发市场急需的微合务化铜新品 种。 c ) 微合会讫技术在掰找钢铁李芎料疆发中鹣应用。 在徽台金钢生产领域已成熟地应用热毫r i 械媳理方法、乾麓加速冷却、氮 乍为 种”台余元素”的应用、有害元索的利用等技术。 2 0 0 1 年我国n b 、v 、t i 微台会化钢产量已达4 7 0 万t ，占嗣期粗钢总产量的 5 。5 ，占低合会赢强浚锻产象瓣5 9 ，可见徽食参诧镪奁鬣合会毫强度镄类中 所处地位和发展趋势。预计2 0 0 5 年我国含钒微合金化钢产爨将达到l1 0 0 万吨。 我阉有丰富的微台金元素资源：氧化钒储赞2 5 9 6 力1 吨，占世界第三俄；氧 纯钛德爨6 ，2 9 8 亿睫，占整暴慧旗撵趣4 5 ，5 8 ；氧纯锈镤量3 8 8 万吨，莰次子巴 西，占髓界第二位。因此，应当把我国的微合会元素的资源转化为微合会钢的品 种乍产| ； ( 】优势。 硕十论文预麻力钢丝用热轧盘条实验研究 1 4 3 微合金化元素作用原理 微合金元素固有特性主要有： a ) 低的含量( 1 0 。一1 0 - 1 ) ； b ) c 、n 和s 交互作用； g ) 基体上形成第二相沉淀； d ) 组织产生强烈的影响： e ) 通过工艺参数来控制溶解和沉淀反应【阳1 微合会元素的作用可以归纳如下： a ) 溶解于固溶体中的微合余元素，能提高铁素体的强度； b ) 沉淀析出的细小颗粒弥散分布在先共析铁素体和共析铁素体上，也能提高 铁素体的强度： c ) 由于奥氏体中的微合金元素及其析出物具有阻碍奥氏体再结晶、推迟7 - a 转变及阻碍铁素体晶粒长大等作用，从而能够细化组织： d ) 由于析出物阻碍位错运动，从而形成位错坏，提高流变应力【2 。 钢中常用的微合金化元素主要有n b 、v 、t i 、b ，由于其物理和化学性质所 决定，它们能与c 、n 等钢中的元素发生反应。在比较低的温度下，它们的亲和 力导致第二相的沉淀。提高温度，即在奥氏体区间，这些化合物全部或部分地溶 于钢的基体中。第二相的溶解和沉淀对钢的性能产生的影响具有决定性的意义。 微合会钢的第二相析出主要有以下几种形式：在凝固前或凝固过程中的大 块析出( 有称之为央杂) ：在高温奥氏体中的粗大析出；相间析出；铁索体中的均 匀析出2 。1 。 溶解和沉淀不仅取决于反应元素的浓度，而且还取决于轧制工艺参数。钢的 最终性能是微合金元素间接和直接作用的结果，因此它们不仅能够控制再结晶和 奥氏体转变的基本过程，而且能够调整结构参数来控制产品的性能。 这些元素可以固溶于钢中，造成晶格的点阵畸变，从而起到固溶强化作用。 但e b 于这些元素的加入量极少，因而钢材性能的提高主要不是依靠合余元素的固 溶强化作用，而要是由于n b 、v 、t i 可以和c 、n 形成碳化物和氮化物从而 引起晶粒细化和析出强化，这是这些微合金化元素强烈影响性能耐原因所在。 n b 、v 、t i 都是强c 、n 化物形成元素、可以形成高熔点高硬度的碳化物和 氮化物这些碳化物和氮化物在钢中可以起两方面的作用。一方面这些碳化物和氮 化物的熔点很高，沉淀在奥氏体晶界上，加热时不易溶人奥氏体，可阻止奥氏体 品粒的长大，从而大大细化晶粒。实践证明，钢材的晶粒越细小，其强度也就越 高。细晶强化不同于其它强化方法。其它强化方法在提高材料强度的同时会造 0 硕十论文预应力钢丝用熟轧盘条实验研究 成材料韧性的损失而细晶强化不但可以提高强度，而且还可以同时提高塑性和 韧性，这是因为当晶粒细化时，材料的晶界总表面积增加，晶界上杂质元素偏析 的浓度将会降低，有害影响将会减少，韧脆转折温度就会降低，从而使材料塑性 得以提高。另一方面，固溶于奥氏体中的n b 、v 、t i 的碳化物和氮化物也可以 在奥氏体转变成铁索体过程中或转变之后析出，在铁的晶格中会阻碍位错运动， 使合会的强度得到提高。由于析出质点非常细，通常小于1 0 n m 而且弥散分布。 由沉淀粒子的析出所引起的强化会非常显著，因此细晶强化和沉淀强化在微合金 化钢的强化机制中占主导地位。 1 4 4 盘条用钢微合金化研究 运用控轧控冷工艺，使线材性能显著改善，达到接近铅浴韧化处理材料的水 平。然而，需要在此工艺条件下在强度和可拉拔性指标上达到进一步的改善。微 合会化提供达到这些目标的方法。对线材微合金化可达到下列两个目的之一： a ) 在常用的碳素钢水平上提高强度； b ) 在含碳量稍低的钢中获得通常的强度级别【2 ”。 微合金化用于高碳钢线材，具有下列优点： a ) 强度高于碳钢可达到的水平； b ) 在比共析成分略低得碳含量水平上，便可达到全部为珠光体时使韧性和展 延性得到改善。车l $ 1 j 的普碳钢线材的抗拉强度平均为1 0 0 m n m ，低于铅浴韧化 处理材料的水平。微合金化的目的是在线材轧制中获得强度的增加，仍保持良好 的可拉拔性| 2 3 i 。 铌、钒、钛在棒线材生产中的应用特点是： a ) 钒的应用在于细化珠光体团和铁素体多边化细化晶粒以及强化铁素体和 珠光体的铁素体片。这对生产硬线会取得比普通中、高碳钢更优越的组织。 b ) 铌在高速线材生产中的应用，十分广泛，包括中碳螺纹钢筋，高速轧制几 乎是在绝热过程中变形，由于高变形能量的输入，温度可能升高，正是由于固溶 铌阻止再结晶或阻l e 动态再结晶后而阻止晶粒的长大。另一特点变形温度可比普 碳钢高出1 0 0 。c ，允许在更高温度下实行更高速轧制。可以生产利于后续冷加 ： 的基体组织。这样高碳线材有利于后续冷加1 ：。特别硬线加丁+ 1 2 4 i 。 预应力混凝土结构绞合线是用共析组分的钢丝制成的。连铸坯经常出现多于 共析量的中心线碳偏析，所产生的渗碳体对拉丝操作不利。为了尽量减少这种问 题，可略微降低碳含量，而强度损失可通过增强软性的组分珠光体、铁素体加以 补偿。通过添加少量v ，在珠光体的铁索体层中发生v ( c 、n ) 沉淀，提高线材的 抗 t 灶发。在拉拨线材中保留了相问强度增量1 2 “。 硕十论文预应力钢丝用热轧盘条实验研究 目前，我国大规格高碳钢线材多用c r 微合金化，结合控轧控冷工艺达到高 索氏体化率，提高强韧性1 2 6 , 2 7 1 。国外利用已经展开v 、n b 、t i 等微合金元素在 高碳钢线棒材的研究。其中由于v 的固溶温度低，沉淀强化、细化晶粒作用显 著，研究得最多，并已应用于生产【2 8 2 9 3 伽。 1 5 本论文的选题背景和研究内容 1 5 1 选题背景 高强度、低松弛预应力钢丝和钢绞线主要用于高速公路、大跨度高架桥梁、 高层建筑、机场、隧道、水坝、电站等重要建设工程，对性能、质量及其可靠性 要求严格；近十年来，随着许多钢丝生产厂家从国外成套引进高速、连续、大压 缩比冷拉设备，技术装备水平发生了质的飞跃，对拉拔钢丝所用高碳盘条的冷加 工性能的要求同益提高。但是，由于种种原因，尽管国内许多冶金企业在提高高 碳钢及其大规格盘条的质量方面做出了不懈的努力，包括增设钢水炉后精炼装 置，进行高碳钢微合金化处理，引进轧制后控冷装置等等，国产大规格高碳盘条 仍难于满足国内高强度、低松弛预应力钢丝和钢绞线生产厂家和用户r 益“苛刻” 的质量要求。 南京钢铁集团有限公司作为始建于1 9 5 8 年，具有年产3 0 0 力1 吨综合生产能 力的江苏省钢铁龙头企业，盘条生产却一直以低碳低合余盘条为主，在高强度、 低松弛预应力钢丝用高碳盘条的生产中存在技术和质量问题而无法批量生产。本 论文的选题就是针对南京钢铁集团有限公司在高强度、低松弛预应力钢丝用高碳 盘条的生产中存在的技术和质量问题丌展实验研究，以期为实现优质合格产品的 规模生产提供依据。 1 5 2 本课题研究的主要内容 本课题的主要内容包括： a ) 预应力钢丝拉拔断裂原因分析： b ) 热轧盘条成分偏析与连铸坯凝固组织研究 c 1 微合会化研究； d ) 生产实验与验证。 硕十论文预麻力钢丝用热轧盘条实验研究 2 实验研究方案与条件 2 1 研究思路 获预应力钢熊拉拔断裂蔗霹分析与预残力镭丝餍裔碳盘条存在的质量闰蘧 分析入手，丌展实验室和生产现场实验研究，提出预应力铜丝用高碳盘条的成分、 工艺以及生产设锯改造方案，并经生产验证，生产出合格的产品。 2 2 主要分析方法和实验设备 2 2 1 先学金樱分析 液。 用型号o l y m p u s 会相显微镜进行显微观察：腐蚀剂为3 的h n 0 3 酒精溶 2 2 2s e m 显微分析与能谱分析 趱q u a n t a 一2 0 0 型号扫攒毫镜迸嚣显徽缝织理察：翅羟接邀镱附带e d a x 型号能谱仪进行微区成分分氍。 、 2 2 3 力学性熊分析 在w - 3 0 b 型号试验机一t - _ 谶行力学性能实验。 2 2 。4 熔炼设备秘辅助材料 实验室采用额定功率为1 0 0 k w ，额定频率为2 5 0 0 h z ，2 5 k g 中频感应熔炼炉 做熔炼设备：选用碱性炉衬；祭用水冷铜摸冷却。 熔滚霸人的镶合会，萁残分觅表2 。l 。合会死素毂瓣搴及趱入时闽冤袭2 2 。 每次熔炼钢锭t 7 k g 。 表2 1川丁熔炼的铁台愈成分( ) 钒台金0 7 52 5 0o ，5 0o 1 0o 0 5 5 0 0 00 0 00 0 0 铌合金0 0 70 2 50 0 0 0 0 00 0 00 0 06 65 00 0 0 钛合金0 1 03 0 02 5 0 o0 30 ，0 3o 0 0o0 03 9 3 0 生铁4 1 0 o 0 0o 0 00 0 00 0 00 0 0 o 0 00 0 0 表2 2 台金收的率及加入时间 元素名称 合金名称适宜的加入时间 收的率， _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ 一 砖 硅铁出钢前1 0 分钟9 0 锰金属锰装料时9 0 钒 钒铁还原期9 5 9 8 铌 铌铁装料时1 0 0 钛 钛铁出钢前插铝终脱后加入8 5 9 2 铬 铬铁装料时9 7 9 8 2 2 5 酸浸实验 采用热酸浸蚀法。 选用普通砂锅为容器，用普通电炉进行加热，用石棉网使其均匀受热：普通 温度计测量温度。 浸蚀液为体积比为1 ：1 的赫酸水溶液：质量比为1 ：5 0 的柠檬酸水溶液去除表 面的氧化物。 蠖士论文鞭疵力钢丝垲热# l 懿条实验研究 3 冷拔预应力钢丝断裂原因分析 预应力钢丝用燕耗盘条的牌弩为7 7 b ，蒸熔炼纯学成分冕表3 1 。 表3 1 预癍力钢丝f 7 7 b 热毵纛条熔炼纯学成分( ) 分剐用两种拉拔工艺拉旅。用第一种拉拔工艺教拔，分嗣在由8 0 4 n m l 、垂 7 0 8 r a m 、乖6 3 4 r a m 、垂5 6 2 r a m 、审5 0 0 r a m 和毒4 9 4 m m 遒次发生辩裂；角第二 种拉援工艺挺拔，分稍在审8 2 2 m m 、每8 0 2 m m 、审7 。9 6 m m 、审7 1 0 m m 器$ 7 0 6 m m 道次发生断裂。 3 1 拉拨断嚣宏观观察 断蜀呈接锥状，叛网豹尖头方肉与挝拔方向一致，并观察到角度约为1 5 。 豹按压痰，见图3 1 。可判龄断裂大多发生在模具入口处。 3 2 夹杂物分析 图3 1 拉拔断口宏观特征 3 2 i 第一种拉拔工艺断裂钢丝夹杂物分析 第+ 种拉拔工艺断裂钢丝兴杂物评级见表3 ，2 。可判断夹杂物符合要求。 表3 2 第。种拉拔：艺断裂钢丝夹杂物评级 试样 试样号赢径 abcd 细系粗系细系辍系细系梧系细系椒系 硕十论文预应力钢丝硝热轧盘条实验研究 在中7 0 8 m m 、巾6 3 4 r a m 、中5 6 2 m m 、巾5 o o m m 和中4 9 4 r a m 硬线钢丝上观 察到中轴线区域有问断性裂纹。 3 2 2 第二种拉拔工艺断裂钢丝夹杂物分析 第二种拉拔工艺断裂钢丝夹杂物评级见表3 3 。可判断夹杂物符合要求。 表3 3 第二种拉拔一艺断裂钢丝夹杂物分级 在书7 9 6 m m 、中7 1 0 m m 钢丝上观察到中轴线区域有间断性横向裂纹。 3 3 金相组织分析 3 3 1 第一种拉拔工艺断裂钢丝金相组织分析 3 3 1 1 由8 0 4 r a m 预应力钢丝观察 从图3 2 可以观察到沿拉拔方向产生了自亮的条带在高倍下，观察白亮部 分为饯余奥氏体和钉状马氏体，马氏体很难被硝酸酒精浸蚀，因而在显微镜中呈 浅色，见图3 3 。 硕七论文预庸力钢丝用热轧盘条实验研究 出强3 2 孛( a ) 亵) 夔魄较，发璎钢丝芯部囊色条豢明显多于钢丝边郏白色象 带，钢丝芯部白巍条带宽度明显大于钢丝边部囱亮条带宽度，如图3 t 3 中( a ) 和( b ) 。 ( a ) 中部缎织 ( b ) 边部组织 幽3 2m 8 0 4 m m 钢丝低倍组织 a ) 中部缀织b ) 边部缀织 魁3 ，3 串8 。0 4 m m 钢丝毫倍组织 3 3 1 2 由7 0 8 r a m 预威力钢丝观察 观察到谗多自亮条豢浍拉拔方肉分匆子基体之上，在许多白亮祭带上产生了 微裂绞，见图3 4 。离倍下，判断为残余舆氏体和针状马氏体。 蕃委+ 论文 颡瘴杰钢丝翔热$ l 蠢条实狻研究 麴3 4 枣7 。0 8 删钢丝是亮象带 3 3 。1 。3 垂6 3 4 m m 预应力钢丝观察 钢丝中宏观裂纹产生于粳黝自亮条媸，即舄氏传含爨多豹地方，见图3 ，5 ( a ) 。 另外观察到许多细小的连续自亮条带淤拉拔方向分布于基体之上，在很多自亮祭 带上产生了微裂纹，霓圈3 。5 ( b ) 。裹绩下，判颛为残余舆氏体秘针状马氏体。 ( a ) 钢丝中部裂纹 ( b ) 向亮条带 筮3 ，5 牵6 3 4 r a m 钢熊低倍缀织形貌 3 3 i 4 中5 6 2 m m 预应力钢丝观察 观察到沿拉拔方向产生了许多白亮的条带，在钢丝芯部白巍条带明娃多于钢 丝边部，冤蚕3 6 ( a ) 。毫倍下，鼹察饔太耋瓣马氏俸粒残余奥氏终鞠叛裂懿屈氏搭， 见图3 6 ( b ) 。 硕十论文 预应力钢丝用热轧盘条实验研究 ( a ) 中部低倍组织( b ) 中部高倍组织 图3 ，6 中5 6 2 r a j i l 钢丝组织形貌 3 3 1 5 巾5 0 0 r a m 预应力钢丝观察 沿着拉拔方向产生了白亮的条带，钢丝边部白色条带少于心部白亮条带，中 心白色条带较宽，长度较长，边部白色条带宽度较窄，长度较短。白亮条带总量 明显少于前4 个直径的钢丝的白亮条带总量，见图3 7 ( a ) 。基体为索氏体和屈氏 体，见图3 7 ( b ) 。 ( a ) 低倍组织( b ) 高倍组织 图3 7 中5 o o m m 钢丝组织形貌 3 3 1 6m4 9 4 r a m 预应力钢丝观察 观察到个别的白亮条带，并在白亮条带上产生了许多微裂纹，基体为索氏体 组织，见图3 8 。 颈十论文预廊力钢丝用热轧盘热实验研究 f a ) 羝倍鳃织 ( b ) 礴接组织 图3 8 夺4 9 4 m m 钢丝缀织形貔 3 3 2 第二种拉拔工艺断裂铡丝金楗组织分析 3 3 2 1 由8 2 2 m m 预应力钢丝观察 ( a ) 低倍辩纸 ( b ) 赢倍组织 ( c ) 高倍组织 崮39 串8 ，2 2 m m 钢丝缨纵形貔 硕十论文预应力钢丝用热轧盘条实验研究 观察到较多的的白亮条带，见图3 9 ( a ) 。高倍下，确定白亮条带为残余奥氏 体和马氏体，基体组织为卷氏体、屈氏体和贝氏体，见图3 9 ( b ) 和( c ) 。 3 3 2 2 由8 0 2 r a m 预应力钢丝观察 产生了较多的白亮条带，中间的条带较粗而长，见图3 1 0 ( a ) 。高倍下确定白 亮部分为残余奥氏体和马氏体，见图3 1 0 ( b ) 和( c ) ，基体组织为索氏体、屈氏体 和上贝氏体，见图3 1 0 ( d ) 。 ( a ) 低倍组织